新型激光测距机故障诊断平台研究
新型激光测距机故障诊断平台研究
作者:万强;孙斌;韦尚方;胡婷婷
光电装备作为战场上的“感知器”, 在现代高技术战争中发挥着不可替代的重要作用[1 ] 。其技术与结构复杂程度日益增加 , 用传统人工判断的方法进行故障检测与诊断越来越困难 ,有的根本实现不了。我军现役的光电装备主要包括可见光仪器、激光目标指示器、红外热像仪、微光夜视仪 4 类 , 其现代化、自动化程度越来越高。就最典型的激光装备 ———激光测距仪机为例 , 它是集电子、光学、机械为一体 , 结构精密、工作原理复杂的光电系统 , 其故障诊断非常复杂和困难 , 装备一旦出现故障 , 无论故障大小 , 一概送厂修理 , 直接造成时间与经济的巨大损失。随着现代科学技术的飞速发展 , 适用于光电装备测试诊断的自动测试系统及设备 ( A TE) 由于军事工业和现代战争的需要而不断向前发展。A TE 是测试技术与信息处理、性能检测与故障诊断、系统辨识和参数估计、控制与决策以及人工智能等多种技术紧密结合、综合发展的产物 , 在提高武器装备的综合作战效能方面发挥了巨大作用 , 已逐步成为武器系统可靠运行的必要保证 。采用 A TE 技术可最大限度地尽快发现故障部位和故障原因 , 为尽快排除故障提供可靠依据 , 进而实现装备的智能故障诊断 , 以缩短故障诊断时间 , 保障装备的完好性。
1 设计需求
我军现役的激光测距机种类较多 , 数量较大。从电路结构看 , 各测距机大同小异 , 主要有充电电路、时序控制电路、计数电路、取样电路、接收电路和显示电路等。但电路中既有模拟信号 , 又有数字信号 ; 既有上千伏高压信号 , 又有弱信号 ;既有高精度信号模拟 , 又有复杂、繁多的各种接口[6 ] 。如何对众多的信号依次进行采集、隔离、转化、检测、综合分析、判断、给出维修方案等处理 , 是技术的重点。
基于自动测试设备 (A TE) 进行电路板测试程序集 ( Test Program Set , 简称 TPS) 的开发 , 用 TPS 对装备电路板进行自动测试 , 是解决装备维修测试的一个重要手段[7 ] 。根据电路原理和实际应用中电路已出现的故障 , 建立一个较大的故障库 , 一旦出现故障 , 直接从库中对比特征 , 找出对应的故障原因。这种方法便于计算机化 , 做智能化判断时较多使用 , 但故障库的完整性和故障特征的准确性、代表性是方法的难点问题。TPS 的开发是一个劳动力高度密集的过程 , 需要精通装备电路原理的高水平技术人员模拟所有可能发生故障的情况 ,开发离散的测试路径来确保故障传播。这个过程需要耗费大量的财力 , 当系统复杂性增加的时候 , 这种理解逻辑线路的能力有时超出了人脑的分析思考能力。
基于上述原因 , 需要开发出一种全新的激光测距机 A TE智能诊断开发应用平台 , 充分发挥 A TE 在光电装备保障中的重要作用。
2 方案设计
2.1 设计的基本准则及方法
2.1.1 基本准则
对激光测距机电路进行诊断 , 应遵循以下的基本准则 :
(1) 真实性 : 被检测的电路信号应同实际工作时的信号一致。
(2) 安全性 : 被检仪器的任何故障 ,不能导致系统的损坏 ; 系统的任何误操作 , 不能导致被检仪器的损坏或故障扩大。
(3) 易用性 : 操作简单易用 , 检测结果直观易懂 , 维修方案便于实施。
2.1.2 信号的检测方法
基本准则的制定给系统的研制增加了技术难度 , 所以实现方法的选择十分重要。被检测激光测距机的种类较多 , 厂家较多 , 执行标准各不相同。采用直接在装备工作时在线检测信号的方法 , 会造成接口设计复杂 , 通用性差 , 安全性差 , 几乎难以实现。因此 , 采用离线式的检测方法较为可取。在不破坏电路板内元件的前提下 , 利用电路板间的接插口 , 直接由系统提供给电路板实际工作时相同的激励信号 , 以输出端口实际输出信号的正确性来判断电路板的好坏。
2.1.3 故障分析的方法
故障分析是依据信号检测的结果来判断电路板的好坏以及可能的故障元件] 。这一过程需要一定的智能分析 , 如果在检测平台上进行分析 , 则需要较高的 CPU 速度和较大的存储空间 , 对降低检修仪的成本不利。因此 , 采用将检测结果上传到上位机上进行 , 既可降低成本、保持好的通用性 , 又能充分发挥微机强大的软件功能 , 有利于功能的完善和升级。
常用的故障分析法有故障树法、故障库法、相关加权法和经验法 4 种 。本研究中根据装备的不同采用了不同的方法 ,并将这些方法进行了综合利用。对装备年代早、维修记录多 ,有较为完整的故障库和丰富维修经验的装备 , 分析判断时以故障库法为基础形成智能分析主体工作流程 , 再结合经验法提高分析判断的准确性 ; 对于新装备 , 一般采用基于可靠性为中心的维修 (RCM) 模式进行故障分析。
2.2 方案原理
该平台针对军用激光测距机 , 能够实时、快速、有效地实现故障检测、信息传递、诊断分析、故障定位、维修方案确定等过程自动化 , 最终以形象直观的方法指导普通技术人员对电路故障进行元件级的诊断与维修。主要由 PC 机和下位机组成 , PC 机主要完成对检测结果的分析、判断 , 从而定位故障部位 , 并给出维修方案。下位机基于 MHS80C32 + CPLD 结构 , 主要由 MCU 、CPLD、多信号处理及分配单元、转接电路、专家故障诊断修理软件等部分组成。PC 机和下位机之间采用串行接口通信 , 方案原理如图 2 所示。
其具体工作过程为 : 被检整机利用其外接接口、单板利用其现有插座或插针 , 通过转接电缆连接或直接连接到转接盒 ,转接电路采集整机和单元电路信号并进行预处理 , 实现降压、隔离、锁存、延时、触发、整形的功能。多信号综合处理单元将多路复杂信号按自定义的“资源分配协议”进行归类综合处理 , 通过运放驱动、门阵或光电耦合器驱动、开关控制等过程转化为标准、可控制 TTL 信号。CPLD 对多种输入/ 输出 TTL信号实现数字信号的采集与控制 ; 实现数据缓存、控制逻辑、地址译码 ; 实现模拟激光脉冲的发生 ; 实现多信号、并行、分时控制并以总线 ( PC - BUS) 结构形式直接通信给 MCU 。 MCU 完成数据运算及程序控制、提供人机交互与通讯 , 并将测试结果通过 RS232 接口发送给 PC 机。
2.3 软件设计
该平台的软件设计是本研究的重点 , 主要完成人机交互、控制硬件、自动检测、信息通讯、分析判断、提供维修方案等功能。主要包括 MCU 单片机软件、CPLD 软件和专家诊断修理软件 3 部分。
2.3.1 MCU 单片机软件设计
该程序实现了基于 M HS80C32 + CPLD 硬件平台在 320 × 240 LCD 上显示的界面 , 并且在这个软件界面平台上实现了多种信号的检测和判断。程序不但可以自动检测各种类型激光测距机的单板 , 而且可以在工装模式下提供各种信号和检测数据。自动检测时 , 对单板各个故障点逐一扫描 , 并把检测的结果显示在 LCD 上直观明了地让检测人员判断了解 ; 工装模式下提供电源、脉冲和电平 , 让检修人员能够方便快捷地定位故障点 , 同时检测时也有数据显示在 LCD 上 , 可以做到部分摆脱万用表和示波器。
程序还做到了和 PC 机 (上位机) 通讯 , 在单板自动检测时 , 检测的结果不仅显示在 LCD 上 , 还通过串口传送到了上位机。上位机接收软件也会弹出和 L CD 上所显示的一样的消息 , 用户此时双击故障名称 , 即会弹出 FLASH 专家诊断包以指导维修人员修理。
2.3.2 CPLD 软件设计
系统主机中使用了两片 CPLD , 一片用于各种控制信号的处理 , 一片用于显示译码波形的处理。其软件设计采用 Veril2 og HDL 语言编制而成[10 ] , 主要完成以下功能 :
(1) 完成 CPLD 管脚的定义。两片 CPLD 有 176 个 I/ O口 , 每个 I/ O 口具体完成的功能由软件来定义。
(2) 完成高精度的激光回波信号的模拟。激光测距机是通过发射脉冲激光 , 激光在空间传输过程中 , 遇到目标反射回来 , 测出往返时间来计算测量点与目标的距离。在电路上表现为产生几个脉冲信号 , 为测定电路的计算精度 , 需要这几个脉冲信号间隔非常稳定 , 这些脉冲信号就由 CPLD 产生。
(3) 完成地址读写控制 , 实现数据的暂存与传送。MCU的地址总线较少 , 不能直接完成较多信号的读写。因此 , MCU 通过控制 CPLD , 由 CPLD 完成信号的选择 , 读取数据 ,传送给 MCU。
2.3.3 故障诊断软件设计
该软件主要完成指导维修人员对故障装备进行元件级修理的功能。通过串口接收故障检修仪主机上传的检测信息 , 根据维修专家的经验和实际维修故障统计 , 对检测信息进行综合分析判断 , 找出最可能的故障单元或元件 ; 给出故障代码和故障名称 , 并根据维修人员需要调出多媒体修理指导软件 ( Flash或 VB) , 形象直观地指导维修人员逐步操作 , 直到故障排除为止。它集中了多位维修专家丰富的维修经验和实践 , 并用最直观方式表现出来。其设计原理如图 4 所示。
4 结束语
本文介绍的具备激光测距机智能诊断功能的 A TE 测试平台 , 采用了先进的诊断思想 , 在解决激光测距机接口复杂、提高 TPS 开发效率、降低维修人员技术要求等方面做了积极探索。它将检测信号分析、维修经验结合的专家智能分析系统和多媒体展现的维修指导方案三者有机结合为一体 , 改变了过去检测与维修分开的传统模式 , 对于进一步发展和完善具有我军特色的高性能维修测试系统 , 提高现代高技术条件下局部战争的野战抢修、应急机动保障能力 , 尽快恢复、持久保持光电装备的综合战斗力 , 具有积极意义。
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