基于虛擬儀器的遠(yuǎn)控系統(tǒng)自動測試技術(shù)

虛擬儀器技術(shù)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，是當(dāng)今自動測試領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)。其核心是利用飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)，通過共享計(jì)算機(jī)內(nèi)部的軟、硬件資源，編制、運(yùn)行儀器軟件，建立圖形環(huán)境和在線幫助機(jī)制，完成數(shù)據(jù)分析和處理功能，用靈活的虛擬軟面板實(shí)現(xiàn)儀器的激勵(lì)、測試和控制功能[1,2]。

潛艇主機(jī)遠(yuǎn)控系統(tǒng)是潛艇主機(jī)的自動控制、狀態(tài)監(jiān)測和安全保護(hù)設(shè)備，是潛艇主動力系統(tǒng)的核心部件，它對潛艇動力系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行十分重要，關(guān)系到整艘潛艇的安全性，是保證潛艇在航率和完成戰(zhàn)斗使命的關(guān)鍵因素。因此，無論是在設(shè)計(jì)制造階段，還是在潛艇服役后的各等級維修階段，都必須對潛艇主機(jī)遠(yuǎn)控系統(tǒng)的各項(xiàng)功能進(jìn)行全面的測試，使其滿足戰(zhàn)技術(shù)要求。目前國內(nèi)進(jìn)行測試時(shí)只能采用人工操縱、經(jīng)驗(yàn)判別的方式，過程復(fù)雜且工作效率低。這種測試方法已經(jīng)跟不上現(xiàn)代裝備維修保障工作的需要，更無法滿足現(xiàn)代高新技術(shù)裝備的測試要求[3]。有鑒于此，本文結(jié)合虛擬儀器的思想，研究了構(gòu)建自動測試系統(tǒng)的具體過程，分析了實(shí)現(xiàn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)，并研制出了某型潛艇主機(jī)遠(yuǎn)控系統(tǒng)的自動測試系統(tǒng)。

1測試需求分析和總體方案設(shè)計(jì)

1.1測試需求分析

根據(jù)主機(jī)遠(yuǎn)控系統(tǒng)的工作環(huán)境和測試工作的需要，所設(shè)計(jì)的自動測試系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：

1）測試系統(tǒng)本身的自檢自校能力。

2）程序化自動測試和人工輔助測試功能。

3）能提供被測設(shè)備及其部件正常工作和故障診斷所需的激勵(lì)信號、模擬負(fù)載等環(huán)境條件。

4）能對主機(jī)遠(yuǎn)控系統(tǒng)進(jìn)行功能檢測和性能測試，測試結(jié)果應(yīng)能直觀地顯示。

5）具有信號處理、故障分析、故障定位能力，故障點(diǎn)定位要盡可能具體、正確。

結(jié)合裝備的實(shí)際情況[1,3]，對自動測試系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該遵循以下基本原則：

1）以滿足部隊(duì)作戰(zhàn)需求、進(jìn)步戰(zhàn)斗力為基本目標(biāo)，保障武器裝備系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性，進(jìn)步可測試性和可維修性。

2）從軍用武器系統(tǒng)的角度出發(fā)，在ATS各層次、全壽命各階段堅(jiān)持通用化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)原則，降低全壽命周期用度、縮短研制周期。

3）應(yīng)用模塊化的商品及其技術(shù)，采用集成化的構(gòu)造方式，確保系統(tǒng)的先進(jìn)性、開放性、擴(kuò)展性，保證測試系統(tǒng)本身的可靠性和長期穩(wěn)定性。

4）應(yīng)用人工智能技術(shù)，研究故障診斷理論和方法，進(jìn)步故障診斷和隔離水平，建立有效的故障診斷系統(tǒng)。

1.2自動測試系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

自動測試系統(tǒng)的基本思想是：向被測對象送出測試矢量，接收對象在該測試矢量激勵(lì)下的響應(yīng)信息，再根據(jù)激勵(lì)與響應(yīng)之間的關(guān)系分析并“決策”和“產(chǎn)生”下一個(gè)激勵(lì)信號，如此進(jìn)行下往，最后對激勵(lì)序列和響應(yīng)序列進(jìn)行分析和處理，判定被測試對象的功能是否正常，進(jìn)而進(jìn)行故障分析和故障定位。

在具體分析主機(jī)遠(yuǎn)控系統(tǒng)的工作原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)外自動測試技術(shù)的先進(jìn)思想[4～6]，根據(jù)測試需求，確定本文研究的自動測試系統(tǒng)的總體測試方案如下：

1）整機(jī)性能測試。針對控制系統(tǒng)整機(jī)的所有工作狀態(tài)，仿真整個(gè)控制系統(tǒng)的所有輸進(jìn)信號，檢測其輸出信號，判定整機(jī)功能是否正常，如有故障，初步確定系統(tǒng)的故障性質(zhì)與部位。

2）分機(jī)性能測試。根據(jù)各分機(jī)的工作原理和功能，仿真各分機(jī)的所有輸進(jìn)信號，檢測其輸出信號，判定各分機(jī)的功能是否正常。

3）故障設(shè)備的故障診斷。在工控機(jī)的控制下，根據(jù)需要向故障設(shè)備送出故障診斷激勵(lì)矢量，通過采集關(guān)鍵電子元器件的響應(yīng)信號，運(yùn)用公道的故障診斷方法尋找故障源，將故障定位到回路，并盡可能定位到元器件。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1遠(yuǎn)控系統(tǒng)硬件組成

潛艇主機(jī)遠(yuǎn)控系統(tǒng)由原動機(jī)遠(yuǎn)控裝置、離合器保護(hù)和信號裝置、電源和信號裝置、原動機(jī)狀態(tài)復(fù)示裝置組成，各部分的連接關(guān)系及與潛艇上其它設(shè)備的連接關(guān)系如圖1所示。虛線部分為潛艇主機(jī)遠(yuǎn)控系統(tǒng)。

遠(yuǎn)控系統(tǒng)各部分的主要功能如下：

1）原動機(jī)遠(yuǎn)控裝置。在原動機(jī)處于遠(yuǎn)控狀態(tài)時(shí)，完成原動機(jī)的盤車、吹車、啟動、調(diào)速、正常停車、應(yīng)急調(diào)節(jié)器停車、應(yīng)急保護(hù)停車等功能，顯示原動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警信號、停機(jī)信號，并與離合器保護(hù)和信號裝置一起對原動機(jī)進(jìn)行安全保護(hù)。

2）離合器保護(hù)和信號裝置。顯示氣動輪胎離合器的狀態(tài)，接受全艇控制系統(tǒng)的信號并向其反饋信號，與原動機(jī)遠(yuǎn)控裝置一起對原動機(jī)進(jìn)行安全保護(hù)，并與電源和信號裝置一起控制整個(gè)遠(yuǎn)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

3）電源和信號裝置。將潛艇所供的電源處理后，根據(jù)遠(yuǎn)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)將電源分配到其它裝置，并與離合器保護(hù)和信號裝置一起控制整個(gè)遠(yuǎn)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

4）原動機(jī)狀態(tài)復(fù)示裝置。根據(jù)原動機(jī)遠(yuǎn)控裝置中各量的狀態(tài)對原動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警信號、停機(jī)信號等進(jìn)行復(fù)示。

圖1遠(yuǎn)控系統(tǒng)組成及與其它設(shè)備的連接關(guān)系

圖2自動測試系統(tǒng)硬件組成示意圖

2.2自動測試系統(tǒng)硬件組成

虛擬儀用具有硬件少、體積小、重量輕、功能強(qiáng)、可擴(kuò)充性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)儀器一樣，虛擬儀器可以劃分為數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)分析與處理、結(jié)果表達(dá)與輸出三大功能模塊。結(jié)合虛擬儀器的思想[2,7]，設(shè)計(jì)自動測試系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)方案如圖2所示。

圖2中被測試對象是待測試的遠(yuǎn)控系統(tǒng)整機(jī)或者某一分機(jī)。電源電路向遠(yuǎn)控系統(tǒng)和信號調(diào)理電路供電，其中遠(yuǎn)控系統(tǒng)需要的是特殊的電源，需要購買專門的電源或者自行設(shè)計(jì)電源變換電路。

為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)控系統(tǒng)整機(jī)或分機(jī)的自動測試，需要為其設(shè)計(jì)專門的接口電路和信號調(diào)理電路，信號發(fā)生器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和被測試對象之間的所有信號都通過它傳遞，其主要作用有：①將信號發(fā)生器發(fā)出的信號（模擬量、數(shù)字量等）根據(jù)需要轉(zhuǎn)換成遠(yuǎn)控系統(tǒng)所能接受的信號;②將遠(yuǎn)控系統(tǒng)產(chǎn)生的信號（模擬量、數(shù)字量等）轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)采集設(shè)備所能接受的信號。

信號發(fā)生器的主要作用是：在工控機(jī)的控制下產(chǎn)生相應(yīng)的信號，經(jīng)信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換后送到遠(yuǎn)控系統(tǒng)，即產(chǎn)生激勵(lì)矢量。

數(shù)據(jù)采集設(shè)備的主要作用是：在工控機(jī)的控制下，采集遠(yuǎn)控系統(tǒng)在激勵(lì)矢量作用下的響應(yīng)信號（經(jīng)過信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換），然后將信號送到工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。

工控機(jī)在軟件的指揮下控制整個(gè)自動測試系統(tǒng)的運(yùn)行，也是人機(jī)交互的主要途徑，它根據(jù)需要控制信號發(fā)生器向遠(yuǎn)控系統(tǒng)發(fā)出激勵(lì)矢量，同時(shí)將遠(yuǎn)控系統(tǒng)的響應(yīng)矢量進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，判定被測對象的功能是否正常并對其進(jìn)行故障診斷，最后將判定結(jié)果及診斷信息通過顯示設(shè)備進(jìn)行顯示或通過打印機(jī)進(jìn)行打印。

3自動測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

虛擬儀器的軟件開發(fā)環(huán)境目前主要有兩類：一類是文本式的編程語言，如VisualC++、VisualBasic、C++、LabWindows/CVI等;另一類是圖形化編程語言，具有代表性的有LabVIEW、HPVEE等[8]。圖形化編程語言和文本式編程語言相比，具有編程簡單、直觀、開發(fā)效率高的特點(diǎn);而文本式編程語言靈活性較好，用戶可以靈活的添加功能，而且比圖形化編程軟件開發(fā)本錢低。考慮到本自動測試系統(tǒng)有大量的信號仿真、信號檢測、數(shù)據(jù)處理，而且需要有大量的圖形界面處理，選擇LabVIEW作為軟件開發(fā)平臺。程序框圖如圖3所示。

圖3自動測試系統(tǒng)軟件程序框圖

圖4自動測試系統(tǒng)主界面

系統(tǒng)開機(jī)后，首先進(jìn)行測試系統(tǒng)本身的自檢，如無異常，進(jìn)進(jìn)自動測試系統(tǒng)主界面，如圖4所示。用戶可以根據(jù)需要選擇測試方案，測試方案分為以下三種：

1）整機(jī)功能測試。點(diǎn)擊主界面上的“整機(jī)功能測試”按鈕進(jìn)進(jìn)整機(jī)功能測試主界面。當(dāng)控制系統(tǒng)的所有設(shè)備正常連接時(shí)，針對控制系統(tǒng)整體的所有功能（電源變換功能、信號指示功能、原動機(jī)控制功能、遠(yuǎn)控和保護(hù)功能），仿真模擬被控對象的工作過程，按照程序設(shè)置送給控制系統(tǒng)所需的輸進(jìn)信號，檢測其輸出信號，根據(jù)輸進(jìn)矢量和輸出矢量之間的關(guān)系判定整機(jī)功能是否正常。假如功能測試不正常，則控制系統(tǒng)有故障，將故障定位到分機(jī)。

2）分機(jī)功能測試。在“分機(jī)功能”測試區(qū)點(diǎn)擊分機(jī)名稱按鈕進(jìn)進(jìn)相應(yīng)分機(jī)的測試界面。根據(jù)該分機(jī)的工作原理和功能，仿真模擬被控對象的工作過程和與其相聯(lián)系的其它分機(jī)的耦合信號，按照程序設(shè)置送給該分機(jī)所需的輸進(jìn)信號，檢測其輸出信號，根據(jù)輸進(jìn)矢量和輸出矢量之間的關(guān)系判定該分機(jī)功能是否正常。若不正常，則該分機(jī)有故障，視具體情況可以初步確定該分機(jī)的故障性質(zhì)和故障部位。

3）故障設(shè)備的故障診斷。當(dāng)通過“整機(jī)功能測試”或“分機(jī)功能測試”判定出某個(gè)分機(jī)故障時(shí)，就要對該分機(jī)進(jìn)行具體的故障診斷。故障診斷時(shí)可以采用各種公道、先進(jìn)的故障診斷方法搜尋故障的原因，盡可能將故障定位到元器件，進(jìn)步故障診出率，并盡量減少漏報(bào)和誤報(bào)現(xiàn)象。本系統(tǒng)中采用以故障樹分析法為主、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理為輔的診斷方法。對故障設(shè)備故障樹的構(gòu)造，采取理論與實(shí)踐相結(jié)合的方法，即在具體分析其工作原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合大量的人工診斷的經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)造公道的故障樹。故障診斷時(shí)，先將故障樹結(jié)構(gòu)存進(jìn)計(jì)算機(jī)中，然后采取自上而下的方式進(jìn)行故障搜尋和定位，測試時(shí)，工控機(jī)根據(jù)需要不斷向故障設(shè)備送出故障激勵(lì)矢量，同時(shí)采集關(guān)鍵電子元器件的響應(yīng)矢量，根據(jù)激勵(lì)矢量和響應(yīng)矢量的關(guān)系進(jìn)行故障定位。當(dāng)需要輔助推理時(shí)，采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理方法，終極搜尋到故障的真正原因。當(dāng)需要人工輔助時(shí)，軟件會提示用戶進(jìn)行輔助測試，并提示人工輔助的方法。

4結(jié)論

本文具體分析了構(gòu)建基于虛擬儀器的自動測試系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，研究了實(shí)現(xiàn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)。并以LabVIEW為開發(fā)環(huán)境，開發(fā)出了某型潛艇主機(jī)遠(yuǎn)控系統(tǒng)的自動測試系統(tǒng)，該自動測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)控系統(tǒng)整機(jī)和各分機(jī)的性能測試，并能夠?qū)收显O(shè)備進(jìn)行具體的故障診斷。實(shí)際使用表明，該自動測試系統(tǒng)功能完善、界面直觀、操縱簡便、故障診出率高。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：

1）研究了將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)控系統(tǒng)自動測試過程中的關(guān)鍵技術(shù)。

2）通過公道整合軟、硬件資源，將上述技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際，研制出了某型遠(yuǎn)控系統(tǒng)整機(jī)和各分機(jī)的自動測試系統(tǒng)。

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