基于虛擬儀器的遠控系統(tǒng)自動測試技術(shù)

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

潛艇主機遠控系統(tǒng)是潛艇主機的自動控制、狀態(tài)監(jiān)測和安全保護設(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，都必須對潛艇主機遠控系統(tǒng)的各項功能進行全面的測試，使其滿足戰(zhàn)技術(shù)要求。目前國內(nèi)進行測試時只能采用人工操縱、經(jīng)驗判別的方式，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，分析了實現(xiàn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)，并研制出了某型潛艇主機遠控系統(tǒng)的自動測試系統(tǒng)。

1測試需求分析和總體方案設(shè)計

1.1測試需求分析

根據(jù)主機遠控系統(tǒng)的工作環(huán)境和測試工作的需要，所設(shè)計的自動測試系統(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信號、模擬負載等環(huán)境條件。

4）能對主機遠控系統(tǒng)進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，故障點定位要盡可能具體、正確。

結(jié)合裝備的實際情況[1,3]，對自動測試系統(tǒng)進行設(shè)計時，應(yīng)該遵循以下基本原則：

1）以滿足部隊作戰(zhàn)需求、進步戰(zhàn)斗力為基本目標，保障武器裝備系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性，進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、全壽命各階段堅持通用化、系列化、標準化的設(shè)計原則，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)的先進性、開放性、擴展性，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

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下的響應(yīng)信息，再根據(jù)激勵與響應(yīng)之間的關(guān)系分析并“決策”和“產(chǎn)生”下一個激勵信號，如此進行下往，最后對激勵序列和響應(yīng)序列進行分析和處理，判定被測試對象的功能是否正常，進而進行故障分析和故障定位。

在具體分析主機遠控系統(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）整機性能測試。針對控制系統(tǒng)整機的所有工作狀態(tài)，仿真整個控制系統(tǒng)的所有輸進信號，檢測其輸出信號，判定整機功能是否正常，如有故障，初步確定系統(tǒng)的故障性質(zhì)與部位。

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

3）故障設(shè)備的故障診斷。在工控機的控制下，根據(jù)需要向故障設(shè)備送出故障診斷激勵矢量，通過采集關(guān)鍵電子元器件的響應(yīng)信號，運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

2.1遠控系統(tǒng)硬件組成

潛艇主機遠控系統(tǒng)由原動機遠控裝置、離合器保護和信號裝置、電源和信號裝置、原動機狀態(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遠控系統(tǒng)。

遠控系統(tǒng)各部分的主要功能如下：

1）原動機遠控裝置。在原動機處于遠控狀態(tài)時，完成原動機的盤車、吹車、啟動、調(diào)速、正常停車、應(yīng)急調(diào)節(jié)器停車、應(yīng)急保護停車等功能，顯示原動機的運行狀態(tài)、報警信號、停機信號，并與離合器保護和信號裝置一起對原動機進行安全保護。

2）離合器保護和信號裝置。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，與原動機遠控裝置一起對原動機進行安全保護，并與電源和信號裝置一起控制整個遠控系統(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，并與離合器保護和信號裝置一起控制整個遠控系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

4）原動機狀態(tài)復(fù)示裝置。根據(jù)原動機遠控裝置中各量的狀態(tài)對原動機的運行狀態(tài)、報警信號、停機信號等進行復(fù)示。

圖1遠控系統(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、可擴充性強等優(yōu)點。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)果表達與輸出三大功能模塊。結(jié)合虛擬儀器的思想[2,7]，設(shè)計自動測試系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)方案如圖2所示。

圖2中被測試對象是待測試的遠控系統(tǒng)整機或者某一分機。電源電路向遠控系統(tǒng)和信號調(diào)理電路供電，其中遠控系統(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)計電源變換電路。

為了實現(xiàn)遠控系統(tǒng)整機或分機的自動測試，需要為其設(shè)計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)換成遠控系統(tǒng)所能接受的信號;②將遠控系統(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)換后送到遠控系統(tǒng)，即產(chǎn)生激勵矢量。

數(shù)據(jù)采集設(shè)備的主要作用是：在工控機的控制下，采集遠控系統(tǒng)在激勵矢量作用下的響應(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進行數(shù)據(jù)分析和處理。

工控機在軟件的指揮下控制整個自動測試系統(tǒng)的運行，也是人機交互的主要途徑，它根據(jù)需要控制信號發(fā)生器向遠控系統(tǒng)發(fā)出激勵矢量，同時將遠控系統(tǒng)的響應(yīng)矢量進行數(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)備進行顯示或通過打印機進行打印。

3自動測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計

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;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?？紤]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)開機后，首先進行測試系統(tǒng)本身的自檢，如無異常，進進自動測試系統(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）整機功能測試。點擊主界面上的“整機功能測試”按鈕進進整機功能測試主界面。當控制系統(tǒng)的所有設(shè)備正常連接時，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、原動機控制功能、遠控和保護功能），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)所需的輸進信號，檢測其輸出信號，根據(jù)輸進矢量和輸出矢量之間的關(guān)系判定整機功能是否正常。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。

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

3）故障設(shè)備的故障診斷。當通過“整機功能測試”或“分機功能測試”判定出某個分機故障時，就要對該分機進行具體的故障診斷。故障診斷時可以采用各種公道、先進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，進步故障診出率，并盡量減少漏報和誤報現(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，構(gòu)造公道的故障樹。故障診斷時，先將故障樹結(jié)構(gòu)存進計算機中，然后采取自上而下的方式進行故障搜尋和定位，測試時，工控機根據(jù)需要不斷向故障設(shè)備送出故障激勵矢量，同時采集關(guān)鍵電子元器件的響應(yīng)矢量，根據(jù)激勵矢量和響應(yīng)矢量的關(guān)系進行故障定位。當需要輔助推理時，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。當需要人工輔助時，軟件會提示用戶進行輔助測試，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)的各個環(huán)節(jié)，研究了實現(xiàn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)。并以LabVIEW為開發(fā)環(huán)境，開發(fā)出了某型潛艇主機遠控系統(tǒng)的自動測試系統(tǒng)，該自動測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠控系統(tǒng)整機和各分機的性能測試，并能夠?qū)收显O(shè)備進行具體的故障診斷。實際使用表明，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：

1）研究了將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于遠控系統(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)用于實際，研制出了某型遠控系統(tǒng)整機和各分機的自動測試系統(tǒng)。

參考文獻

　　[1]黃智剛.機載無線電設(shè)備自動測試系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京:北京航空航天大學(xué),2002.

　　[2]GuiehuW..Virtualinstrumentsandtheirapplicationinexperiments[J].Proc.ofICEMI,1997:582-584.

　　[3]GJB2547-95,裝備測試性大綱,1995.

　　[4]朱大齊.航空電子設(shè)備電子設(shè)備故障診斷技術(shù)研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2002.

　　[5]L.EWang,K.C.Tall,X.D.Jiang,etal.Aflexibleautomatictestsystemforrotating-turbinemachinery[J].IEEETransactionsonAutomationScienceandEngineering,2005,2（1）:1-18.

　　[6]鄒明虎,王志云,高福生等.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雷達印制板智能故障診斷系統(tǒng)研究[J].微計算機信息,2004,20（12）:12-26.

　　[7]陳光禹,毛繼宏,林春勛.現(xiàn)代電子測試技術(shù)[M].北京:國防產(chǎn)業(yè)出版社,2000.

　　[8]曹玲芝.現(xiàn)代測試技術(shù)及虛擬儀器[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.