基于虛擬儀器技術(shù)的主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)自動測試系統(tǒng)設(shè)計

榮杰+吳杰長+張超杰+劉海松

摘 要： 針對某主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)故障維修難度大且缺少相應(yīng)維修測試儀器和工裝設(shè)備的實際情況，設(shè)計了一種基于LabVIEW的PCI總線和數(shù)據(jù)采集卡的自動測試裝備并完成了具體設(shè)計工作。其采用PCI?3361進(jìn)行信號的采集和控制向量的輸出，通過繼電器和外部接口電路實現(xiàn)測試單元的自動選擇，利用LabVIEW應(yīng)用程序進(jìn)行故障的檢測、識別、定位。實驗表明該測試裝備工作可靠，適用性良好。

關(guān)鍵詞： 虛擬儀器； 主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)； 數(shù)據(jù)采集； 自動測試系統(tǒng)

中圖分類號： TN919?34； TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 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

船舶主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是艦艇動力系統(tǒng)的重要組成部分，主要由控制系統(tǒng)、監(jiān)測報警系統(tǒng)、安全系統(tǒng)構(gòu)成[1]。它需要采集并處理柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、供油齒桿的位置、啟動及控制空氣壓力等信號，因此監(jiān)控系統(tǒng)直接關(guān)系到整個動力系統(tǒng)能否正常工作。在智能化、無人機(jī)艙[2]的發(fā)展趨勢下，改善、提高主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)性能的同時，也大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性[3]，使得其故障檢測、維修難度增大。因此，展開自動測試系統(tǒng)研究成為必然。

1 自動測試系統(tǒng)的功能要求及設(shè)計思路

某主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要用于自動化遙控主柴油機(jī)，實現(xiàn)主柴油機(jī)工作過程的自動控制（盤車、啟動、加減速、停車、反轉(zhuǎn)）、主要參數(shù)的監(jiān)測報警和重要參數(shù)的安全保護(hù)。電路模塊是其主要監(jiān)控組件，系統(tǒng)全部由模塊化結(jié)構(gòu)的電路模塊組成，通過接線插頭實現(xiàn)模塊間、模塊與外部裝置的信號傳遞。在系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，需要完成柴油機(jī)各信號裝置、駕駛室的信號采集，經(jīng)處理后產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號并實現(xiàn)主柴油機(jī)的自動控制功能及監(jiān)測和保護(hù)，同時使主柴油機(jī)避開臨界轉(zhuǎn)速。

通過對被測電路模塊的分析，全面掌握了其工作原理、結(jié)構(gòu)組成、信號特征、使用規(guī)則和維護(hù)方式。在主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)自動測試系統(tǒng)的設(shè)計中，采用了LabVIEW軟件和PCI總線技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，該系統(tǒng)的功能如下：

（1） 測試系統(tǒng)本身自檢能力：通過系統(tǒng)自檢，完成對系統(tǒng)內(nèi)部的儀器設(shè)備、輸入和輸出通道的自檢及初始化；

（2） 測試信號生成和分析處理功能：測試系統(tǒng)能夠模擬生成柴油機(jī)各信號裝置的信號，對主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的電路模塊施加相應(yīng)的激勵信號并對采集的信號進(jìn)行分析處理；

（3） 功能測試功能：在模擬信號狀態(tài)下對各硬件系統(tǒng)進(jìn)行初始化和檢測，完成其主柴油機(jī)的啟動及正車和倒車的轉(zhuǎn)換，測試模塊功能的好壞；

（4） 監(jiān)測報警及故障診斷功能：測試系統(tǒng)具有信號處理、故障分析、故障定位能力，能對測試模塊進(jìn)行故障定位；

（5） 測試記錄查詢打印功能：該監(jiān)控系統(tǒng)電路模塊種類和數(shù)量都對數(shù)據(jù)分析的結(jié)果能夠顯示及記錄。

現(xiàn)代的測試工作遠(yuǎn)非人工測試所能勝任，必須實現(xiàn)測試系統(tǒng)的自動，即在測試系統(tǒng)中對主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)電路模塊和測試儀器端分別實現(xiàn)自動控制。綜合考慮某艦主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的測試需求及自動測試系統(tǒng)的可靠性、成本和軟件開發(fā)等因素，參照已有測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[4?7]，采用如圖1所示的測試系統(tǒng)總體框圖。

圖1 測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示由計算機(jī)控制測試軟件對主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)測試端施加激勵信號并實現(xiàn)自動控制，對響應(yīng)信號進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地捕捉和測量并完成處理、顯示和存儲。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集卡的選型及激勵信號生成

數(shù)據(jù)采集是指從傳感器和其他待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采集非電量或電量信號，送到上位機(jī)中進(jìn)行分析、處理[4]。而數(shù)據(jù)采集卡，即實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集（DAQ）功能的計算機(jī)擴(kuò)展卡，目前大部分的是通過USB，PCI，VXI，ISA等總線接入計算機(jī)。在本測試測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡選型中，基于PCI總線的產(chǎn)品在靈活性、易用性和性價比等方面有很大的優(yōu)勢而選擇PCI總線型數(shù)據(jù)采集卡。其插卡式的硬件可以直接插入計算機(jī)的PCI插槽，可充分利用計算機(jī)資源來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及處理、故障診斷和過程控制等功能。結(jié)合某主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對測試通道的需求同時為了保證測試系統(tǒng)的精度和可靠性，數(shù)據(jù)采集卡采用泛華恒興基于PCI總線的高精度多功能數(shù)據(jù)采集卡——PS PCI?3361。該板卡主要由MFIO模塊、ADC模塊、DAC模塊、DIO模塊、FPGA控制模塊及PCI橋芯片模塊，可實現(xiàn)如下功能：ADC、DAC、數(shù)字IO、MFIO及計數(shù)器，能夠滿足測試系統(tǒng)的要求。主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在工作過程中涉及到的信號有轉(zhuǎn)速、油壓、齒桿位移及其他開關(guān)量等信號。在實際維修測試中，出于對主機(jī)安全考慮一般都是在停機(jī)狀態(tài)下測試，而在模塊測試中卻需要主機(jī)正常工作的信號，因此激勵信號的生成是否準(zhǔn)確對測試系統(tǒng)正常測試顯得尤為重要。在對某主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的電路模塊進(jìn)行測試時，通過采用轉(zhuǎn)速、壓力及開關(guān)量等傳感器來模擬主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的工作信號，嚴(yán)格校準(zhǔn)模擬信號與實際工作信號幅值及頻率。而對于常用的正弦、脈沖等激勵信號，LabVIEW語言都有這些信號的庫函數(shù)[5]。本文調(diào)用動態(tài)鏈接庫中的模塊Waveform Buffer Generation.vi子VI來實現(xiàn)信號生成。將模塊所需要的激勵信號連接到被測電路模塊相應(yīng)的端口，同時將測試端連接到數(shù)據(jù)采集卡的模擬量輸入端。

2.2 信號接口及轉(zhuǎn)接電路

測試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要功能是完成對激勵信號源的自動接入、測試信號的采集、測試端口的自動選擇等[5]。根據(jù)該型主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計測試系統(tǒng)硬件主要由電源、接線板、數(shù)字采集卡、信號調(diào)理電路板和工控機(jī)等組成。根據(jù)被測電路模塊的特點，該系統(tǒng)主要實現(xiàn)對45針接插件插板的檢測，同時預(yù)留了相應(yīng)的擴(kuò)展電路，使其具有可擴(kuò)展性。該系統(tǒng)的單一模塊測試結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 單一模塊測試結(jié)構(gòu)圖

為了保證測試系統(tǒng)的精度和可靠性，數(shù)據(jù)采集卡采用泛華恒興基于PCI總線的高精度多功能數(shù)據(jù)采集卡——PS PCI?3361。該板卡主要由MFIO模塊、ADC模塊、DAC模塊、DIO模塊、FPGA控制模塊及PCI橋芯片模塊，可實現(xiàn)如下功能：ADC、DAC、數(shù)字IO、MFIO及計數(shù)器。同時選用GPS?3303C型直流電源，能夠提供0～27 V的直流電壓，用于給電路模塊提供+5 V的電源，并能提供繼電器工作的+27 V電壓。針對信號接入中存在的信號變換及多路復(fù)用的問題，參考現(xiàn)有成熟的技術(shù)選用了MAX14778芯片進(jìn)行信號的控制，如圖3所示。組建好測試系統(tǒng)后，可實現(xiàn)單一模塊的自動測試，也可以依據(jù)主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的功能對模塊進(jìn)行聯(lián)合功能測試。同時根據(jù)引進(jìn)模塊的接口特征和測試端輸出信號的特點添加相應(yīng)的信號調(diào)理電路和模擬濾波電路，將輸出的信號調(diào)整到數(shù)據(jù)采集卡最大允許的輸入電壓范圍。另外，根據(jù)測試需要，待測電路模塊接口系統(tǒng)還添加了一些特殊的外部輔助電路，用來模擬負(fù)載電阻和負(fù)載電容等。

3 測試程序設(shè)計

自動測試系統(tǒng)軟件與硬件有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成功能完整的測試系統(tǒng)。本測試系統(tǒng)在Windows XP操作系統(tǒng)環(huán)境下運(yùn)行，基于LabVIEW 8.6進(jìn)行軟件編程，LabVIEW是美國國家儀器公司（National Instruments Corp，NI公司）推出的面向計算機(jī)測控領(lǐng)域的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，被視為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。該平臺不僅提供了對虛擬儀器的支持，還具有各種測試、通信、控制和數(shù)值分析能力，具有控制能力強(qiáng)大、庫函數(shù)豐富、實時性強(qiáng)、編程容易等優(yōu)點[6]。

圖3 多路選擇開關(guān)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)某艦主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的測試需求和PCI平臺的硬件特性，設(shè)計了功能完善的測試程序，并且操作界面直觀，淺顯易懂，維護(hù)操作人員能夠快速理解使用。為使軟件具有較好的維護(hù)性和擴(kuò)展性，采用模塊化設(shè)計思想，測試系統(tǒng)軟件框圖如圖4所示。

圖4 測試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

啟動系統(tǒng)后，測試系統(tǒng)先進(jìn)行自檢，對系統(tǒng)內(nèi)部的儀器設(shè)備、輸入和輸出通道初始化。無故障以后顯示主程序界面，用戶可根據(jù)測試需要進(jìn)行相應(yīng)的測試操作。

4 維修測試實驗及結(jié)論

該測試系統(tǒng)采用了當(dāng)前測試領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的PCI總線技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)，提高了自動測試系統(tǒng)的模塊化、快速化和自動化水平，同時系統(tǒng)采用基于LabVIEW軟件的數(shù)據(jù)處理程序，能夠自動對被檢測模塊施加激勵信號和采集響應(yīng)，并能對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，以及顯示和記錄被測模塊的測模塊的工作情況，從而實現(xiàn)了對被測模塊的測試及故障定位。實踐證明，本文討論的這套主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)測試系統(tǒng)能夠很好地滿足實際工作的需要，且工作性能可靠，抗干擾能力強(qiáng)。在艦船實際應(yīng)用結(jié)果表明：在維修過程中對監(jiān)控系統(tǒng)電路模塊的故障診斷迅速而準(zhǔn)確，適用性良好，滿足實裝要求。

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