氣墊船縱橫傾信號(hào)處理電路測(cè)試性設(shè)計(jì)及BIT實(shí)現(xiàn)

王國書，劉桂峰，吳杰長，陳 軍

(海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430033)

1 引言

氣墊船航態(tài)特殊，高速航行時(shí)船體處于墊升狀態(tài)，整船無水下操縱部件，槳舵控制系統(tǒng)形成控制信號(hào)作用于空氣舵、射流舵、變距槳等實(shí)現(xiàn)對(duì)船體姿態(tài)的控制。受海上工作環(huán)境影響，極易發(fā)生故障，且該電路的故障檢測(cè)與定位比較困難，為此，本文以縱橫傾信號(hào)處理電路為例，開展測(cè)試性設(shè)計(jì)與自測(cè)試電路設(shè)計(jì)工作。

測(cè)試性也稱“可測(cè)性”，是指裝備能夠及時(shí)、準(zhǔn)確確定其工作狀態(tài)，并有效隔離內(nèi)部故障的一種設(shè)計(jì)特性，最早在1975年由F.Liour提出[1]，目前廣泛應(yīng)用于武器裝備、電子系統(tǒng)的總體優(yōu)化和設(shè)計(jì)改進(jìn)[2]。國內(nèi)對(duì)測(cè)試性工作的研究應(yīng)用非常廣泛，文獻(xiàn)[3-7]分別對(duì)慣性組合、雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)、自動(dòng)裝彈機(jī)、雷達(dá)裝備等開展測(cè)試性研究工作，通過建模、分析與改進(jìn)，取得較好的故障檢測(cè)與隔離效果。但以上研究均未考慮對(duì)某些關(guān)鍵部件的自測(cè)試問題，一些測(cè)試需在系統(tǒng)停機(jī)或者占用部分系統(tǒng)資源的基礎(chǔ)上進(jìn)行。為此，本文首先對(duì)縱橫傾信號(hào)處理電路進(jìn)行測(cè)試性建模與分析，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)自測(cè)試(built-in test，BIT)電路，通過BIT裝置以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、診斷的方式，實(shí)現(xiàn)測(cè)試性模型中部分關(guān)鍵測(cè)試項(xiàng)目，故障發(fā)生時(shí)BIT主動(dòng)測(cè)試并將故障信號(hào)發(fā)送至上位機(jī)，從而提高電路的可靠性與可測(cè)性。

2 縱橫傾信號(hào)處理電路測(cè)試性建模

2.1 多信號(hào)建模方法

多信號(hào)模型是美國康涅狄格大學(xué)的Pattipati和Deb[8]等在研究定量、定性、結(jié)構(gòu)以及信息流模型基礎(chǔ)上，于1994年提出的測(cè)試性建模方法，本質(zhì)上是一種有向圖模型，以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖為基礎(chǔ)，通過標(biāo)明功能信號(hào)流方向和各組成單元之間的相互連接關(guān)系并為其標(biāo)注測(cè)試點(diǎn)的位置，并在測(cè)試點(diǎn)上添加相應(yīng)的測(cè)試項(xiàng)目來建立模型[5]。建立多信號(hào)模型的一般步驟如下：

① 結(jié)合裝備實(shí)際結(jié)構(gòu)，對(duì)建模主體進(jìn)行功能層次劃分；② 根據(jù)裝備中信號(hào)流向關(guān)系，繪制多信號(hào)有向圖，添加測(cè)試點(diǎn)與測(cè)試，并為測(cè)試關(guān)聯(lián)故障模式；③ 開展測(cè)試性分析，根據(jù)測(cè)試報(bào)告對(duì)模型進(jìn)行修改[9]。

2.2 縱橫傾信號(hào)處理電路測(cè)試性建模

2.2.1縱橫傾信號(hào)處理電路組成及功能分析

縱橫傾信號(hào)處理電路主要包括電源轉(zhuǎn)換器、函數(shù)發(fā)生器、旋轉(zhuǎn)變壓器、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器、相限提取電路和MCU，除此之外，還包括運(yùn)放器1、2和放大器，電路內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 信號(hào)處理電路內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)框圖

電源轉(zhuǎn)換器(s1,s2)：將27 V DC電源轉(zhuǎn)換成±15 V DC，實(shí)現(xiàn)供電轉(zhuǎn)換，并保護(hù)系統(tǒng)免受供電電源中噪聲與電壓波動(dòng)的干擾；

函數(shù)發(fā)生器(s3)：通過控制電容充放電產(chǎn)生KSinωt交流信號(hào)；

旋轉(zhuǎn)變壓器(s4)：位于縱橫傾信號(hào)傳感器內(nèi)部，通過轉(zhuǎn)子角位移改變?cè)⒏边吚@組接觸面產(chǎn)生幅值不同于輸入原交流信號(hào)的KSin(ωt+a)Sinθ信號(hào)；

標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器(s5)：產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)；

相限提取電路(s6)：用于比較標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器與旋轉(zhuǎn)變壓器的電信號(hào)，計(jì)算KSin(ωt+a)Sinθ與KSinωt的相位差，得到縱橫傾的“正負(fù)值”；

MCU(s7)：對(duì)KSin(ωt+a)Sinθ交流電進(jìn)行幅值計(jì)算，并將幅值與相限提取電路得到的正負(fù)值一道發(fā)送至上級(jí)PLC工控機(jī)。

運(yùn)放器1、2與放大器：對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大。

2.2.2多信號(hào)模型的構(gòu)建

基于2.2.1中對(duì)信號(hào)處理電路功能結(jié)構(gòu)分解，包含的功能結(jié)構(gòu)都可能會(huì)產(chǎn)生故障，可以是功能性故障F也可能是全局性故障G，接下來定義各組成部分常見故障模式，具體如表1所示。

表1 故障模式清單

針對(duì)以上故障，為其設(shè)置測(cè)試項(xiàng)目：t1：DC/DC電源轉(zhuǎn)換裝置±15V DC電壓測(cè)試；t2：DC/AC模塊(函數(shù)發(fā)生器)60V AC電壓測(cè)試；t3：運(yùn)放器1輸出電壓測(cè)試；t4：旋轉(zhuǎn)變壓器輸出電壓測(cè)試；t5：標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器輸出電壓測(cè)試；t6：運(yùn)放器2輸出電壓測(cè)試；t7：相限提取電路輸出信號(hào)測(cè)試；t8：放大器放大信號(hào)測(cè)試；t9：MCU輸出信號(hào)測(cè)試。

該模塊的測(cè)試點(diǎn)為TP1～TP6，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)對(duì)應(yīng)的測(cè)試分別為：ST(TP1)={t1}；ST(TP2)={t3，t5}；ST(TP3)={t1}；ST(TP4)={t2}；ST(TP5)={t8，t9}；ST(TP6)={t4，t6，t7}。

利用TEAMS建模軟件對(duì)其建模結(jié)果如圖2所示。

圖2 信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊多信號(hào)模型示意圖

2.3 測(cè)試性分析

2.3.1靜態(tài)分析與測(cè)試性預(yù)計(jì)

首先對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)不存在冗余測(cè)試和未檢測(cè)故障，但是存在一組模糊組，如表2所示。

表2 模糊組清單

由表2看出，出現(xiàn)上述3種故障時(shí)，故障源可能在運(yùn)放器2或者相限提取電路，維修時(shí)需逐個(gè)檢測(cè)，導(dǎo)致效率低、耗時(shí)長，同時(shí)延長了停機(jī)時(shí)間。

根據(jù)對(duì)FDR和FIR指標(biāo)進(jìn)行預(yù)計(jì)報(bào)告，發(fā)現(xiàn)針對(duì)本次研究所定義故障的檢測(cè)率達(dá)到了100%，但是故障隔離率為88.89%，低于規(guī)定的測(cè)試性指標(biāo)，故障模糊數(shù)組為1.17。測(cè)試性預(yù)計(jì)總體報(bào)告如圖3所示。

圖3 測(cè)試性預(yù)計(jì)總體報(bào)告截圖

2.3.2測(cè)試性改進(jìn)

根據(jù)模糊組清單，以添加測(cè)試點(diǎn)或測(cè)試的方式，提高故障檢測(cè)與故障隔離能力。

添加的測(cè)試點(diǎn)和測(cè)試位于運(yùn)放器2輸出端。

對(duì)其測(cè)試性參數(shù)預(yù)計(jì)報(bào)告如圖4所示，針對(duì)本次研究定義的故障，其檢測(cè)率、隔離率均達(dá)到100%，并且故障模糊組為1，不存在冗余測(cè)試與未覆蓋故障。說明在添加測(cè)試點(diǎn)與測(cè)試后，信號(hào)處理電路測(cè)試性能力顯著提高。

圖4 改進(jìn)后測(cè)試性報(bào)告截圖

3 測(cè)試項(xiàng)目的BIT設(shè)計(jì)

3.1 BIT技術(shù)

機(jī)內(nèi)測(cè)試也稱為機(jī)內(nèi)自檢測(cè)，我國國軍標(biāo)將其定義為：系統(tǒng)或設(shè)備內(nèi)部提供的檢測(cè)和隔離故障的自動(dòng)測(cè)試能力。BIT設(shè)計(jì)的目的在于，通過設(shè)置用于狀態(tài)監(jiān)控、故障檢測(cè)與隔離的自檢裝置或者軟件、硬件來使裝備具有良好的測(cè)試性，使裝備本身就能夠進(jìn)行自檢工作，檢查工作是否正常或者確定出哪一部位發(fā)生了故障[10-14]。

在對(duì)BIT進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先要明確BIT設(shè)計(jì)要求及其分類關(guān)系，根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的BIT類型[15]。BIT具體分類方法有很多，按照一般論述，BIT按實(shí)現(xiàn)方式分為硬件BIT和軟件BIT；按照工作方式可分為工作前、工作中、工作后BIT；按照組成結(jié)構(gòu)分為分布式BIT和集中式BIT[2]。

本文設(shè)計(jì)中采用集中-分布式結(jié)構(gòu)，將主控單元的軟件優(yōu)勢(shì)與BIT裝置的硬件優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來，具體來說：主控單元可采用軟件或者軟硬件結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)測(cè)試的功能，很大程度上減少了硬件電路的配置，避免過度占用系統(tǒng)內(nèi)部資源；針對(duì)各功能結(jié)構(gòu)設(shè)置獨(dú)立的BIT裝置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的精確定位，減少故障檢測(cè)時(shí)間，提高故障維修效率，從而提高裝備系統(tǒng)的測(cè)試性水平[16]。圖5表示了縱橫傾信號(hào)處理電路BIT總體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5 縱橫傾信號(hào)處理電路BIT總體結(jié)構(gòu)框圖

3.2 BIT電路設(shè)計(jì)

根據(jù)上文對(duì)電路的分析，27 V DC輸入電源在電源轉(zhuǎn)換器(s1,s2)處理后輸出為±15 V DC，實(shí)際電路存在某些電子元器件比較“脆弱”，電源轉(zhuǎn)換器輸出過壓會(huì)導(dǎo)致組件中“脆弱”元件“燒壞”，輸出過低則達(dá)不到組件中部分關(guān)鍵元件工作電壓從而使組件無法正常工作，該情況下發(fā)生全局性故障G；函數(shù)發(fā)生器s3工作正常是后續(xù)“相限提取”與“幅值計(jì)算”基礎(chǔ)，發(fā)生故障會(huì)影響整個(gè)模塊功能；標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器本身可靠性很高，對(duì)其進(jìn)行BIT電路設(shè)計(jì)會(huì)占用其部分資源，影響其工作可靠性；相限提取電路與MCU實(shí)現(xiàn)功能相似，所以本文以下針對(duì)電源轉(zhuǎn)換器、函數(shù)發(fā)生器、運(yùn)放器2和相限提取電路進(jìn)行BIT電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)其自測(cè)試功能。

3.2.1電源轉(zhuǎn)換模塊自測(cè)試電路

針對(duì)電源轉(zhuǎn)換器設(shè)置工作中硬件BIT，對(duì)電源轉(zhuǎn)換模塊設(shè)置輸入電壓和輸出電壓的檢測(cè)，分別保護(hù)電源轉(zhuǎn)換器和內(nèi)部電路。在系統(tǒng)開機(jī)時(shí)自動(dòng)執(zhí)行測(cè)試項(xiàng)目，上下電壓比較器分別作為電壓過高或過低時(shí)的門限，過壓時(shí)，上電壓比較器輸出高電平，發(fā)光二極管導(dǎo)通，三極管基極獲高電平導(dǎo)通，繼電器K1動(dòng)作，使開關(guān)斷開，同時(shí)光耦向BIT主控單元發(fā)出過壓故障信號(hào)。低電平時(shí)工作原理與此相同。圖6電源轉(zhuǎn)換器左側(cè)為具體電路設(shè)計(jì)。

圖6電源轉(zhuǎn)換器右側(cè)為輸出端口自測(cè)試電路，功能為對(duì)輸出±15 V AC的檢測(cè)，穩(wěn)壓二極管負(fù)責(zé)對(duì)過壓的檢測(cè)，輸出電壓超過30 V自動(dòng)導(dǎo)通，LED3亮，VT2基極獲得高電壓并導(dǎo)通，從而線圈通電使K2斷開，光耦向BIT主控單元發(fā)送“電源轉(zhuǎn)換器故障信號(hào)”；欠壓保護(hù)電路與輸入端口BIT工作原理類似，將通過輸入端口BIT自測(cè)試的電信號(hào)作為比較基準(zhǔn)，與輸出電壓做比較。

圖6 電源轉(zhuǎn)換器自測(cè)試電路圖

電源轉(zhuǎn)換器有輸出信號(hào)，證明輸入27V通過了輸入端口的自測(cè)試，在合理范圍內(nèi)，電源轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)超出正常范圍，說明是轉(zhuǎn)換器本身出現(xiàn)故障。

3.2.2函數(shù)發(fā)生器內(nèi)建自測(cè)試電路

函數(shù)發(fā)生器3個(gè)輸出端口輸出400 Hz的交流信號(hào)，拾取輸出端3輸出交流信號(hào)，圖7為函數(shù)發(fā)生器電路原理框圖，通過集中-分布式BIT實(shí)現(xiàn)對(duì)交流信號(hào)頻率和峰值的檢測(cè)，設(shè)計(jì)方法為將3腳輸出接入單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)正弦脈沖的整流，輸出方波進(jìn)入BIT主控單元，通過程序編譯，對(duì)頻率進(jìn)行計(jì)算；3腳接入峰值檢波電路，并在輸出端設(shè)置電壓比較器，原理類似于圖6，由供電27 V電壓作為基準(zhǔn)，對(duì)幅值進(jìn)行監(jiān)測(cè)、比較，當(dāng)高于/低于規(guī)定幅值，相應(yīng)，光耦導(dǎo)通，故障信號(hào)上傳至上位機(jī)。

圖7 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器原理框圖

3.2.3相限提取電路內(nèi)建自測(cè)試電路

運(yùn)放器2對(duì)來自標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器的電信號(hào)進(jìn)行放大，通過在運(yùn)放器2輸入、輸出端口引出電信號(hào)至電壓比較電路，放大功能失效時(shí)，比較器輸出高電平，LED5亮，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。對(duì)于上下方波生成電路，由于相限提取中對(duì)方波質(zhì)量要求較高，且直接測(cè)試難度大，分別對(duì)其設(shè)置冗余BIT電路，冗余單元和被測(cè)單元接收相同的信號(hào)，同時(shí)工作，互不影響，輸出信號(hào)通過異或門進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)單元功能的檢測(cè)。具體電路設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 運(yùn)放器2及相限提取電路自測(cè)試電路圖

4 結(jié)論

針對(duì)目前縱橫傾信號(hào)處理電路測(cè)試性差、故障診斷難度大的問題，基于TEAMS構(gòu)建電路的多信號(hào)模型，根據(jù)靜態(tài)分析結(jié)果，通過在模型中添加測(cè)試點(diǎn)與測(cè)試，使對(duì)本次研究中定義的常見故障的隔離率從88.89%提升至100%，證明該方法能有效提升縱橫傾信號(hào)處理電路測(cè)試性能力與水平。

為實(shí)現(xiàn)多信號(hào)模型中部分關(guān)鍵的測(cè)試，結(jié)合不同電路的工作特點(diǎn)，選擇了合適類型的BIT設(shè)計(jì)方法；采用集中-分布式結(jié)構(gòu)，在有效降低BIT主控裝置電路配置的同時(shí)，設(shè)計(jì)的分布式BIT電路能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)故障的精確定位。有效提升該信號(hào)處理電路的測(cè)試性能力，對(duì)于指導(dǎo)裝備后期設(shè)計(jì)改進(jìn)等具有重要意義。