一種通信設(shè)備故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)＊

徐志軍 李 淵

（1.海司信息化部 北京 100841）（2.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

高科技的廣泛應(yīng)用，使通信設(shè)備愈來(lái)愈具備完備的功能，同時(shí)結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜，其故障特征、診斷方式和診斷要求都在發(fā)生變化，更換功能板策略受著經(jīng)濟(jì)因素的制約，隨著通信設(shè)備的更新?lián)Q代備用板可能尚未使用就已過(guò)時(shí)，所以實(shí)現(xiàn)通信設(shè)備故障的快速自動(dòng)診斷定位是現(xiàn)場(chǎng)維修保障的重要課題。

通信設(shè)備故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)的研制目的是及時(shí)解決該設(shè)備的維修保障問(wèn)題，以滿足部隊(duì)對(duì)其迅速、準(zhǔn)確、及時(shí)排除故障的要求，保證部隊(duì)通信可靠不中斷。為此，系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能：

1）整機(jī)診斷功能。為故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)的主要功能，在系統(tǒng)診斷軟件的控制之下，通過(guò)檢測(cè)電纜提供給整機(jī)檢測(cè)所需的控制信號(hào)和相關(guān)的數(shù)據(jù)信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)探頭采集必要的數(shù)據(jù)，如電壓、阻抗、頻率甚至波形信號(hào)，然后在系統(tǒng)軟件的控制下進(jìn)行故障的分析診斷，將故障初步壓縮至某一部件板。

2）單板檢測(cè)功能。在整機(jī)檢測(cè)將故障分析至部件板之后，將該部件板脫離原設(shè)備，插入檢測(cè)系統(tǒng)的單板檢測(cè)接口進(jìn)行檢測(cè)。將測(cè)量得到的信號(hào)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)作比較和分析，以此判斷部件板的故障情況。

3）人機(jī)交互功能。系統(tǒng)能夠提供操作幫助，指導(dǎo)操作員完成檢測(cè)診斷過(guò)程。

4）數(shù)據(jù)管理與維護(hù)功能。能對(duì)該設(shè)備基本信息、故障信息、維護(hù)記錄等數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理和維護(hù)。

2 總體方案

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)要求，系統(tǒng)可以完成整機(jī)和單板的檢測(cè)，系統(tǒng)對(duì)整機(jī)測(cè)量控制是通過(guò)探頭接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而對(duì)電路板測(cè)量控制是通過(guò)專用接口來(lái)實(shí)現(xiàn)。測(cè)量時(shí)，通過(guò)寬帶可控信號(hào)源模塊為整機(jī)或單板提供必要的信號(hào)驅(qū)動(dòng)。測(cè)量所采集的原始數(shù)據(jù)以一定的數(shù)據(jù)格式發(fā)送到故障自動(dòng)診斷軟件模塊，完成故障自動(dòng)診斷。

各模塊所完成的功能如下：

1）數(shù)據(jù)采集與測(cè)量模塊。主要任務(wù)是測(cè)量、采集整機(jī)和單板各種信號(hào)數(shù)據(jù)。由于某通信設(shè)備具有模塊化結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，剩余空間小，所以整機(jī)數(shù)據(jù)采集傳感電路和電路級(jí)數(shù)據(jù)采集傳感電路采用探頭式設(shè)計(jì)。而單板的檢測(cè)采用的是插入式，數(shù)據(jù)采集主要通過(guò)交換矩陣自動(dòng)從接口電路采集相應(yīng)信號(hào)。采集的信號(hào)包括電壓、阻抗、頻率、波形等數(shù)據(jù)。

2）接口模塊。接口模塊主要任務(wù)是提供單板工作的母環(huán)境。被測(cè)部件板種類多、電氣參數(shù)不同，接口模塊起到檢測(cè)系統(tǒng)和部件板間連 接線控制的作用，在檢測(cè)不同部件板時(shí)實(shí)現(xiàn)信號(hào)復(fù)用。

3）寬帶可控信號(hào)源模塊。整機(jī)的檢測(cè)和各種部件板的檢測(cè)都離不開(kāi)輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)，由于各種部件板沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，信號(hào)需求差別較大，為了滿足所有部件板對(duì)信號(hào)的需求，對(duì)各個(gè)部件板輸入信號(hào)進(jìn)行了分析。根據(jù)對(duì)信號(hào)的分析歸納結(jié)果，寬帶可控信號(hào)源模塊至少要提供一路1獨(dú)立信號(hào)用于激勵(lì)器；兩路頻率覆蓋范圍達(dá)到50kHz～80MHz的信號(hào)，50Ω阻抗匹配時(shí)輸出幅度在0～－31.5dBm可調(diào)。

4）故障自動(dòng)診斷軟件模塊。主要完成故障自動(dòng)診斷過(guò)程，包括故障自動(dòng)診斷分析、故障自動(dòng)診斷指導(dǎo)、故障自動(dòng)診斷結(jié)果等功能。系統(tǒng)綜合考慮了在該設(shè)備故障自動(dòng)檢測(cè)時(shí)數(shù)據(jù)采集電路的通用性和故障自動(dòng)診斷程序的專用性，將設(shè)計(jì)生產(chǎn)、使用維修、設(shè)備教學(xué)等部門(mén)的經(jīng)驗(yàn)集中起來(lái)，組成故障自動(dòng)診斷知識(shí)庫(kù)并由推理程序?qū)崿F(xiàn)具體的診斷過(guò)程，同時(shí)應(yīng)具備自學(xué)習(xí)功能，及時(shí)更新知識(shí)庫(kù)。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)功能模塊劃分，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)硬件主要完成寬帶可控信號(hào)源模塊、單板接口、數(shù)據(jù)測(cè)量及數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)軟件主要完成故障自動(dòng)診斷實(shí)現(xiàn)，以及人機(jī)界面和信息系統(tǒng)管理。

故障自動(dòng)診斷的控制由軟件實(shí)現(xiàn)，軟件完成最佳的測(cè)試流程（測(cè)試策略）選擇，然后采用人機(jī)結(jié)合方式，提示維修人員測(cè)試電路節(jié)點(diǎn)在發(fā)射機(jī)某種工作狀態(tài)下的電氣參數(shù)數(shù)據(jù)（如電壓、頻率、波形等），這時(shí)硬件通過(guò)測(cè)量接口測(cè)量該點(diǎn)的電氣數(shù)據(jù)，并由數(shù)據(jù)采集接口送入微機(jī)中和已存貯的正常數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，判斷出故障所在部件。由于該通信設(shè)備模擬、數(shù)字電路混合，模擬電路工作頻率高、動(dòng)態(tài)范圍大，尤其是功率放大部分，功率大、電壓高、頻率寬，所以還必須對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件主要完成數(shù)據(jù)采集和信號(hào)產(chǎn)生功能，系統(tǒng)通過(guò)硬件采集設(shè)備數(shù)據(jù)，硬件還提供了單板工作母環(huán)境的接口，同時(shí)通過(guò)該接口測(cè)量單板參數(shù)，還可以產(chǎn)生該設(shè)備主機(jī)及單板測(cè)試所需信號(hào)。

系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)硬件由控制模塊和測(cè)量模塊組成?？刂颇K由嵌入式微處理器控制電路、USB接口、轉(zhuǎn)換矩陣、交換單元等部件組成。測(cè)量模塊包含多功能自動(dòng)測(cè)量模塊、數(shù)字頻率自動(dòng)測(cè)量模塊、虛擬示波器、數(shù)字功率計(jì)、單元接口電路及邏輯檢測(cè)、寬帶可控信號(hào)源模塊等部分，系統(tǒng)各成分作用如下。

1）嵌入式微處理器控制電路。整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的初始化、探頭的內(nèi)部切換、寬帶可控信號(hào)源模塊的頻率和幅度控制、發(fā)射機(jī)檢測(cè)信號(hào)調(diào)理控制等都在嵌入式ARM處理器控制下工作。

圖3 硬件結(jié)構(gòu)框圖

2）多功能自動(dòng)測(cè)量模塊。本系統(tǒng)主要測(cè)試工具之一，它可以完成電壓阻抗自動(dòng)測(cè)量功能，且提供了與計(jì)算機(jī)通信的接口。

3）數(shù)字頻率自動(dòng)測(cè)量模塊。用于對(duì)信號(hào)頻率的高精度測(cè)量。

4）數(shù)字虛擬示波器。本系統(tǒng)主要測(cè)試工具之一，用于高頻信號(hào)波形檢測(cè)和信號(hào)譜分析，通過(guò)高速USB口與計(jì)算機(jī)通信。

5）數(shù)字功率計(jì)。為發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率測(cè)量提供通過(guò)式通道。

6）單元接口電路及邏輯檢測(cè)。分析發(fā)射機(jī)單元模塊控制電路邏輯關(guān)系。

7）寬帶可控信號(hào)源模塊。采用頻率合成技術(shù)產(chǎn)生必要的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

8）USB接口。完成計(jì)算機(jī)對(duì)各部件的控制信號(hào)轉(zhuǎn)接。9）電源。提供整個(gè)系統(tǒng)的電源。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)總體分析，系統(tǒng)軟件所完成的任務(wù)是接收系統(tǒng)硬件部分所采集、測(cè)量的相關(guān)信號(hào)與數(shù)據(jù)，并將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理；然后進(jìn)行故障分析，輸出故障分析結(jié)果，并進(jìn)一步提示用戶下一步操作，指導(dǎo)用戶完成故障自動(dòng)診斷，故障自動(dòng)診斷可最終精確到元器件。

圖4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

軟件總體結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由四個(gè)部分組成：

1）故障自動(dòng)診斷是軟件的核心功能模塊，主要由整機(jī)診斷和單元診斷兩部分組成，完成整機(jī)診斷和單元診斷功能。當(dāng)整機(jī)診斷將故障定位至某模塊，進(jìn)一步再確定到某一單元（單板）后，系統(tǒng)應(yīng)自動(dòng)轉(zhuǎn)入單元診斷模塊進(jìn)行進(jìn)一步診斷。診斷模塊還具備故障自動(dòng)診斷指導(dǎo)功能，指導(dǎo)操作員更換備件，完成故障自動(dòng)診斷過(guò)程。

2）設(shè)備管理完成軟件對(duì)硬件的控制。主要包括兩項(xiàng)任務(wù)：一是設(shè)備初始化，完成硬件使能、硬件設(shè)備自檢和參數(shù)設(shè)置；二是設(shè)備控制，可啟用的儀器包括多功能自動(dòng)測(cè)量模塊、數(shù)字頻率自動(dòng)測(cè)量模塊、數(shù)字功率計(jì)、虛擬示波器等。

3）信息管理完成對(duì)設(shè)備信息、故障信息、維修信息的維護(hù)與管理，包括對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)表的增、刪、改、查等操作。

4）系統(tǒng)管理完成系統(tǒng)的登錄、退出、用戶管理、數(shù)據(jù)庫(kù)備份與還原等功能。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

通信設(shè)備故障自動(dòng)診斷的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)不斷的人機(jī)交互來(lái)完成的。診斷過(guò)程中，系統(tǒng)隨時(shí)提示用戶觀測(cè)發(fā)射機(jī)狀態(tài)及參數(shù)，知道用戶正確觀測(cè)方法，若有需要，操作員可以調(diào)看相關(guān)結(jié)構(gòu)框圖、原理圖、實(shí)物圖、操作演示錄像來(lái)確保正確操作。每一步驟診斷結(jié)束后，系統(tǒng)會(huì)提示用戶全部可能故障，提供用戶進(jìn)行假設(shè)驗(yàn)證，并記錄用戶行為，全部診斷結(jié)束后，系統(tǒng)會(huì)給出用戶故障原因，故障解決方案，并顯示整個(gè)故障自動(dòng)診斷過(guò)程，供用戶復(fù)查。故障自動(dòng)診斷實(shí)現(xiàn)步驟如下。

第一步，根據(jù)系統(tǒng)要求，操作員輸入整機(jī)可觀察參數(shù)值，即射頻輸出指示和反射功率指示等信息，系統(tǒng)開(kāi)始診斷過(guò)程，根據(jù)參數(shù)表內(nèi)容，判斷是否存在故障現(xiàn)象，若存在故障現(xiàn)象，則與規(guī)則表內(nèi)容進(jìn)行匹配，列出所有可能的故障模塊，提示用戶進(jìn)行模塊選擇。

第二步，操作員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或隨機(jī)選擇故障假設(shè)，系統(tǒng)根據(jù)用戶選擇，根據(jù)故障表和節(jié)點(diǎn)表內(nèi)容，提示用戶對(duì)相關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，若測(cè)量值正常，則拒絕假設(shè)，將本次測(cè)量模塊從可能故障模塊中刪除，提示用戶進(jìn)行下一個(gè)假設(shè)，重復(fù)第二步。若測(cè)量值不正常，系統(tǒng)進(jìn)一步根據(jù)節(jié)點(diǎn)關(guān)系表判斷是否有其他模塊的輸入會(huì)影響到本模塊的輸出，如果有，提示操作員測(cè)量相關(guān)節(jié)點(diǎn)參數(shù)。若相關(guān)節(jié)點(diǎn)參數(shù)不正常，可拒絕本次假設(shè)，將本次測(cè)量模塊從可能故障模塊中刪除，同時(shí)將相關(guān)節(jié)點(diǎn)所在模塊添加到可能故障模塊列表，再重復(fù)第二步。若相關(guān)節(jié)點(diǎn)參數(shù)正常，則接受假設(shè)，判定故障發(fā)生在本模塊。再根據(jù)規(guī)則類型，判斷是否是終點(diǎn)規(guī)則，若為終點(diǎn)規(guī)則，故障自動(dòng)診斷到此結(jié)束，否則進(jìn)行下一步。第三步，確定故障模塊后，采用與第二步類似的方法將故障范圍縮小到模塊中的某一單元，若有需要，再進(jìn)行下一步單元測(cè)試。

第四步，將故障單元拆卸，插入系統(tǒng)單元檢測(cè)接口，系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)量相關(guān)單元參數(shù)值，若有需要，系統(tǒng)提示操作員測(cè)量某節(jié)點(diǎn)參數(shù)值，根據(jù)這些參數(shù)值進(jìn)行故障判斷。采用與第二步相同的推理策略，不斷縮小可能故障原因范圍，直到抵達(dá)終點(diǎn)，將故障定位到某元件，或拒絕所有假設(shè)。

5 結(jié)語(yǔ)

通信設(shè)備故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)以解決該設(shè)備維修的實(shí)際需要為主研思想，綜合運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、微處理器技術(shù)、USB總線技術(shù)、Windows環(huán)境下的通信編程技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)編程技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行研制。系統(tǒng)樣機(jī)測(cè)試和應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)性能指標(biāo)達(dá)到預(yù)期要求，能保證該設(shè)備的故障自動(dòng)診斷速度和準(zhǔn)確度。

系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)先進(jìn)、功能完善、自動(dòng)化、智能化程度高，界面友好、故障顯示清楚、使用操作方便。在日常的電子設(shè)備保養(yǎng)和現(xiàn)場(chǎng)搶修中一機(jī)多用，方便快捷，可使通信設(shè)備保持在一個(gè)較高的完好率，保障了設(shè)備使用中的連續(xù)性。

［1］沈慶根，鄭水英.設(shè)備故障診斷［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［2］Rolf Isermann.Fault－Diagnosis：An Introduction from Fault Detection to Tolerance［M］.Berlin：Springer，2005.

［3］曲建嶺，王新.面向故障診斷的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)［J］.測(cè)控技術(shù)，2009，01：5－8.

［4］George Vachtsevanos，F(xiàn)rank L Lewis.Intelligent Fault Diagnosis and Prognosis for Engineering Systems［M］.Hoboken USA：Wiley，2006.

［5］楊軍，馮振聲.裝備智能故障診斷技術(shù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004.