某型艦炮采集記錄檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓峻 朱貴華

(海軍工程大學(xué)兵器系 艦炮教研室，武漢 430033)

0 引言

艦炮武器的檢修通常以事后維修、預(yù)防性計(jì)劃檢修為主。隨著設(shè)備制造工藝的進(jìn)步和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)應(yīng)用于艦炮武器的保障成為可能。設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)是一種了解和掌握設(shè)備在使用過程中的狀態(tài)，確定其整體或局部正?；虍惓?，早期發(fā)現(xiàn)故障及其原因，并能預(yù)報(bào)故障發(fā)展趨勢的技術(shù)，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)包括識別設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和預(yù)測發(fā)展趨勢兩方面，具體過程分為以下基本環(huán)節(jié)[1-2]。

（1）狀態(tài)監(jiān)測狀態(tài)監(jiān)測是在設(shè)備運(yùn)行中，對特定的特征信號進(jìn)行檢測、變換、記錄、分析處理并顯示、記錄，是對設(shè)備進(jìn)行故障診斷的基礎(chǔ)工作。

（2）分析診斷分析診斷包括信號分析處理和故障診斷兩方面。信號分析處理的目的是把獲得的信息通過一定的方法進(jìn)行變換處理，從不同的角度提取最直觀、最敏感、最有用的特征信息。故障診斷是在狀態(tài)監(jiān)測與信號分析處理的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，主要診斷故障的性質(zhì)、程度、產(chǎn)生原因或發(fā)生部位，并預(yù)測設(shè)備的性能和故障發(fā)展趨勢。

（3）治理預(yù)防治理預(yù)防措施是在分析診斷出設(shè)備存在異常狀態(tài)，就其原因、部位和危險(xiǎn)程度進(jìn)行研究并采取治理措施和預(yù)防的辦法。

因此，狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的應(yīng)用，為艦炮武器的正常運(yùn)行提供了非常有力的支持。本系統(tǒng)就是為了配合艦炮武器實(shí)時(shí)監(jiān)測和故障診斷而研制的一套設(shè)備，為部隊(duì)在檢查、維護(hù)等工作上提供豐富而有力的技術(shù)支持。

該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集記錄盒（以下簡稱采集盒）和數(shù)據(jù)處理處理監(jiān)視器組成（以下簡稱監(jiān)視器）。采集盒通過 CAN總線接收并存儲(chǔ)關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用該數(shù)據(jù)進(jìn)行箱體級故障診斷。借助監(jiān)視器中的專家系統(tǒng)，操作者能進(jìn)行重要組件的故障診斷。采集盒診斷的故障類型和故障位置通過工具箱中的監(jiān)視器上顯示。結(jié)合虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢和艦炮信號特性，本測試系統(tǒng)將嵌入式處理器技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合，量身打造該型艦炮的在線監(jiān)測、預(yù)警和診斷排故功能。

1 總體設(shè)計(jì)

總體方案中上位機(jī)用軍用平板顯示器為操作顯示的人機(jī)交互界面，使用 ARM系列單片機(jī)的信號采集系統(tǒng)作為下位機(jī)。以 LabWindows/CVI軟件開發(fā)上位機(jī)的操作軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取、分析和檢測；開發(fā)專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，實(shí)時(shí)完成故障診斷和排除。下位機(jī)選用 ARM系列單片機(jī)和大容量存儲(chǔ)器，設(shè)計(jì)開發(fā)數(shù)據(jù)采集盒存儲(chǔ)板，利用CAN總線和各數(shù)據(jù)采集單體通信，完成數(shù)據(jù)采集功能。并留有音頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信接口，可擴(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和音頻信號的數(shù)據(jù)采集。上位機(jī)與下位機(jī)之間也用CAN總線進(jìn)行通信。

本監(jiān)測系統(tǒng)從整體外形采用分開式設(shè)計(jì)，由診斷顯示處理器和檢測裝置兩大模塊構(gòu)成，其中檢測裝置模塊內(nèi)置于艦炮內(nèi)，診斷顯示處理器存放在備件箱中，需要時(shí)即可手持診斷顯示處理器在艦炮上進(jìn)行操作，顯示監(jiān)測記錄和故障診斷；操作手可根據(jù)顯示提示完成電器設(shè)備的檢查。兩個(gè)模塊通過通訊電纜連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。如圖1。

圖1 通訊電纜連接示意圖

電纜互連接圖如圖 2所示。采集盒由電源箱經(jīng)某單體控制盒供給 DC27V工作電源，通過CAN總線與各個(gè)單體控制箱通信。需檢測的信號由各單體自行采集，并定時(shí)廣播發(fā)送到 CAN總線上，檢測裝置接受到數(shù)據(jù)信息后進(jìn)行存儲(chǔ)。

采集盒通過轉(zhuǎn)接電纜在操作臺附近裝有測試接口，當(dāng)艦炮在維修狀態(tài)時(shí)，用手持監(jiān)視器通過測試接口提取采集記錄數(shù)據(jù)，可進(jìn)行事件回收和故障診斷。

圖2 電纜互連接圖

專家系統(tǒng)是利用存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的某一特定領(lǐng)域內(nèi)的專家知識來解決過去只有專家才能解決的現(xiàn)實(shí)問題的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。從組成結(jié)構(gòu)來看,專家系統(tǒng)是一個(gè)由存放專門領(lǐng)域知識的知識庫和一個(gè)能選擇、運(yùn)用知識的推理機(jī)制組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[3]。采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)后，調(diào)試處理成與艦炮各運(yùn)行參數(shù)，此時(shí)良好的處理機(jī)的診斷推理機(jī)制，可以很好的處理各項(xiàng)參數(shù)，進(jìn)而實(shí)時(shí)或離線診斷艦炮運(yùn)行狀態(tài)，故障診斷到部件，給出維修建議。

圖3 專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

專家知識庫主要存儲(chǔ)兩方面的內(nèi)容，一為數(shù)據(jù)采集模塊采樣到的所有數(shù)據(jù)信息，二為推理過程中所產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)、推理結(jié)論和由專家們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)所提供的故障診斷知識庫等。診斷推理機(jī)制是專家系統(tǒng)的核心部分，它結(jié)合某型艦炮控制系統(tǒng)的基本工作原理(也就是專家系統(tǒng)中的規(guī)則庫)，高度抽象出邏輯推理關(guān)系。利用數(shù)據(jù)模塊采集的信息和專家知識庫中的知識對故障現(xiàn)象進(jìn)行推理，得出結(jié)論。目前在人工智能中應(yīng)用較為廣泛的推理方法有正向推理和反向推理。向推理由故障特征然后給出故障名稱和解決方案；反向推理是由故障名稱推理出故障現(xiàn)象，然后給出解決方案。本系統(tǒng)中的推理機(jī)采用CLIPS語言實(shí)現(xiàn)，推理方式采用正向推理進(jìn)行診斷，并且可以把推理過程中產(chǎn)生的新事實(shí)擴(kuò)充專家知識庫的內(nèi)容。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 檢測裝置

檢測裝置設(shè)備結(jié)構(gòu)由嵌入式數(shù)據(jù)記錄儀和外部通訊模塊組成。其中嵌入式數(shù)據(jù)記錄儀完成數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)。記錄的數(shù)據(jù)可以通過USB接口或外部通訊模塊上傳到診斷顯示處理器。模塊供電取自艦炮低壓+27 V電源。

數(shù)據(jù)接收存儲(chǔ)處理器（cpu1）選型時(shí)主要考慮信息處理速度、多任務(wù)性能、接口集成度以及通訊速率等相關(guān)參數(shù)。將選用 LPC2368系列的ARM處理器，最高頻率可以達(dá)到60 MHz，通過外部很少部件的擴(kuò)展，即可完全滿足實(shí)際需要。根據(jù)要求設(shè)計(jì)CF存儲(chǔ)卡接口，配置8 GB-CF存儲(chǔ)卡用以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；同時(shí)設(shè)計(jì) CAN總線接收器采用光電耦合器實(shí)現(xiàn)與艦炮控制系統(tǒng)的電氣隔離。LPC2368系列單片機(jī)是完全集成混合信號的MCUS，真正實(shí)現(xiàn)了片上系統(tǒng)，A/D轉(zhuǎn)換和通信直接使用CPU接口。檢測裝置原理框圖如圖4。

2.2 診斷顯示處理器

診斷顯示處理器選用便攜軍用加固計(jì)算機(jī)，包括寬溫嵌入式主板、6.4寸TFT-LCD顯示器、4線電阻式觸摸屏、通訊模塊、電源模塊及全密封金屬箱體。診斷顯示處理器通過通訊模塊與檢測裝置數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)控、預(yù)警和診斷、異常報(bào)警提示等功能。

圖4 檢測裝置原理框圖

3 軟件設(shè)計(jì)

測試系統(tǒng)軟件構(gòu)建在嵌入式操作系統(tǒng)平臺之上，采用ADS軟件開發(fā)。其軟件總體框圖如圖5。

圖5 軟件總體框圖

軟件主體由監(jiān)視模塊、報(bào)警模塊、通訊模塊、數(shù)據(jù)管理模塊以及幫助文檔等模塊組成。監(jiān)視模塊為用戶提供直觀的狀態(tài)監(jiān)視效果；當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，調(diào)用報(bào)警模塊進(jìn)行異常報(bào)警。通訊模塊負(fù)責(zé)與采集盒通訊，獲取到實(shí)時(shí)的測試值。數(shù)據(jù)管理模塊提供了數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)回放、數(shù)據(jù)分析和故障診斷等4種功能。其中，數(shù)據(jù)回放實(shí)現(xiàn)靜態(tài)文件數(shù)據(jù)瀏覽，具備采集信號的時(shí)域顯示、幅度軸縮放、時(shí)間軸縮放，以及多通道顯示等常用的示波器顯示功能。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄，含異常等時(shí)標(biāo)信息。數(shù)據(jù)分析功能將提取出艦炮的轉(zhuǎn)動(dòng)、射擊等相關(guān)信息，以及故障前后的特征信息。而故障診斷功能將做出故障診斷定位，并給出排故提示。幫助文檔主要為本機(jī)的操作提示和部分艦炮資料。

軟件功能主要分為實(shí)時(shí)監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、故障排除和使用幫助等模塊。

（1）在線實(shí)時(shí)監(jiān)測

對所有可測點(diǎn)進(jìn)行在線狀態(tài)監(jiān)視。采用虛擬電壓表、曲線等方式進(jìn)行形象、直觀的顯示，并且對監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線故障監(jiān)測，設(shè)立異常變色報(bào)警功能和故障提示功能。

（2）離線數(shù)據(jù)分析

對記錄儀中的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)序分析，給出艦炮轉(zhuǎn)動(dòng)、射擊等相關(guān)分析報(bào)告。如果有異常或故障，將給出故障排查方法。

（3）故障排除

根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測或者數(shù)據(jù)分析給出的故障號，用圖片直觀地給出故障所在部位，以及相應(yīng)的排除方法，并且提供平時(shí)維護(hù)工作時(shí)的維護(hù)指導(dǎo)和故障排查指導(dǎo)。

（4）使用幫助

主要介紹含測試盒、無線通訊接口在內(nèi)的整個(gè)測試系統(tǒng)的使用指導(dǎo)，以幫助初次使用者就可以獨(dú)立使用。

基于面向底層和功能強(qiáng)大、使用靈活的考慮，本系統(tǒng)選用LabWindows/CVI在Windows XP平臺來開發(fā)系統(tǒng)的用戶交互界面。

4 系統(tǒng)軟件界面

軟件界面提供了人機(jī)交互平臺。本軟件充分利用了虛擬儀器軟件LabWindows/CVI的圖形化描述功能，全面打造成一個(gè)集測試、分析和表達(dá)的測控專業(yè)工具。圖6為監(jiān)測界面。

圖6 系統(tǒng)在線監(jiān)測界面

圖7為數(shù)據(jù)分析界面：

圖7 系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析界面

5 結(jié)語

根據(jù)目前新型艦炮實(shí)時(shí)保障要求，基于CAN總線和單片機(jī)處理設(shè)計(jì)開發(fā)數(shù)據(jù)采集盒，基于虛擬儀器平臺設(shè)計(jì)開發(fā)出狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)。系統(tǒng)具有使用方便、性能可靠、低成本和高可靠性提點(diǎn)。同時(shí)系統(tǒng)具有很強(qiáng)延續(xù)開發(fā)能力，稍加改進(jìn)就可擴(kuò)展新的檢測項(xiàng)目和手段。此系統(tǒng)已通過試驗(yàn)檢驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了性能參數(shù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)測試，能夠?qū)y試數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)和檢測。利用故障診斷系統(tǒng)，大大提高了艦炮維修效率和連續(xù)作戰(zhàn)能力。

[1]盛兆順, 尹琦嶺.設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)及應(yīng)用［M］. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2003.

[2]李建華. 在線設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的應(yīng)用.石油化工設(shè)備[J]. 2010.5(3),73-75.

[3]姚劍飛, 江志農(nóng), 趙慶亮等. 基于故障原因-征兆矩陣的故障診斷專家系統(tǒng). 振動(dòng)、測試與診斷[J]. 2009,3: 72-74.