基于虚拟仪器技术的主机监控系统自动测试系统设计

荣杰+吴杰长+张超杰+刘海松

摘 要： 针对某主机监控系统故障维修难度大且缺少相应维修测试仪器和工装设备的实际情况，设计了一种基于LabVIEW的PCI总线和数据采集卡的自动测试装备并完成了具体设计工作。其采用PCI?3361进行信号的采集和控制向量的输出，通过继电器和外部接口电路实现测试单元的自动选择，利用LabVIEW应用程序进行故障的检测、识别、定位。实验表明该测试装备工作可靠，适用性良好。

关键词： 虚拟仪器； 主机监控系统； 数据采集； 自动测试系统

中图分类号： TN919?34； TP277 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）22?0135?03

Design of automatic test system of a certain ship engine monitoring system based on virtual instrument technology

RONG Jie1， WU Jie?chang1， ZHANG Chao?jie1， LIU Hai?song2

（1. College of Power and Engineering， Naval University of Engineering， Wuhan 430033， China；

2. Naval Military Representative Office Stationed in Wenzhou， Wenzhou 325000， China）

Abstract： For the actual situation on lack of corresponding maintenance test equipments and fault maintenance difficulty of main engine monitoring system， a automated test equipment for PCI bus and data acquisition card based on LabVIEW was designed， which uses PCI?3361 to execute the output signal acquisition and vector control， employs the relay and the external interface circuit to realize automatic selection of the test cell， and utilizes LabVIEW application program to conducts fault detection， identification and location. The experimental results show that the test equipment is reliable and has perfect applicability.

keywords： virtual instrument； engine monitoring system； data acquisition； automatic test system

船舶主机监控系统是舰艇动力系统的重要组成部分，主要由控制系统、监测报警系统、安全系统构成[1]。它需要采集并处理柴油机转速、供油齿杆的位置、启动及控制空气压力等信号，因此监控系统直接关系到整个动力系统能否正常工作。在智能化、无人机舱[2]的发展趋势下，改善、提高主机监控系统性能的同时，也大大增加了系统的复杂性[3]，使得其故障检测、维修难度增大。因此，展开自动测试系统研究成为必然。

1 自动测试系统的功能要求及设计思路

某主机监控系统主要用于自动化遥控主柴油机，实现主柴油机工作过程的自动控制（盘车、启动、加减速、停车、反转）、主要参数的监测报警和重要参数的安全保护。电路模块是其主要监控组件，系统全部由模块化结构的电路模块组成，通过接线插头实现模块间、模块与外部装置的信号传递。在系统的运行过程中，需要完成柴油机各信号装置、驾驶室的信号采集，经处理后产生相应的控制信号并实现主柴油机的自动控制功能及监测和保护，同时使主柴油机避开临界转速。

通过对被测电路模块的分析，全面掌握了其工作原理、结构组成、信号特征、使用规则和维护方式。在主机监控系统自动测试系统的设计中，采用了LabVIEW软件和PCI总线技术进行系统设计，该系统的功能如下：

（1） 测试系统本身自检能力：通过系统自检，完成对系统内部的仪器设备、输入和输出通道的自检及初始化；

（2） 测试信号生成和分析处理功能：测试系统能够模拟生成柴油机各信号装置的信号，对主机监控系统的电路模块施加相应的激励信号并对采集的信号进行分析处理；

（3） 功能测试功能：在模拟信号状态下对各硬件系统进行初始化和检测，完成其主柴油机的启动及正车和倒车的转换，测试模块功能的好坏；

（4） 监测报警及故障诊断功能：测试系统具有信号处理、故障分析、故障定位能力，能对测试模块进行故障定位；

（5） 测试记录查询打印功能：该监控系统电路模块种类和数量都对数据分析的结果能够显示及记录。

现代的测试工作远非人工测试所能胜任，必须实现测试系统的自动，即在测试系统中对主机监控系统电路模块和测试仪器端分别实现自动控制。综合考虑某舰主机监控系统的测试需求及自动测试系统的可靠性、成本和软件开发等因素，参照已有测试系统的结构[4?7]，采用如图1所示的测试系统总体框图。

图1 测试系统总体结构

如图1所示由计算机控制测试软件对主机监控系统测试端施加激励信号并实现自动控制，对响应信号进行快速、准确地捕捉和测量并完成处理、显示和存储。

2 系统硬件设计

2.1 数据采集卡的选型及激励信号生成

数据采集是指从传感器和其他待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集非电量或电量信号，送到上位机中进行分析、处理[4]。而数据采集卡，即实现数据采集（DAQ）功能的计算机扩展卡，目前大部分的是通过USB，PCI，VXI，ISA等总线接入计算机。在本测试测试系统数据采集卡选型中，基于PCI总线的产品在灵活性、易用性和性价比等方面有很大的优势而选择PCI总线型数据采集卡。其插卡式的硬件可以直接插入计算机的PCI插槽，可充分利用计算机资源来实现数据采集及处理、故障诊断和过程控制等功能。结合某主机监控系统对测试通道的需求同时为了保证测试系统的精度和可靠性，数据采集卡采用泛华恒兴基于PCI总线的高精度多功能数据采集卡——PS PCI?3361。该板卡主要由MFIO模块、ADC模块、DAC模块、DIO模块、FPGA控制模块及PCI桥芯片模块，可实现如下功能：ADC、DAC、数字IO、MFIO及计数器，能够满足测试系统的要求。主机监控系统在工作过程中涉及到的信号有转速、油压、齿杆位移及其他开关量等信号。在实际维修测试中，出于对主机安全考虑一般都是在停机状态下测试，而在模块测试中却需要主机正常工作的信号，因此激励信号的生成是否准确对测试系统正常测试显得尤为重要。在对某主机监控系统的电路模块进行测试时，通过采用转速、压力及开关量等传感器来模拟主机监控系统的工作信号，严格校准模拟信号与实际工作信号幅值及频率。而对于常用的正弦、脉冲等激励信号，LabVIEW语言都有这些信号的库函数[5]。本文调用动态链接库中的模块Waveform Buffer Generation.vi子VI来实现信号生成。将模块所需要的激励信号连接到被测电路模块相应的端口，同时将测试端连接到数据采集卡的模拟量输入端。

2.2 信号接口及转接电路

测试系统的硬件结构主要功能是完成对激励信号源的自动接入、测试信号的采集、测试端口的自动选择等[5]。根据该型主机监控系统的结构特点，设计测试系统硬件主要由电源、接线板、数字采集卡、信号调理电路板和工控机等组成。根据被测电路模块的特点，该系统主要实现对45针接插件插板的检测，同时预留了相应的扩展电路，使其具有可扩展性。该系统的单一模块测试结构如图2所示。

图2 单一模块测试结构图

为了保证测试系统的精度和可靠性，数据采集卡采用泛华恒兴基于PCI总线的高精度多功能数据采集卡——PS PCI?3361。该板卡主要由MFIO模块、ADC模块、DAC模块、DIO模块、FPGA控制模块及PCI桥芯片模块，可实现如下功能：ADC、DAC、数字IO、MFIO及计数器。同时选用GPS?3303C型直流电源，能够提供0～27 V的直流电压，用于给电路模块提供+5 V的电源，并能提供继电器工作的+27 V电压。针对信号接入中存在的信号变换及多路复用的问题，参考现有成熟的技术选用了MAX14778芯片进行信号的控制，如图3所示。组建好测试系统后，可实现单一模块的自动测试，也可以依据主机监控系统的功能对模块进行联合功能测试。同时根据引进模块的接口特征和测试端输出信号的特点添加相应的信号调理电路和模拟滤波电路，将输出的信号调整到数据采集卡最大允许的输入电压范围。另外，根据测试需要，待测电路模块接口系统还添加了一些特殊的外部辅助电路，用来模拟负载电阻和负载电容等。

3 测试程序设计

自动测试系统软件与硬件有机结合，构成功能完整的测试系统。本测试系统在Windows XP操作系统环境下运行，基于LabVIEW 8.6进行软件编程，LabVIEW是美国国家仪器公司（National Instruments Corp，NI公司）推出的面向计算机测控领域的虚拟仪器软件开发平台，被视为标准的数据采集和仪器控制软件。该平台不仅提供了对虚拟仪器的支持，还具有各种测试、通信、控制和数值分析能力，具有控制能力强大、库函数丰富、实时性强、编程容易等优点[6]。

图3 多路选择开关结构图

根据某舰主机监控系统的测试需求和PCI平台的硬件特性，设计了功能完善的测试程序，并且操作界面直观，浅显易懂，维护操作人员能够快速理解使用。为使软件具有较好的维护性和扩展性，采用模块化设计思想，测试系统软件框图如图4所示。

图4 测试系统软件结构框图

启动系统后，测试系统先进行自检，对系统内部的仪器设备、输入和输出通道初始化。无故障以后显示主程序界面，用户可根据测试需要进行相应的测试操作。

4 维修测试实验及结论

该测试系统采用了当前测试领域应用较为广泛的PCI总线技术和虚拟仪器技术，提高了自动测试系统的模块化、快速化和自动化水平，同时系统采用基于LabVIEW软件的数据处理程序，能够自动对被检测模块施加激励信号和采集响应，并能对采集的数据进行分析处理，以及显示和记录被测模块的测模块的工作情况，从而实现了对被测模块的测试及故障定位。实践证明，本文讨论的这套主机监控系统测试系统能够很好地满足实际工作的需要，且工作性能可靠，抗干扰能力强。在舰船实际应用结果表明：在维修过程中对监控系统电路模块的故障诊断迅速而准确，适用性良好，满足实装要求。

参考文献

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