机电控制电路在线故障检测系统研制

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(解放军理工大学，江苏 南京 210007)

Design of Online Fault Testing System of Mechanical Electrical System

SUN Yan，LI Pei，YANG Xiaoqiang

(PLA University of Science and Technology，Nanjing 210007，China)

机电控制电路在线故障检测系统研制

孙琰，李沛，杨小强

(解放军理工大学，江苏 南京 210007)

DesignofOnlineFaultTestingSystemofMechanicalElectricalSystem

SUNYan，LIPei，YANGXiaoqiang

(PLAUniversityofScienceandTechnology，Nanjing210007，China)

摘要：现代机电设备中包含了大量的机电控制电路及元件，对其故障的准确判断非常困难。利用设计了一种电路控制板在线故障检测系统，以实现对电子元器件的在线无损伤检测。检测系统主要由上位机和下位机构成，上位机负责用户交互和信息管理等功能；下位机是检测系统的核心组成，包括微控制器、CPLD控制电路、信号采集板与测试接口电路等，完成电控元器件和电路板的故障信号采集等功能。采用嵌入式技术和VHDL语言进行了硬件设计与软件开发，通过改进测试向量算法提高了测试的速率和故障覆盖率，实现了系统良好的人机交互和电路故障测试分析功能。

关键词：电控系统；故障检测；测试向量算法

中图分类号：TN407

文献标识码：A

文章编号：1001-2257(2015)10-0034-04

收稿日期：2015-06-25

基金项目：江苏省青年科研基金资助项目(BK2012061)

Abstract：There are lots of electronic control components and cards in modern mechatronic devices. It is much difficult to detect and diagnose various faults of the machine. An online nodestructive fault detection system is developed so as to fulfill the fault detection and maintenance. The fault detection system consists of master and slave chassis together with communication unit. The embedded technique and VHDL language are used in the development of its firmware and software platform. The improved testing vector algorithm is proposed to upgrade the detection speed and fault coverage rate. The results present better human-machine interface and fault detection analysis function. The application shows that the system is general-purposed and more reliable，and have good promotion application prospect.

作者简介：孙琰(1990-)，女，安徽芜湖人，硕士研究生，研究方向为机械工程。

Keywords：electricalcontrolsystem，faultdetection，testingvectoralgorithm

0引言

随着电子技术、计算机技术和机电一体化技术的发展，现代机械设备的智能化、信息化和自动化程度越来越高，设备中大量应用了微处理器、控制板、通讯模块、数模转换元件等电子控制单元，极大地提高了机械设备的使用效能。国内外在电控系统的在线诊断方面进行了一些研究工作，其中美国从上世纪70年代开始这方面的研究，麻省理工学院的Beard博士采用的解析冗余代替硬件冗余，再由系统自组织使系统闭环稳定，最终根据观测器的输出比较获取系统故障信息，这一思想标志着电控系统在线故障检测系统的诞生。国内这方面的研究始于80年代初，如清华大学自动化系从1983年就开始了相关的研究探索。经过30多年的发展，电控系统在线故障检测技术已经得到了深入广泛的研究，并有一些新方法的提出。但总体而言，大部分成果还停留在计算机仿真或实验阶段，真正成功地将其应用于实践的实例仍属少数。本文旨在探索开发一种通用、便捷、可靠的电路检测技术和方法，综合应用在线测试技术和计算机技术对电控系统板卡、元器件进行不焊离、少拆卸和无损伤检测维修，以解决当前工程装备电控设备电路维修难题。

1测试系统总体及硬件单元设计

1.1　测试系统总体技术方案

测试系统由上位机、下位机和通讯模块组成。上位机控制下位机产生测试激励施加给被测器件，并对下位机采集到的输出信号数据进行分析处理；通讯模块由PCI接口板、数据转接器和电缆组成，实现上位机和下位机的通讯功能，测试信号通过测试夹传输给被测器件。

系统结构采用一体化箱体结构，集成度高，便于野战条件下搬运和运输，同时箱体结构还具有很强的抗震、抗冲击功能，能有效保护系统内部电路不受损害。测试系统总体结构如图1所示。

图1　测试系统总体结构

1.2　测试系统硬件设计

上位机由工控机、显示屏、触摸屏、键盘组成，主要完成采集信号的分析处理；下位机包括主板控制电路、分板测试电路以及PCI总线电路，主要完成测试电源的控制输出和测试信号的产生、施加、采集等。主板电路包含CPLD控制电路、电源继电器控制电路和6个总线插槽。分板测试电路包括4块数字功能测试板、1块V-I模拟测试板和1块继电器开关控制板，依次安插在主板插槽上。测试系统面板设置电源输出端口和测试信号输出接口，测试信号通过专用的电缆施加给待测器件。

2测试系统软件设计

测试系统的软件开发包括下位机软件开发和上位机软件开发。

2.1　下位机软件开发

下位机软件模块处于系统软件的最下层，采用CPLD进行逻辑控制，包括测试向量在向量存储器的写入、读出逻辑，以及测试结果的采集和存储，是硬件系统的控制核心。运用VHDL语言在QuartusII平台对CPLD的控制程序进行了开发，限于篇幅，以通信模块程序的开发说明下位机软件设计过程。

通过通信模块将主处理器、辅处理器采集到的数据按协议发送至上位机，根据检测仪主机设计要求，对下位机软件使能模块的要求为：

a.波特率为9 600b/s。

b.主处理器发送数据时辅处理器等待，辅处理器发送数据时主处理器等待。

c.数据采集时一次采集13位，发送时一次发送8位。

通信模块所采用的是异步通信方式，可以规定传输的一个数据是10位，其中最低位为启动位(逻辑0低电平)，最高位为停止位(逻辑1高电平)，中间8位是数据位。使用11.059 2MHz的晶振1 152次分频得到9 600b/s的波特率。

2.2　上位机软件开发

上位机软件主要用于完成测试系统和使用人员之间的交互，同时控制下位机完成测试，并对测试数据进行查询等。因此要求软件具有良好的人际交互性和测试可靠性。同时方便维护，特别是对不同工程装备器件测试库的扩充和升级。上位机软件的操作界面和测试程序采用VisualStudio平台进行开发，运用Access建立测试记录数据库，与软件进行关联。软件结构图如图2所示。

图2　软件结构

软件主要包含人机界面、底层测试程序和数据库管理，测试程序由软件自动控制生成，数据管理系统则管理测试过程中的数据信息。

测试时，依据装备电控设备功能结构组件设置的导航菜单，进入该型装备控设备检测维修库。测试流程如图3所示。

图3　测试流程

2.2.1数字功能测试算法与实现流程

依照所选装备型号进行测试时，软件首先调用被测器件在库中的测试程序，再根据器件自身管脚连接状况，通过软件仿真对测试程序进行修正，最后将修正后的测试程序施加给被测器件，通过比较实测输出与标准代码是否一致判断器件好坏。

测试首先要进行建库，常用的建库方式有2种，文本输入建库和软件仿真建库。对中小规模的数字电路进行测试向量建库时常采用文本输入建库，而对于大规模集成电路的测试，文本建库的方法工作量大，过程复杂，因此考虑用软件仿真进行建库。如何选择测试向量的生成策略直接关系到测试的故障覆盖率及测试速率。目前测试向量生成算法主要有布尔差分法、结构化D算法、以及仿生算法如遗传算法、蚁群算法等。

由于蚁群算法具有通用性和鲁棒性强的特点，将其运用到系统的数字电路测试向量生成时，具有较高的测试生成速度。但同时，为避免蚁群算法陷入局部最优解问题，对算法进行了改进。

假设共有M只蚂蚁，电路中共有n个PI节点，由于整个路径是由各个节点“0”或“1”构成，蚂蚁的选择就必须是这n个节点的“0”或“1”，直到选完N个节点组成一条路径，节点i的第k只蚂蚁根据式(1)规则来选择“1”或“0”：

(1)

β=γ/s，s为故障数，值为“1”表示值不变，为“0”则取反。

为简化模型，设定电路中相连的节点间路径长度均为1，先按输入扇出锥的划分法对每个节点得到的信息素数量范围进行划定，由某个PO出发，向进行正向搜索，只要和PI有逻辑关联，都在以PI为锥顶的输入扇出锥范围内。将这个范围内的故障数看做蚂蚁在经过该路径所获得的食物，再对各个PI节点进行信息素的标注，并由根据更新规则，对各节点的信息素不断更新，更新规则为：

(2)

设计中，通过组合电路进行了仿真，并将改进后的测试结果跟之前的结果进行比较，如表1所示。

表1测试生成结果比较

电路序号门数故障数蚁群算法改进的蚁群算法测试时间/s故障覆盖率/%测试时间/s故障覆盖率/%1530.5291000.48610028142.36699.62.35298.9332546.55296.26.23586.7

由表1可知，用改进后的蚁群算法，测试时间减少，测试速率和故障覆盖率有显著提高。利用QuartusII进行测试向量的仿真建库。在QuartusII中编辑出波形.vwf文件，再通过解析倒入到测试软件中，仿真流程如图4所示。

图4　测试向量仿真流程

2.2.2V-I曲线测试功能设计

V-I曲线测试是将节点或器件每个引脚的实测曲线与标准曲线进行对比。通过学习功能建立的V-I曲线测试库，将无故障电路中的节点或器件引脚的V-I曲线特性保存到测试库中，测试时系统首先将器件的学习曲线及实测曲线的数据、引脚数、标准门限值、允许误差范围等存放在插件中，并计算学习曲线和实测曲线在每个测点的差值，将其与标准门限值进行比较，若与门限值的差值大于最大允许范围，则认为是坏点。将全部测点比较之后得到坏点总数，总数大于允许数量则比较不符，反之则二者相符。2条V-I特征曲线的比较流程如图5所示。

图5　V-I特性曲线比较流程

2.3　应用特点分析

系统在对纯数字电路控制系统的故障检测与分析时，准确率比较高。比如在用来诊断某重型机械化桥PLC控制箱的电路故障中，通过比较测量向量信号，可以很容易地诊断出嵌入式PLC所存在的故障。

对于数字与模拟信号混合程度较高且比较复杂的电路，要求使用人员需对被测对象有较深的了解，选择测试点序列时必须准确，信号的分类连接也要做好，检测结果较纯数字控制电路板要略差一些。主要原因在于模拟信号与数字信号的互相串扰及电平的误识别等，还需对系统做进一步的优化改进。

对于纯模拟信号电路，检测结果也比较理想。实际使用时还必须扩展一些外部调理模块，以扩大系统的适用范围，提高其可靠性。

3结束语

基于CPLD技术、测试技术、数据采集与处理技术完成了上位机硬件的选型和下位机的电路设计，实现了以功能测试、V-I曲线测试功能为基础的多项测试功能，满足了机械设备电控系统元器件的快速、准确检测需求。考虑到人机交互性和测试可靠性，采用VisualStudio平台进行了软件开发，并运用Access建立了测试记录数据库，与软件进行关联。设计了PCI驱动程序，实现了上位机与下位机的数据通信。研制的系统具有较强的通用性和扩展性，可对不同型号的机械装备进行建库，测试速率和准确性较高，为针对机械装备电控系统的电路检测提供了一种新的技术手段。

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王宇. 基于蚁群算法和粒子群算法的数字集成电路测试生成研究．哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008.