裝甲車輛數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)故障機(jī)理研究

張偉鵬　李光升

摘 要：裝甲車輛數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)是裝甲車輛各系統(tǒng)中比較精密的系統(tǒng)，在其使用中受到惡劣環(huán)境的影響，該系統(tǒng)容易發(fā)生一系列故障，這些故障按類型可分為軟故障和硬故障。故障的發(fā)生是由多種原因造成的，既與系統(tǒng)部件自身結(jié)構(gòu)特點和功能特性有關(guān)，又受采集控制系統(tǒng)實際工作環(huán)境和工作條件的影響，要完全理解故障發(fā)生原因，就需要研究數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作特性，分析各種常見的故障類型及故障發(fā)生機(jī)理。同時也為后續(xù)的故障檢測定位提供一定的理論依據(jù)。本章以某型裝甲車輛數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)為例，將介紹數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作特性，并列舉常見故障類型及現(xiàn)象，對常見故障作機(jī)理分析。

關(guān)鍵詞：裝甲車輛；數(shù)據(jù)采集控制器；故障機(jī)理

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.034

1 裝甲車輛數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的硬件組成

1.1 裝甲車輛數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

本文以某型裝甲車輛的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)為例進(jìn)行研究，圖1所示為該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)是由駕駛員任務(wù)終端、采集控制器和機(jī)載傳感器組三部分構(gòu)成。

駕駛員任務(wù)終端的位置一般安裝在儀表盤上，是計算機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包含嵌入式CPU模塊、FPGA模塊、電源控制模塊、CAN通信模塊、顯示模塊等，其任務(wù)主要是實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控、按鍵指令輸入、將狀態(tài)數(shù)據(jù)用儀表顯示出來，具有良好的人機(jī)界面友好性。

采集控制器屬于下級控制器，里邊包含調(diào)理版、開關(guān)板和通信板，主要實現(xiàn)負(fù)載的運(yùn)作和關(guān)閉以及各傳感器信號的采集和處理，是通過CAN總線與計算機(jī)控制系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互的。

機(jī)載傳感器組主要有電源電壓傳感器、水溫傳感器、機(jī)油壓力傳感器、電路總開關(guān)、水溫報警傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器、里程傳感器等多種類型，各類型之間的工作原理均不相同，主要負(fù)責(zé)采集裝甲車輛的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。

1.2 裝甲車輛數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的工作過程及特點

根據(jù)圖1所示，數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的工作過程分兩種模式，第一種是當(dāng)需要采集車輛運(yùn)行參數(shù)時，傳感器及其他的狀態(tài)信號經(jīng)由采集控制器處理，打開通信板運(yùn)作，利用總線形式實現(xiàn)與駕駛員終端的通信，最終以虛擬儀表、位圖、柱狀圖的形式顯示出來；第二種是當(dāng)駕駛員需要操縱某個負(fù)載（如三防設(shè)備，滅火抑爆設(shè)備）時，由終端發(fā)出按鍵指令，經(jīng)采集控制器判別，打開控制負(fù)載動作的開關(guān)板，就能操縱負(fù)載，這一過程負(fù)載充當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

裝甲車輛數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)各部件的精密程度較高，工作時一般處在強(qiáng)震動、高溫、沙塵、嚴(yán)寒等惡劣環(huán)境下，通過部隊調(diào)研、實地考察發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)在實際應(yīng)用過程中最容易發(fā)生故障的部位是采集控制器電路板和機(jī)載傳感器，因此本文主要對采集控制器電路板和機(jī)載傳感器兩個部件進(jìn)行故障診斷方法研究。

2 采集控制器

2.1 采集控制器組成及工作過程

數(shù)據(jù)采集控制器本質(zhì)上是由調(diào)理板、通信板和開關(guān)板三種電路板組合成的一個復(fù)雜電路板系統(tǒng)。

采集控制器是裝甲車輛數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)中的核心部件，它包括兩個工作過程：信息采集過程和設(shè)備控制過程。

（1）信息采集過程。根據(jù)信號的特征，主要是有兩種信號，分別是：傳感器信號與開關(guān)狀態(tài)信號，由于信號特征不同，所以流經(jīng)線路也不同。

傳感器信息：首先必須通過采集控制器調(diào)理板轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，然后通過通信板轉(zhuǎn)化成總線信號，通過總線，上傳至駕駛員任務(wù)終端顯示相關(guān)信息。

開關(guān)狀態(tài)信息：直接送至通信板，后面的線路與傳感器一致。

信息采集過程是，首先采集各類信息，經(jīng)過采集控制器處理，最后在駕駛員任務(wù)終端上顯示。

（2）設(shè)備控制過程。首先是駕駛員任務(wù)終端通過內(nèi)部電源管理程序，向采集控制器開關(guān)板發(fā)出指令，開關(guān)板通過控制口向負(fù)載供電，負(fù)載得電，開始工作，控制過程完成。

控制的過程是駕駛員任務(wù)終端下達(dá)指令，采集控制器實施控制，最后負(fù)載執(zhí)行相應(yīng)的動作。

2.2 電路板故障類型

采集控制器本身是由調(diào)理板、通信板和開關(guān)板組成的復(fù)雜電路板，而電路板的故障種類也是多種多樣，對于電路板故障根據(jù)不同的原則也有著不同的分類方法。要想較為深入的分析研究采集控制器產(chǎn)生故障的原因，我們只能通過細(xì)致的辨識故障類型，這樣以后才能確定采用何種故障診斷的方法。

（1）按故障發(fā)展變化分類。

1）驟變性故障，在出現(xiàn)之前難以預(yù)測且沒有任何前期故障征兆，如電路斷路。

2）漸變性故障，電路板在使用過程中導(dǎo)致器件性能逐漸變差，導(dǎo)致器件參數(shù)超過其容差范圍。

（2）按故障存在的時間長短分類。

1）永久性故障，若該種故障發(fā)生，這種故障就會在任意時間點內(nèi)都存在。

2）短暫性故障，在某個時間點或者時間段內(nèi)發(fā)生故障，具有可修復(fù)性。

（3）按器件出現(xiàn)故障相關(guān)程度分類。

1）間接故障，該故障的發(fā)生是由于其他器件工作不正常引起的。如前一級故障電路輸出電壓值過大導(dǎo)致后續(xù)電路芯片損壞。

2）直接故障，是指該故障的產(chǎn)生是由于器件本身原因?qū)е碌?，與其他電路器件無關(guān)，具有獨立性，在故障檢測時應(yīng)該先排除這類的故障。

構(gòu)成采集控制器的電路板故障形式多樣，對于本文研究的采集器電路板中主要是按照故障存在的時間長短分類，即為永久性故障和暫時性故障，在后序章節(jié)中對該類電路故障進(jìn)行驗證；有的電路板由于模擬器件存在容差特性等，將故障分為漸變性故障和驟變性故障。按照故障的特點進(jìn)行分類有利于完成對電路的故障診斷。

3 機(jī)載傳感器

在數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)中，傳感器是測量裝置和控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)。如果沒有傳感器對原始參數(shù)進(jìn)行精確可靠的測量，那么，無論是信號轉(zhuǎn)換或信息處理、或者最佳數(shù)據(jù)的顯示和控制，都將無從談起?？梢哉f，沒有精確可靠的傳感器，就沒有精確可靠的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。endprint

通常，傳感器是指能夠把被測物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的電量輸出的裝置，又叫變換器或換能路。為了滿足信息的傳輸、處理、記錄、顯示和控制等要求，傳感器輸出的信號形式也有所不同，如電壓、電流、頻率、脈沖等。傳感器一般由敏感元件、傳感元件和其它輔助件組成。有時也將信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路、輔助電源作為傳感器的組成部分，如圖2所示。

3.1 傳感器類型及工作原理

數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)中各類傳感器的種類較多，要做到更好的對各類傳感器的各種故障進(jìn)行認(rèn)識和診斷，就要充分了解各類傳感器的特性。一般是根據(jù)輸入輸出的對應(yīng)關(guān)系來描述傳感器的各種特性。本節(jié)主要介紹裝甲車輛上機(jī)載傳感器的種類、工作原理及其作用，機(jī)載傳感器包括水溫傳感器、機(jī)油壓力傳感器、位置傳感器、氣體濃度傳感器、速度傳感器等。

（1）水溫傳感器。水溫傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一個半導(dǎo)體熱敏電阻，具有負(fù)溫度系數(shù)，溫度越低，阻值越大；反之阻值越小。使用時安裝在發(fā)動機(jī)缸蓋水套中，與冷卻水直接接觸，從而測得發(fā)動機(jī)冷卻水的溫度，其作用主要有兩點。

1）測量冷卻水溫度，也就是發(fā)動機(jī)的工作溫度；利用傳感器的電阻隨著溫度變化而發(fā)生變化，這種變化最終反映在電流上以驅(qū)動水溫表的變化，就能顯示出發(fā)動機(jī)的工作溫度。

2）根據(jù)溫度高低，修正噴油量、點火提前角。發(fā)動機(jī)在不同的工作溫度下具有不同的工作方式，如發(fā)動機(jī)溫度在設(shè)定值以下時要比正常溫度多噴10%的油料，目的是為了讓發(fā)動機(jī)快速升溫以減少發(fā)動機(jī)的低溫磨損；而溫度高于設(shè)定值時，就要少噴點油，讓溫度升的慢點。另外還能修正點火提前角，低溫時增大，高溫時為防止爆燃，減小提前角。

（2）機(jī)油壓力傳感器。機(jī)油壓力傳感器是對裝甲車輛發(fā)動機(jī)的機(jī)油壓力進(jìn)行檢測的重要裝置，檢測的數(shù)據(jù)可以幫助控制發(fā)動機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。該傳感器內(nèi)部由厚膜壓力傳感器芯片、信號處理電路、外殼、固定線路板裝置等組成，其中關(guān)鍵部件是厚膜壓力傳感器，它是利用印刷燒結(jié)在陶瓷彈體上的厚膜電阻的壓阻效應(yīng)研制而成。機(jī)油壓力傳感器安裝在發(fā)動機(jī)的主油道上，當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)行時，壓力測量裝置檢測機(jī)油壓力，以電信號的形式傳送到至信號處理電路，并經(jīng)電壓放大和電流放大，輸出至油壓指示表，從而指示出發(fā)動機(jī)的機(jī)油壓力。同時經(jīng)電壓放大的信號還與報警電路中設(shè)定的報警電壓進(jìn)行比較，當(dāng)?shù)陀趫缶妷簳r，發(fā)出報警信號，提示維修人員需要添加機(jī)油。

（3）位置傳感器。位置傳感器主要分接觸式和非接觸式兩類，裝甲車輛的位置傳感器主要有曲軸位置傳感器、節(jié)氣門位置傳感器等，因考慮實際工作情況，此類傳感器一般以非接觸式居多，非接觸式位置傳感器按工作原理又分為磁電式、光電式、電渦流式和霍爾式等類型。其中曲軸位置傳感器也稱曲軸轉(zhuǎn)角傳感器，是計算機(jī)控制的點火系統(tǒng)中最重要的傳感器，其作用是檢測上止點信號、曲軸轉(zhuǎn)角信號和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號，并將其輸入駕駛員任務(wù)終端的計算機(jī)中，從而使計算機(jī)能按氣缸的點火順序發(fā)出最佳點火時刻指令，一般安裝在曲軸皮帶輪和鏈輪側(cè)面；節(jié)氣門位置傳感器又稱為節(jié)氣門開度傳感器和節(jié)氣門開關(guān)，主要功能是判斷發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)是處于怠速還是負(fù)荷工況，它本質(zhì)上是由一個可變電阻和幾個開關(guān)組成，一般安裝在節(jié)氣門體上，該傳感器有兩副觸點，分別是怠速觸點和全負(fù)荷觸點，根據(jù)控制這兩個開關(guān)點的氣節(jié)門的位置變化，會輸出相應(yīng)的電壓信號，計算機(jī)輸出信號電壓來識別是加速工況還是減速工況，以達(dá)到修正噴油量或者斷油控制的目的。

（4）氣體濃度傳感器。裝甲車輛在行駛和射擊時，艙室內(nèi)常會出現(xiàn)有害氣體，這些氣體一般來自動力艙密閉不嚴(yán)漏進(jìn)來的發(fā)動機(jī)尾氣、火炮發(fā)射尾氣以及車內(nèi)潤滑油和機(jī)油等揮發(fā)的有害氣體，這些氣體包括CO、NO2、SO2和煙塵等。由于艙室空間較小、通風(fēng)性差，因此安裝了不同的氣體濃度傳感器來檢測相應(yīng)氣體的濃度。氣體濃度傳感器的基本原理大同小異，大多都是通過定電位電解，與水或氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，并且氣體濃度與輸出電流信號成正比。氣體濃度傳感器一般與報警器配套使用，經(jīng)報警器的中間電路將輸出電流信號放大后，以驅(qū)動不同的執(zhí)行裝置，完成聲、光和電的檢測以及報警功能。

（5）速度傳感器。裝甲車輛上的速度傳感器按不同效用可分為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、車速傳感器等，其中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器的功用是檢測發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，并把檢測結(jié)果輸入到裝甲車輛儀表系統(tǒng)顯示發(fā)動機(jī)工況，一般是利用曲軸位置傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)化而來；車速傳感器用來檢測汽車行駛速度，并把檢測結(jié)果輸入給儀表系統(tǒng)顯示車速，或?qū)z測的車速信號輸入到需要車速信號的任務(wù)終端的控制器中。

3.2 傳感器故障類型

裝甲車輛數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)中的傳感器種類較多，由于運(yùn)行環(huán)境惡劣，大部分工作在高溫、高壓、強(qiáng)振動的環(huán)境中，極易發(fā)生傳感器故障。本文為了下一步繼續(xù)進(jìn)行傳感器故障診斷的研究，結(jié)合其他研究者從不同角度的分析，對一些采集控制系統(tǒng)中傳感器的常見故障進(jìn)行了如下分類。

（1）按故障的程度分類。按故障程度的大小可分為硬故障（泛指結(jié)構(gòu)損壞導(dǎo)致的故障，一般幅值較大，變化突然）和軟故障（泛指特性的變異，一般幅值較小，變化緩慢），硬故障一般由于傳感器元件損壞、電系統(tǒng)發(fā)生短路、斷路或受較強(qiáng)脈沖干擾等原因引起，軟故障一般是由部件老化、零點漂移等原因引起；

（2）按故障存在的表現(xiàn)分類。根據(jù)故障存在的表現(xiàn)可分為間歇性故障（時好時壞）和永久性故障（失效后，不能再恢復(fù)正常）；

（3）按故障發(fā)生、發(fā)展的進(jìn)程分類。根據(jù)故障發(fā)生，發(fā)展的進(jìn)程可分為突變故障（信號變化速率大）和緩變故障（信號變化速率小）；

（4）按故障的模型特性分類。從建模角度出發(fā)，可分為乘法故障和加性故障；

（5）按故障發(fā)生的原因分類。按故障原因可分為偏差故障、沖擊故障、開路故障、漂移故障、短路故障、周期性干擾、非線性死區(qū)故障。

傳感器產(chǎn)生故障時通常的表現(xiàn)形式有如下幾種：1）傳感器無輸出；2）傳感器出現(xiàn)間歇性輸出；3）傳感器出現(xiàn)漂移性輸出；4）傳感器出現(xiàn)超出允許誤差的輸出。這些故障產(chǎn)生后反映在數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)中的直接表現(xiàn)就是各類儀表的讀數(shù)不準(zhǔn)確、沒有指示或者一直在錯誤區(qū)間工作。經(jīng)過部隊的使用經(jīng)驗反饋，采集控制系統(tǒng)中傳感器發(fā)生的故障一般都包含在下列故障中，本文對這些故障的產(chǎn)生機(jī)理也做了分析，如表1所示。

4 結(jié)論

本文以裝甲車輛數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)為研究對象，首先介紹其硬件組成，通過部隊實際調(diào)研，得知采集控制器和機(jī)載傳感器部分容易發(fā)生故障，分別介紹了這兩個部分的基本結(jié)構(gòu)和工作特性，并分析了常見故障的類型和發(fā)生機(jī)理，為后續(xù)的故障診斷研究提供了一定的理論基礎(chǔ)。

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作者簡介：張偉鵬（1985-），男，山東萊陽人，碩士研究生，研究方向：電力電子與電力傳動。endprint