基于智能診斷技術(shù)及虛擬儀器技術(shù)的某型橋故障診斷系統(tǒng)

王添禹，雷智強(qiáng)，郭 磊

（1.66336部隊(duì)，河北 保定074000；2.陸軍工程大學(xué)，江蘇 南京210007；3.中部戰(zhàn)區(qū)陸軍保障部，河北 石家莊050081；4.32143部隊(duì)，河南 信陽464000）

引言

某型沖擊橋滿足了自動(dòng)化架設(shè)和使用的要求，其設(shè)計(jì)制造突破了輪式裝甲底盤變型、鋁合金橋跨設(shè)計(jì)制造、架設(shè)平衡及架設(shè)機(jī)構(gòu)優(yōu)化、車輛電子控制等關(guān)鍵技術(shù)。在某型沖擊橋使用過程中，受操作人員的技術(shù)不夠熟練，架設(shè)展開的場(chǎng)地不夠理想，或裝備由于管理維護(hù)不當(dāng)而存在若干缺陷等多種因素的影響，裝備不可避免地會(huì)發(fā)生各種問題和故障，如果不及時(shí)檢查、診斷和排除，將會(huì)對(duì)裝備器材的技術(shù)狀況造成很大的損害，甚至造成器材的報(bào)廢。根據(jù)新裝備形成戰(zhàn)斗力的需求，圍繞裝備維修保障的研究方向，通過系統(tǒng)分析裝備維修保障需求，采用智能診斷技術(shù)及虛擬儀器技術(shù)，開發(fā)某型沖擊橋故障診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)裝備故障診斷的實(shí)時(shí)性與快速性，提高裝備維修保障的質(zhì)量與精度，從而快速提升基層部隊(duì)的維修保障水平，提高裝備維修質(zhì)量，降低維修費(fèi)用，為新裝備形成戰(zhàn)斗力提供直接的技術(shù)支持。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 主要研究?jī)?nèi)容

某型沖擊橋由底盤、橋梁系統(tǒng)、架設(shè)系統(tǒng)、通信指揮系統(tǒng)和附屬設(shè)備組成，通信指揮系統(tǒng)與底盤電子控制系統(tǒng)、架設(shè)控制系統(tǒng)一起，構(gòu)成輪式?jīng)_擊橋綜合電子信息系統(tǒng)，三者由CAN總線互聯(lián)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與交流，橋梁系統(tǒng)由橋跨和展橋機(jī)構(gòu)組成，架設(shè)系統(tǒng)包含架設(shè)機(jī)構(gòu)（舌形臂、翻轉(zhuǎn)架）、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等，附屬設(shè)備包括測(cè)距儀、標(biāo)示設(shè)備、照明設(shè)備、維修設(shè)備等。本文以提高某型沖擊橋裝備保障能力為目的，建立以某型沖擊橋裝備為原型的故障診斷系統(tǒng)，提高維修質(zhì)量，同時(shí)保證維修準(zhǔn)確、迅速，且降低維修成本。

1.2 工作原理

故障診斷儀通過CAN總線與輪式?jīng)_擊橋控制器通訊，顯示總線狀態(tài)、輸入輸出信號(hào)、傳感器信號(hào)、架設(shè)向?qū)?、邏輯互鎖功能等。設(shè)備工作原理如圖1所示。

圖1 內(nèi)部連線示意圖

故障診斷儀基于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，整體架構(gòu)如下頁圖2所示。嵌入式系統(tǒng)（Embedded System）是以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟、硬件可裁減，適應(yīng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。本故障診斷儀基于嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，完成系統(tǒng)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障顯示與作業(yè)參數(shù)標(biāo)定功能。硬件以ARM控制器為核心，軟件以嵌入式Linux作為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，圖形用戶界面基于QT4平臺(tái)開發(fā)[1-3]。

圖2 診斷儀總體架構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 基于ARM的核心模塊設(shè)計(jì)

目前，嵌入式系統(tǒng)高端微控制器已有九成是建立在ARM體系結(jié)構(gòu)之上。ARM系列處理器采用32位嵌入式RISC結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成多級(jí)流水線以提高處理器指令的執(zhí)行速度，其強(qiáng)大功能與外圍電路的配合，將信號(hào)采集、處理、故障診斷及網(wǎng)絡(luò)通信等功能集于一體，特別適合作為智能儀器設(shè)備的開發(fā)平臺(tái)。

故障診斷儀硬件由基于ARM的Omap AM3517設(shè)計(jì)的核心模塊加外圍電路組成，硬件組成見圖3。

圖3 故障診斷儀硬件結(jié)構(gòu)

Omap AM3517產(chǎn)品的特色是很強(qiáng)的ARM Cortex-A8處理核心和三維圖形加速。一般來說，同樣主頻的ARM9和Cortex-A8 ARM芯片運(yùn)算速度是兩倍關(guān)系，因此，600 MHz ARM Cortex-A8處理器可提供1,000 Dhrystone MIPS，而且未來的產(chǎn)品還會(huì)超過1 GHz。AM3517產(chǎn)品實(shí)際上是PowerVR SGX圖形引擎與AM3505的結(jié)合，可加速實(shí)現(xiàn)3D圖形用戶界面。該圖形引擎處理速度達(dá)每秒10 Mpolygon，并支持OpenGL ES 2.0。圖像回轉(zhuǎn)、圖像收放，甚至鼠標(biāo)動(dòng)作全部用硬件實(shí)現(xiàn)，不會(huì)損耗ARM核心的主頻。

Omap AM3517產(chǎn)品屬于Sitara系列處理器，它針對(duì)工業(yè)應(yīng)用，-40～85℃的廣泛工業(yè)溫度選項(xiàng)使用戶能夠在從零度以下的凍結(jié)溫度，到超高溫的惡劣開發(fā)環(huán)境中工作，其典型應(yīng)用中的功耗不足1 W，無需使用散熱器與風(fēng)扇，有助于工業(yè)開發(fā)人員設(shè)計(jì)安靜的密閉外殼。產(chǎn)品還支持DDR2存儲(chǔ)器，可降低系統(tǒng)存儲(chǔ)器的總體成本。Sitara軟件充分采用TI OMAP應(yīng)用處理器的低功耗工藝技術(shù)，并兼容于德州儀器的OMAP系列處理器。

此外還有豐富的外圍接口，如USB HOST/Client、USB OTG、4位 的SD I/O、MMC/SD/卡，CMOS/CCD，OTG，IDE，LAN，Memory Stick，USIM等接口。

2.2 CAN接口設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)擴(kuò)展了兩路CAN總線控制器，因此只要外擴(kuò)總線驅(qū)動(dòng)器即可?？偩€驅(qū)動(dòng)器選用Philip的TJA1050進(jìn)行設(shè)計(jì)，電路原理如圖4所示。

圖4 CAN接口電路原理圖

TJA1050是CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，是一種性能優(yōu)越的CAN收發(fā)器，可以為總線提供不同的發(fā)送性能，為控制器提供不同的接收性能。

2.3 RS232接口設(shè)計(jì)

利用PXA內(nèi)部集成的兩個(gè)串口控制器，只需要進(jìn)行接口電平轉(zhuǎn)換即可與標(biāo)準(zhǔn)RS232接口設(shè)備進(jìn)行通信，通過一定的通信參數(shù)設(shè)置可將診斷儀記錄的工況數(shù)據(jù)導(dǎo)出到上位機(jī)進(jìn)行離線分析。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件開發(fā)環(huán)境

軟件基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)，基于QT4圖形開發(fā)環(huán)境開發(fā)。嵌入式Linux是以Linux為基礎(chǔ)的嵌入式作業(yè)系統(tǒng)，它被廣泛應(yīng)用在移動(dòng)電話、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、媒體播放器、消費(fèi)性電子產(chǎn)品以及航空航天等領(lǐng)域中。選用Linux操作系統(tǒng)有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：開放源碼，不存在黑箱技術(shù)，遍布全球的眾多Linux愛好者又是Linux開發(fā)者的強(qiáng)大技術(shù)支持；Linux的內(nèi)核小、效率高，內(nèi)核的更新速度很快，linux是可以定制的，其系統(tǒng)內(nèi)核最小只有約134KB；Linux是免費(fèi)的OS，在價(jià)格上極具競(jìng)爭(zhēng)力。Linux的大小適合嵌入式操作系統(tǒng)——Linux固有的模塊性、適應(yīng)性和可配置性，使得這很容易做到。嵌入式linux是將日益流行的Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行裁剪修改，使之能在嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上運(yùn)行的一種操作系統(tǒng)，嵌入式linux既繼承了Interlnet上無限的開放源代碼資源，又具有嵌入式操作系統(tǒng)的特性。

QT是一個(gè)全面的C++應(yīng)用程序開發(fā)框架，它包含一個(gè)類庫和用于跨平臺(tái)開發(fā)及國際化的工具。利用QT Designer，開發(fā)者可以拖放各種QT控件構(gòu)造圖形用戶界面并可預(yù)覽效果QT4軟件編輯環(huán)境支持標(biāo)準(zhǔn)的C語言以及C++語言，具有豐富的常用控件，如電子儀表，指示燈、CAN總線、視頻等。由QT開發(fā)的虛擬儀表，可在計(jì)算機(jī)上模擬真實(shí)場(chǎng)景中的某些設(shè)備,在屏幕上生成各種儀表儀器面板，完成對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的處理、表達(dá)、傳送、存儲(chǔ)、顯示等功能。QT是一個(gè)全面的開發(fā)框架，它包括廣泛的特征、性能與工具，可以開發(fā)高性能，跨平臺(tái)客戶端，以及服務(wù)器端的應(yīng)用程序。

診斷儀基于嵌入式Linux開發(fā)，在Linux的上層擴(kuò)展了文件管理系統(tǒng)、圖形用戶接口和設(shè)備底層硬件驅(qū)動(dòng)程序，如存儲(chǔ)器系統(tǒng)、CAN總線、LCD顯示等，以及在此操作系統(tǒng)之上移植的QT4圖形用戶接口庫共同建立了一個(gè)適合開發(fā)的、開放的操作系統(tǒng)平臺(tái)和圖形用戶接口平臺(tái)。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括作業(yè)、IO、傳感、標(biāo)定、網(wǎng)絡(luò)、診斷和總線等功能，其子功能結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 軟件子功能結(jié)構(gòu)圖

3.2.1 作業(yè)

包括作業(yè)控制、故障報(bào)警2個(gè)子畫面，用于顯示架橋車作業(yè)狀態(tài)。作業(yè)控制又包括系統(tǒng)控制信息和作業(yè)控制信息，其中系統(tǒng)控制信息包括控制模式（外控/主控/副控）、作業(yè)方式（架設(shè)/撤收）、動(dòng)作和報(bào)警信息，有報(bào)警信息的話，報(bào)警指示燈和故障報(bào)警按鍵同時(shí)變紅；作業(yè)控制信息顯示作業(yè)輸出信息和機(jī)構(gòu)位置信息，當(dāng)有作業(yè)輸出時(shí)，顯示相應(yīng)的輸出提示。故障報(bào)警顯示系統(tǒng)故障情況根據(jù)優(yōu)先級(jí)從上至下分別為：主控箱通訊故障、控制網(wǎng)絡(luò)故障、傳感器故障報(bào)警、多路輸出報(bào)警、邏輯保護(hù)報(bào)警、行程限位報(bào)警和系統(tǒng)參數(shù)超限報(bào)警。

3.2.2 IO畫面

IO畫面主要包括主控盒IO和移動(dòng)盒IO。主控盒IO顯示主控盒輸入，當(dāng)指示燈亮?xí)r表示主控作業(yè)盒有信號(hào)輸入；移動(dòng)盒IO顯示移動(dòng)盒輸入，當(dāng)指示燈亮?xí)r表示移動(dòng)作業(yè)盒有信號(hào)輸入。

3.2.3 傳感

傳感畫面顯示輪式?jīng)_擊橋上裝傳感器數(shù)據(jù)，包括機(jī)構(gòu)位置信息和液壓/底盤信息。機(jī)構(gòu)顯示機(jī)構(gòu)位置信息，指示燈亮表示有信號(hào)輸入；液壓顯示液壓信息，主要包括顯示轉(zhuǎn)臂大腔壓力、轉(zhuǎn)臂小腔壓力、系統(tǒng)壓力、支腿壓力以及油位信息；底盤信息主要包括底盤車橫傾角和俯仰角信息。

3.2.4 數(shù)據(jù)標(biāo)定

用戶輸入密碼后可進(jìn)入相應(yīng)標(biāo)定畫面，密碼隨機(jī)器提供，數(shù)據(jù)標(biāo)定共包括15個(gè)子畫面，如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)標(biāo)定子畫面結(jié)構(gòu)圖

手柄標(biāo)定包括左側(cè)舟手柄、左跳板手柄、左絞盤手柄、右側(cè)舟手柄、右跳板手柄和右絞盤手柄，主要標(biāo)定手柄零位、死區(qū)、最大值、最小值，顯示手柄AD值和當(dāng)前值；傳感器標(biāo)定主要包括舌形臂、支腿、系統(tǒng)壓力、液位以及傾角等各個(gè)系數(shù)值的標(biāo)定。機(jī)構(gòu)位置標(biāo)定主要對(duì)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)位置參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。

3.2.5 網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)顯示作業(yè)控制系統(tǒng)的CAN總線系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)燈的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，即可表明節(jié)點(diǎn)的通斷，燈亮代表節(jié)點(diǎn)在線。

3.2.6 總線數(shù)據(jù)

通過CAN總線數(shù)據(jù)發(fā)送，可以設(shè)置幀ID、發(fā)送通道、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、發(fā)送周期、發(fā)送次數(shù)、幀數(shù)據(jù)，通過移動(dòng)光標(biāo)來修改參數(shù)；總線數(shù)據(jù)接收可以顯示幀ID、幀數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、發(fā)送通道、發(fā)送計(jì)數(shù)，可以分別顯示Can1/Can2通道數(shù)據(jù)，最多顯示22組[4-5]。

4 結(jié)語

本項(xiàng)目以輪式?jīng)_擊橋?yàn)檠芯繉?duì)象，在綜合國內(nèi)外故障診斷與狀態(tài)評(píng)估發(fā)展趨勢(shì)的研究基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了輪式?jīng)_擊橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、故障特征以及失效機(jī)理，結(jié)合故障智能診斷技術(shù)、傳感器技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，重點(diǎn)研究了輪式?jīng)_擊橋液壓與電氣系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、橋梁系統(tǒng)和架設(shè)結(jié)構(gòu)等的故障診斷方法，并從總體結(jié)構(gòu)、理論支撐、關(guān)鍵技術(shù)、具體實(shí)現(xiàn)和實(shí)裝試驗(yàn)驗(yàn)證等方面對(duì)其故障診斷進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并取得了預(yù)期的成果。研究成果可直接應(yīng)用于輪式?jīng)_擊橋的作戰(zhàn)使用，為新裝備盡快形成戰(zhàn)斗力提供直接的技術(shù)支持。