工程裝備電控系統(tǒng)故障檢測(cè)技術(shù)研究

楊志英， 張建華

（1.陸軍裝備部裝備項(xiàng)目管理中心， 北京 100072；2.中國(guó)人民解放軍第6411 工廠， 河北 石家莊 050200）

0 引言

工程裝備電控系統(tǒng)及其總線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)遍布于工程裝備各個(gè)部位，可視為工程裝備的“大腦”“神經(jīng)”與“感知器官”，是工程裝備集成化、智能化與綜合化的關(guān)鍵。電控系統(tǒng)中各種部件的控制單元（ECU）很多，各控制單元之間通過(guò)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接。由于工程裝備的作業(yè)裝置和底盤(pán)行駛系統(tǒng)互相之間具有一定的獨(dú)立性，一般情況下其電控系統(tǒng)或電氣系統(tǒng)可分為底盤(pán)（車(chē)電）系統(tǒng)和上裝（作業(yè)）控制系統(tǒng)兩部分。如某型橋梁裝備其電氣系統(tǒng)分別由車(chē)電系統(tǒng)和架設(shè)控制系統(tǒng)組成，車(chē)電系統(tǒng)的各個(gè)CPU 通過(guò)CAN 總線(xiàn)構(gòu)成測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，各子網(wǎng)的通信協(xié)議也可能有所不同，如乘員艙采集控制器、動(dòng)力艙采集控制器和駕駛員顯控終端等單元構(gòu)成的車(chē)電子網(wǎng)，其各個(gè)ECU 間信號(hào)傳輸協(xié)議為CAN2.0A 標(biāo)準(zhǔn)幀協(xié)議。發(fā)動(dòng)機(jī)ECU 協(xié)議則為SAE J1939 協(xié)議（CAN2.0B 擴(kuò)展幀）。電控系統(tǒng)中的有些CPU 同時(shí)承擔(dān)網(wǎng)關(guān)功能，負(fù)責(zé)這些不同子網(wǎng)、不同協(xié)議之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)傳輸。工程裝備的作業(yè)控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)大多采用CANopen 通信協(xié)議，其波特率為250 kbit/s，CAN ID 采用CAN2.0A 標(biāo)準(zhǔn)幀格式。由此可見(jiàn)，工程裝備電控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)較之通用車(chē)輛電控總線(xiàn)更為復(fù)雜一些。

因此，本文研究開(kāi)發(fā)基于工控機(jī)及嵌入式系統(tǒng)的故障檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)CAN 總線(xiàn)及其他測(cè)試接口獲取工程裝備電控系統(tǒng)的工況參數(shù)信息，對(duì)所獲取的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)工程裝備電控系統(tǒng)故障的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警、預(yù)測(cè)診斷與離線(xiàn)分析等功能。該故障檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)Πl(fā)現(xiàn)的故障進(jìn)行隔離，指導(dǎo)使用維修人員針對(duì)可能的故障部位進(jìn)行深入檢測(cè)，這樣即使使用人員對(duì)工程裝備電控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)并不特別熟悉的情況下，也能夠快速、正確、高效地對(duì)故障進(jìn)行快速定位、隔離、檢測(cè)與診斷，提高裝備維修效率，促使裝備性能快速恢復(fù)，發(fā)揮工程裝備的作戰(zhàn)保障能力。

1 電控系統(tǒng)故障檢測(cè)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

電控系統(tǒng)故障檢測(cè)模式主要有兩種，一是通過(guò)CAN 總線(xiàn)在線(xiàn)采集電控系統(tǒng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上的報(bào)文信息，監(jiān)測(cè)、診斷與顯示電控系統(tǒng)各個(gè)組件（單元）的工作狀態(tài)與故障情況，這種檢測(cè)模式是通過(guò)上位機(jī)、CAN 總線(xiàn)分析儀接入架設(shè)系統(tǒng)CAN 總線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)；二是架設(shè)電控系統(tǒng)故障的離線(xiàn)模擬檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)方法是將架設(shè)電控系統(tǒng)的箱組（單元、傳感器等）從裝備上拆解下來(lái)，將其與檢測(cè)適配器通過(guò)電纜或工裝連接起來(lái)，由接口適配器提供激勵(lì)信號(hào)和其工作所需的輸入信號(hào)，測(cè)取電控單元的輸出信號(hào)，據(jù)此進(jìn)行電控單元工作狀態(tài)的判斷和故障診斷，這種離線(xiàn)模擬診斷方法無(wú)法對(duì)所有電控單元進(jìn)行檢測(cè)與診斷，但可以實(shí)現(xiàn)部分單元的故障檢測(cè)。

1.1 檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

某型裝備故障檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)采集該裝備架設(shè)控制系統(tǒng)（上裝電控系統(tǒng)）通信網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)CAN1 和CAN2的報(bào)文信息，以及車(chē)電系統(tǒng)（主要是發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)和駕駛員任務(wù)終端）CAN2.0B 協(xié)議報(bào)文，實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁裝備動(dòng)力系統(tǒng)、架設(shè)控制系統(tǒng)各組件（單元）故障狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、診斷和維修與排除的可視化指導(dǎo)。對(duì)于非總線(xiàn)信號(hào)器件故障的檢測(cè)，如傳感器供電線(xiàn)路、行程開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)、模擬量傳感器、轉(zhuǎn)速/里程傳感器的脈沖信號(hào)、溫度傳感器等，則設(shè)計(jì)了專(zhuān)用的適配器模塊和電纜、連接工裝等。

因此，故障檢測(cè)系統(tǒng)主要由工控機(jī)（筆記本電腦）、檢測(cè)適配器、CAN 總線(xiàn)分析儀、信號(hào)連接裝置和其他附件等組成。其中，工控機(jī)是檢測(cè)系統(tǒng)的硬件控制平臺(tái)，其上安裝有故障檢測(cè)分析和可視化維修指導(dǎo)軟件，是系統(tǒng)的用戶(hù)接口設(shè)備，承擔(dān)人機(jī)交互功能。適配器主要用于測(cè)試對(duì)象（傳感器等）信號(hào)的多路轉(zhuǎn)換、信號(hào)調(diào)理與信號(hào)轉(zhuǎn)換等，是電控系統(tǒng)各個(gè)檢測(cè)對(duì)象傳感器與工控機(jī)之間的連接橋梁。CAN 總線(xiàn)分析儀主要用于采集橋梁裝備電控系統(tǒng)CAN 總線(xiàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行電控系統(tǒng)各個(gè)箱組（單元）的故障狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷。檢測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 故障檢測(cè)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

1.2 接口適配器設(shè)計(jì)

接口適配器主要由機(jī)箱、電纜連接面板、內(nèi)部調(diào)理模塊和信號(hào)連接插座等構(gòu)成，如圖2 所示。

圖2 接口適配器組成結(jié)構(gòu)

接口適配器的核心控制單元是PIC 單片機(jī)，其外圍電路包括電源控制電路、數(shù)字信號(hào)調(diào)理電路、模擬信號(hào)調(diào)理電路、通信電路模塊等。故障檢測(cè)診斷平臺(tái)（工控機(jī)或筆記本）與適配器連接時(shí)，其作為上位機(jī)與接口適配器內(nèi)部的通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。通信模塊將上位機(jī)指令/數(shù)據(jù)解析傳送至單片機(jī)，再由單片機(jī)通過(guò)I2C 總線(xiàn)協(xié)調(diào)和控制各外圍模塊，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的檢測(cè)、處理與傳遞。

本文以傳感器供電電壓/電流狀態(tài)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)為例，闡述其設(shè)計(jì)過(guò)程。接口適配器提供了2 路完全相同的傳感器供電（電壓/電流）的檢測(cè)電路，用于檢測(cè)橋梁裝備電控系統(tǒng)中的熱電阻傳感器、壓力傳感器等模擬量傳感器的供電電壓和電流的狀態(tài)。圖3是其檢測(cè)電路原理，該電路可分為兩部分，即電流檢測(cè)電路和電壓檢測(cè)電路。采樣信號(hào)從XS3-9 和XP3-9 接入，輸入信號(hào)的電流大小由上部的R101 精密電流采樣電阻（0.5 Ω/1 W）和U3A 運(yùn)算放大器構(gòu)成的I/V 變換電路進(jìn)行調(diào)理，將電流轉(zhuǎn)換為電壓值輸入到單片機(jī)內(nèi)置的A/D 轉(zhuǎn)換器輸入端AN0/RA0，單片機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)換值判斷供電電流的工作情況。采樣信號(hào)的電壓值則是通過(guò)R108、R109 分壓電路分壓后，經(jīng)U3B 運(yùn)算放大器構(gòu)成的射隨器輸入到單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器輸入端AN1，單片機(jī)根據(jù)AN1 的轉(zhuǎn)換值判斷供電電壓的狀態(tài)。D101、D102 兩個(gè)穩(wěn)壓管用于將A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓限制在5 V 以?xún)?nèi)，以保護(hù)單片機(jī)不會(huì)被尖峰干擾脈沖或過(guò)高的輸入電壓損壞。

圖3 傳感器供電電壓/電流狀態(tài)檢測(cè)電路

2 故障檢測(cè)系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

故障檢測(cè)軟件由兩大部分組成，即基于CAN 總線(xiàn)的電控系統(tǒng)箱組（單元、傳感器）在線(xiàn)故障狀態(tài)監(jiān)測(cè)和離線(xiàn)故障檢測(cè)與分析。在線(xiàn)監(jiān)測(cè)部分采用Lab-VIEW 基于數(shù)據(jù)流編程技術(shù)、模塊化技術(shù)和虛擬儀器VI 技術(shù)實(shí)現(xiàn)；離線(xiàn)故障檢測(cè)模塊采用LabWindows/CVI、工作流、結(jié)構(gòu)化和系統(tǒng)集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)。軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 電控系統(tǒng)故障檢測(cè)軟件總體結(jié)構(gòu)

2.2 主調(diào)模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

故障檢測(cè)程序是一個(gè)多線(xiàn)程、多功能和多界面的模塊化程序，為協(xié)調(diào)和控制程序運(yùn)行中的各個(gè)進(jìn)程與線(xiàn)程的有序運(yùn)行，首先設(shè)計(jì)了程序的運(yùn)行框架和主流程，如圖5 所示。編程時(shí)用主調(diào)模塊實(shí)現(xiàn)程序的流程控制和線(xiàn)程管理。

圖5 主調(diào)模塊運(yùn)行流程

故障檢測(cè)程序是一個(gè)多線(xiàn)程、多功能和多界面的模塊化程序，為協(xié)調(diào)和控制程序運(yùn)行中的各個(gè)進(jìn)程與線(xiàn)程的有序運(yùn)行，首先設(shè)計(jì)了程序的運(yùn)行框架和主流程。編程時(shí)用主調(diào)模塊實(shí)現(xiàn)程序的流程控制和線(xiàn)程管理。

2.3 用戶(hù)界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

以CAN 總線(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)部件監(jiān)測(cè)模塊為例，闡述故障檢測(cè)軟件的界面設(shè)計(jì)。該模塊可監(jiān)測(cè)架設(shè)電控系統(tǒng)及底盤(pán)車(chē)電系統(tǒng)的控制總線(xiàn)、任務(wù)總線(xiàn)的工作狀態(tài)，檢測(cè)CAN1 和CAN2 總線(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸情況、幀速率與校驗(yàn)錯(cuò)誤等信息，能夠精確地判定CAN 總線(xiàn)的故障狀態(tài)。在總線(xiàn)通信狀態(tài)監(jiān)測(cè)的同時(shí)，該模塊可診斷通信總線(xiàn)上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，包括顯示終端、指控計(jì)算機(jī)、1號(hào)控制箱、主控盒、移動(dòng)操縱盒、閥組箱、2 號(hào)控制箱及部分傳感器的故障情況，其界面如圖6 所示。

圖6 CAN 總線(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)部件故障檢測(cè)界面

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究開(kāi)發(fā)基于工控機(jī)、嵌入式系統(tǒng)、虛擬儀器技術(shù)和總線(xiàn)技術(shù)的故障檢測(cè)技術(shù)及檢測(cè)設(shè)備，通過(guò)CAN 總線(xiàn)或其他測(cè)試接口獲取工程裝備電控系統(tǒng)的工況參數(shù)信息，對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)工程裝備電控系統(tǒng)故障的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警、預(yù)測(cè)診斷與離線(xiàn)分析等功能。所研制的故障檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)收线M(jìn)行隔離，指導(dǎo)使用維修人員針對(duì)可能的故障部位進(jìn)行深入檢測(cè)，在使用人員對(duì)工程裝備電控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)并不特別熟悉的情況下，也能夠快速、正確、高效地對(duì)電控系統(tǒng)故障進(jìn)行定位、隔離、檢測(cè)與診斷，提高裝備維修效率，促使裝備性能的快速恢復(fù)，以更好地發(fā)揮工程裝備的作戰(zhàn)保障能力。