劉衛(wèi)國(guó) 王 青 胡 平 顧雪峰

(1.中國(guó)人民解放軍4808工廠軍械修理廠 青島 266000)(2.海軍工程大學(xué)科研部 武漢 430033)

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虛擬儀器技術(shù)在艦船裝備數(shù)字電路板維修中的應(yīng)用*

劉衛(wèi)國(guó)1王 青1胡 平2顧雪峰2

(1.中國(guó)人民解放軍4808工廠軍械修理廠 青島 266000)(2.海軍工程大學(xué)科研部 武漢 430033)

針對(duì)某型裝備硬件電路集成度不高、故障率上升的問(wèn)題,采用虛擬儀器技術(shù),設(shè)計(jì)了一種基于PXIE總線的智能檢測(cè)平臺(tái),可實(shí)現(xiàn)某裝備數(shù)字插件板的快速故障定位,并重點(diǎn)討論了該檢測(cè)系統(tǒng)的虛擬儀器配置方案及其軟、硬件實(shí)現(xiàn)方法。

智能檢測(cè); PXIE總線; 虛擬儀器; 故障診斷

Class Number E92

1 引言

某導(dǎo)彈武器系統(tǒng)是海軍區(qū)域防空的重要裝備。該裝備硬件電路板主要采用上世紀(jì)七八十年代設(shè)計(jì)技術(shù),硬件主要由中小規(guī)模集成電路和分立元器件組成,集成度不高,通道多、測(cè)試向量復(fù)雜。隨著使用壽命的延長(zhǎng),數(shù)字板故障率呈逐漸上升趨勢(shì),備件消耗大,且部分?jǐn)?shù)字板已無(wú)備件。該裝備的數(shù)字板種類多,且多種數(shù)字板的功能和邏輯關(guān)系各不相同,每塊數(shù)字板通道數(shù)多達(dá)100多路。為實(shí)現(xiàn)該型裝備數(shù)字電路板的快速檢測(cè)、維修,采用虛擬儀器技術(shù),研制了智能檢測(cè)平臺(tái),可完成對(duì)數(shù)字電路板的自動(dòng)測(cè)試與故障診斷。

2 虛擬儀器技術(shù)

虛擬儀器技術(shù)是由計(jì)算機(jī)硬件資源、模塊化儀器硬件和用于數(shù)據(jù)分析、過(guò)程通訊、圖形用戶界面軟件組成的測(cè)控系統(tǒng),是以計(jì)算機(jī)作為儀器的統(tǒng)一硬件平臺(tái),實(shí)際上就是一種基于計(jì)算機(jī)的自動(dòng)化測(cè)試儀器系統(tǒng)。虛擬儀器通過(guò)軟件將計(jì)算機(jī)硬件與儀器硬件有機(jī)地融合為一體,從而把計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和儀器硬件的測(cè)量、控制能力有機(jī)地結(jié)合在一起,并通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)及分析處理[1]。

它利用I/O接口設(shè)備完成信號(hào)的采集、測(cè)量與調(diào)理,利用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析和處理,利用顯示器豐富的顯示功能來(lái)多形式地表達(dá)和輸出檢測(cè)結(jié)果。虛擬儀器具有傳統(tǒng)儀器的基本功能,同時(shí)又能根據(jù)用戶的要求隨時(shí)進(jìn)行定義,實(shí)現(xiàn)多種多樣的應(yīng)用需求,具有擴(kuò)展靈活、界面友好、操作簡(jiǎn)便、性價(jià)比高等特點(diǎn),使用者可以通過(guò)修改軟件來(lái)改變、增減儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模以滿足新的要求[2～3]。

虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成的基本框圖如圖1所示。虛擬儀器的硬件更為簡(jiǎn)化與簡(jiǎn)單,主要的硬件部分由數(shù)據(jù)采集卡、GPIB接口卡、vxl接口、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)以及LAN技術(shù)支持;軟件則是虛擬儀器技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn),功能強(qiáng)大、方便靈活的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)使得各種虛擬儀器開(kāi)發(fā)變得極為容易。虛擬儀器系統(tǒng)中,硬件結(jié)構(gòu)是相對(duì)固定的,可以是實(shí)現(xiàn)特定功能的板卡,也可以是標(biāo)準(zhǔn)總線儀器。其主要任務(wù)是解決信號(hào)的輸人輸出,如數(shù)據(jù)采集、處理、通信等。硬件功能模塊的性能主要依賴于先進(jìn)元器件的采用和計(jì)算機(jī)總線技術(shù)的發(fā)展[4]。

圖1 虛擬儀器系統(tǒng)的基本構(gòu)成

3 故障診斷的技術(shù)難點(diǎn)

3.1 故障電路判斷

故障電路判斷是指根據(jù)采集到的采樣波形數(shù)據(jù)與已有標(biāo)準(zhǔn)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,從而找到數(shù)據(jù)不同的輸出端口,定位故障電路的過(guò)程。將兩組待比較數(shù)據(jù)通過(guò)二重For循環(huán)進(jìn)行索引、判斷,如果數(shù)據(jù)元素存在不同,將循環(huán)變量取出作為出錯(cuò)的行數(shù),存入一維數(shù)組中,否則不執(zhí)行此操作。將輸出的一維數(shù)組在ini文件中進(jìn)行索引,獲得故障線路信息。

3.2 測(cè)試向量分類顯示

為了便于數(shù)字板故障分析,需要通過(guò)數(shù)據(jù)篩選、排序和配置文件、波形文件映射讀取,對(duì)激勵(lì)向量、采樣向量、標(biāo)準(zhǔn)向量和波形比較向量進(jìn)行分類顯示,其中激勵(lì)向量和標(biāo)準(zhǔn)向量由WAV波形文件給出,通過(guò)提取WAV波形文件端口號(hào),索引ini配置文件,得到端口狀態(tài)信息即激勵(lì)、采樣、高阻,將此狀態(tài)信息送入條件判斷結(jié)構(gòu),分配到對(duì)應(yīng)的向量數(shù)組中。采樣向量由DAQ數(shù)字波形采樣模塊獲得,在DWDT數(shù)字波形比較模塊與標(biāo)準(zhǔn)向量比較,得到波形比較向量。

3.3 管腳特性配置

由于數(shù)字板管腳特性是動(dòng)態(tài)變化的,即每塊板的管腳特性都不一樣,如果采用跳線的方式進(jìn)行連接,每次測(cè)試都需要連接多根測(cè)試線,操作相當(dāng)繁瑣且容易接錯(cuò)。因此本方案采用管腳特性配置技術(shù),為每個(gè)數(shù)字板設(shè)計(jì)專用的管腳特性定義文件。測(cè)試時(shí),選擇故障數(shù)字板對(duì)應(yīng)的管腳特性配置文件,將配置文件中的信息,讀取到程序中即可完成對(duì)數(shù)字板管腳特性的配置。數(shù)字板更換時(shí),只需要改變對(duì)應(yīng)的配置文件或者修改配置文件中對(duì)應(yīng)端口的參數(shù)即可。該技術(shù)的成功運(yùn)用大大提高了檢測(cè)效率。

4 故障檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在系統(tǒng)分析被檢測(cè)數(shù)字板的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上,確定檢測(cè)需求,為每個(gè)數(shù)字板建立專用數(shù)據(jù)庫(kù),并編制專用檢測(cè)軟件;為了配合檢測(cè)軟件,根據(jù)檢測(cè)需求設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)。由于該型裝備數(shù)字板均為邏輯電路,只需找到該故障件型號(hào),直接運(yùn)行軟件,就會(huì)自動(dòng)配置管腳,調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù),測(cè)試完畢后,顯示故障路數(shù),由于NI的I/O板卡運(yùn)行速度快,板卡反應(yīng)速度慢,有時(shí)需要多測(cè)試幾次,但對(duì)復(fù)雜的邏輯電路有時(shí)不能定位到器件,需人工判斷。

4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1.1 硬件總體結(jié)構(gòu)

智能檢測(cè)平臺(tái)硬件主要由高性能機(jī)箱、嵌入式控制器、高速數(shù)字I/O板卡、專用適配器、電源系統(tǒng)組成。為了滿足數(shù)字板測(cè)試需求,硬件設(shè)計(jì)采用NI公司的基于PXIE技術(shù)的機(jī)箱、嵌入式控制器和高速數(shù)字I/O模塊。PXIE總線是目前最完善的適合測(cè)量和自動(dòng)化要求的基于PC的平臺(tái)的技術(shù),具有小型化、通用化、智能化等特點(diǎn)。PXIE-1078機(jī)箱具有四個(gè)混合插槽,三個(gè)PXI express插槽,一個(gè)PXI express系統(tǒng)定時(shí)插槽,每插槽高達(dá)1GB/s專用帶寬,系統(tǒng)帶寬高達(dá)7GB/s;0℃～55℃的溫度下,總功率達(dá)507W。PXIE-8108嵌入式控制器具備2.53GHz Intel雙核T9400處理器,1GB內(nèi)存,160GB硬盤。PXIE-6537高速數(shù)字I/O模塊具備32路方向可控的數(shù)字通道,最大吞吐量達(dá)200MB/s,最大時(shí)鐘頻率50MHz,同步和異步定時(shí)模式。智能檢測(cè)平臺(tái)硬件原理框圖如圖2所示[5～6]。

4.1.2 專用測(cè)試適配器設(shè)計(jì)

依據(jù)數(shù)字板的接口類型,需設(shè)計(jì)144型專用測(cè)試適配器和92型專用測(cè)試適配器。由于部分?jǐn)?shù)字板具有數(shù)十路OC門,測(cè)試時(shí)需要接上拉電阻,但每種數(shù)字板的OC門通道是變化的,所以為所有數(shù)字通道都設(shè)計(jì)了上拉電阻,該電路由開(kāi)關(guān)控制,需要時(shí)打開(kāi)。測(cè)試時(shí),為了保證非OC門通道數(shù)字電平信號(hào)不受影響,可適當(dāng)增加上拉電阻阻值,采用弱上拉方式設(shè)計(jì)。為保證時(shí)序信號(hào)的同步性,適配器電路板布線采用等距離方式,即每個(gè)信號(hào)采集和激勵(lì)端口到專用接口的距離是相等的[7～9]。

圖2 系統(tǒng)硬件原理框圖

電壓及電流的瞬態(tài)干擾可能損壞被測(cè)件及高速數(shù)字I/O板卡,這些干擾通常來(lái)自于電源的起停操作、交流電網(wǎng)的不穩(wěn)定、雷電干擾及靜電放電等,因此,必須采取措施抑制掉這些干擾,可采用力特公司的瞬態(tài)電壓抑制器,該器件具有極高的速度(最高達(dá)10s～12s)使其阻抗驟然降低,可吸收大電流,使兩端間的電壓箝位在5V上,確保被測(cè)件和板卡安全。

4.1.3 電源設(shè)計(jì)

4.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用LABVIEW語(yǔ)言在NI公司集成開(kāi)發(fā)環(huán)境LABVIEW2010專業(yè)版下完成。軟件模塊主要完成驅(qū)動(dòng)硬件采集卡,產(chǎn)生和采集數(shù)字測(cè)試向量,讀取和寫(xiě)入文件,處理采集數(shù)據(jù)形成波形,建立人機(jī)界面等。用戶可以根據(jù)測(cè)試的故障板具體型號(hào),從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取相應(yīng)的測(cè)試向量進(jìn)行故障檢測(cè),并自動(dòng)進(jìn)行信號(hào)比對(duì),定位故障線路。

4.2.1 軟件結(jié)構(gòu)

軟件設(shè)計(jì)采用面向過(guò)程的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。軟件系統(tǒng)底層主要由測(cè)試向量文件讀取、數(shù)據(jù)篩選、數(shù)據(jù)排序、DAQ任務(wù)分配、DAQ數(shù)據(jù)采集、波形輸出等模塊組成。重點(diǎn)完成DAQ數(shù)據(jù)采樣任務(wù)的執(zhí)行和文件I/O操作。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 測(cè)試軟件結(jié)構(gòu)圖

軟件各模塊功能如下:

1) 測(cè)試向量文件讀取

測(cè)試向量由*.ini和*.wav兩種文件組成,存放在同一個(gè)文件夾內(nèi)。測(cè)試向量保存在專用數(shù)據(jù)庫(kù)中,測(cè)試不同的插件板只需要調(diào)用相應(yīng)的測(cè)試向量文件即可。*.ini文件用于定義數(shù)字板管腳的輸入輸出特性和信號(hào)類型,*.wav文件用于存儲(chǔ)激勵(lì)向量和標(biāo)準(zhǔn)向量的數(shù)據(jù)內(nèi)容。配置文件和激勵(lì)文件通過(guò)文件I/O函數(shù)讀取后,送入后一級(jí)進(jìn)行處理。

2) 數(shù)據(jù)篩選

受新課程標(biāo)準(zhǔn)改革的影響，高中語(yǔ)文的教學(xué)模式也發(fā)生了一系列的改變，其中以微課教學(xué)在語(yǔ)文教學(xué)中的應(yīng)用最為突出。微課教學(xué)的方式區(qū)別于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，它的課程時(shí)間短，內(nèi)容精練，為學(xué)生提供了更多自主學(xué)習(xí)的時(shí)間，并且微課的內(nèi)容針對(duì)性較強(qiáng)，能夠有效地指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行高中語(yǔ)文學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)語(yǔ)文。

將激勵(lì)文件中的數(shù)據(jù)根據(jù)配置文件中的端口配置信息進(jìn)行分類,即發(fā)射波形數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)波形數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)到相應(yīng)的數(shù)組中。

3) 數(shù)據(jù)排序

讀取I/O端口映射文件,將分類后的波形數(shù)據(jù)按照I/O端口映射后的順序進(jìn)行排序,并將處理好的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成波形格式,輸出到人機(jī)界面中進(jìn)行顯示。

4) DAQ任務(wù)分配

圖4 軟件工作流程圖

根據(jù)I/O端口映射文件,將發(fā)射波形的端口地址寫(xiě)入到DAQ物理通道中,創(chuàng)建寫(xiě)入任務(wù),并將排序后的發(fā)射波形數(shù)據(jù)發(fā)射到數(shù)據(jù)采集卡的端口上;同時(shí),將標(biāo)準(zhǔn)采集波形的端口地址寫(xiě)入到DAQ物理通道中,創(chuàng)建采樣讀取任務(wù),獲取對(duì)應(yīng)物理端口的采樣數(shù)據(jù)。將采樣得到的數(shù)據(jù)顯示到人機(jī)界面中。并與標(biāo)準(zhǔn)向量進(jìn)行比較,將錯(cuò)誤的波形顯示出來(lái)。

4.2.2 軟件測(cè)試流程

軟件系統(tǒng)測(cè)試流程如圖4所示。

4.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

1) 點(diǎn)擊“打開(kāi)測(cè)試向量”按鈕,導(dǎo)入數(shù)字板的測(cè)試向量(包括*.ini、*.wav文件);

2) 在波形窗口界面分別顯示數(shù)字板標(biāo)準(zhǔn)向量波形、激勵(lì)向量波形;

3) 在插件板準(zhǔn)備好后點(diǎn)擊“數(shù)字板測(cè)試”按鈕進(jìn)行故障測(cè)試,采集向量波形窗口顯示采樣波形,并將采集到的波形與標(biāo)準(zhǔn)波形進(jìn)行比較,如果不一致,會(huì)在錯(cuò)誤向量顯示窗口顯示,由此可判斷故障電路;

4) 打開(kāi)相關(guān)的數(shù)字插件板數(shù)據(jù)庫(kù)庫(kù)文件夾,該庫(kù)文件夾內(nèi)包括數(shù)字板位置圖(*.jpeg)、原理圖(*.pdf或*.PADS Logic Schematic)等,技術(shù)人員通過(guò)分析就可以找到故障線路的相關(guān)芯片,然后使用單步測(cè)試功能模塊,對(duì)故障線路進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試,即可定位故障芯片。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,設(shè)計(jì)者在硬件設(shè)計(jì)上利用測(cè)控領(lǐng)域最先進(jìn)的虛擬儀器技術(shù),充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大處理性能,融測(cè)試測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體,選取高性能模塊化儀器,充分考慮測(cè)試需求,研制了功能全面的適配器;在軟件設(shè)計(jì)上構(gòu)建了測(cè)試功能全面,運(yùn)行穩(wěn)定快速、操作方便的軟件系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用證明,智能檢測(cè)平臺(tái)判斷故障準(zhǔn)確迅速、操作簡(jiǎn)單方便。該平臺(tái)的研制成功為該型裝備數(shù)字板維修提供了一套實(shí)用性強(qiáng)、操作性好的測(cè)試設(shè)備,提高了裝備保障的能力。該方法還可以用于其他新型裝備電路板維修,為海軍艦船裝備維修提供了有效的手段,具有顯著的推廣運(yùn)用價(jià)值。

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Application of Virtual Instrument Technology in Digital Circuit Maintenance of the Naval Ship Equipment

LIU Weiguo1WANG Qing1HU Ping2GU Xuefeng2

(1. The Ordnance Maintenance Factory of PLA 4808 Factory, Qingdao 266000) (2. Office of Research & Development, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

Aiming at the low integrated and the increasing failure rate problems of a certain-type equipment hardware circuit, an intelligent testing platform based on the technique of PXIE bus was designed by using virtual instrument technology, which can achieve the fast locating of failure for the digital plug-in boards introduced from the a certain type equipment. The virtual instrument configuration project and the realization of hardware and software of this test system was discussed emphatically.

intelligent detection, PXIE bus, virtual instrument, fault diagnosis

2014年11月14日,

2014年12月30日

劉衛(wèi)國(guó),男,工程師,研究方向:艦船武器系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。王青,男,工程師,研究方向:艦船武器系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。胡平,男,博士,工程師,研究方向:艦船武器系統(tǒng)保障。顧雪峰,男,碩士,工程師,研究方向:艦船裝備保障。

E92

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.031