虚拟仪器技术在舰船装备数字电路板维修中的应用*

刘卫国 王 青 胡 平 顾雪峰

(1.中国人民解放军4808工厂军械修理厂 青岛 266000)(2.海军工程大学科研部 武汉 430033)



虚拟仪器技术在舰船装备数字电路板维修中的应用*

刘卫国1王 青1胡 平2顾雪峰2

(1.中国人民解放军4808工厂军械修理厂 青岛 266000)(2.海军工程大学科研部 武汉 430033)

针对某型装备硬件电路集成度不高、故障率上升的问题,采用虚拟仪器技术,设计了一种基于PXIE总线的智能检测平台,可实现某装备数字插件板的快速故障定位,并重点讨论了该检测系统的虚拟仪器配置方案及其软、硬件实现方法。

智能检测; PXIE总线; 虚拟仪器; 故障诊断

Class Number E92

1 引言

某导弹武器系统是海军区域防空的重要装备。该装备硬件电路板主要采用上世纪七八十年代设计技术,硬件主要由中小规模集成电路和分立元器件组成,集成度不高,通道多、测试向量复杂。随着使用寿命的延长,数字板故障率呈逐渐上升趋势,备件消耗大,且部分数字板已无备件。该装备的数字板种类多,且多种数字板的功能和逻辑关系各不相同,每块数字板通道数多达100多路。为实现该型装备数字电路板的快速检测、维修,采用虚拟仪器技术,研制了智能检测平台,可完成对数字电路板的自动测试与故障诊断。

2 虚拟仪器技术

虚拟仪器技术是由计算机硬件资源、模块化仪器硬件和用于数据分析、过程通讯、图形用户界面软件组成的测控系统,是以计算机作为仪器的统一硬件平台,实际上就是一种基于计算机的自动化测试仪器系统。虚拟仪器通过软件将计算机硬件与仪器硬件有机地融合为一体,从而把计算机的强大数据处理能力和仪器硬件的测量、控制能力有机地结合在一起,并通过软件实现对数据的显示、存储及分析处理[1]。

它利用I/O接口设备完成信号的采集、测量与调理,利用计算机软件实现信号数据的运算、分析和处理,利用显示器丰富的显示功能来多形式地表达和输出检测结果。虚拟仪器具有传统仪器的基本功能,同时又能根据用户的要求随时进行定义,实现多种多样的应用需求,具有扩展灵活、界面友好、操作简便、性价比高等特点,使用者可以通过修改软件来改变、增减仪器系统的功能与规模以满足新的要求[2～3]。

虚拟仪器系统构成的基本框图如图1所示。虚拟仪器的硬件更为简化与简单,主要的硬件部分由数据采集卡、GPIB接口卡、vxl接口、现场总线技术以及LAN技术支持;软件则是虚拟仪器技术的关键点,功能强大、方便灵活的软件开发平台使得各种虚拟仪器开发变得极为容易。虚拟仪器系统中,硬件结构是相对固定的,可以是实现特定功能的板卡,也可以是标准总线仪器。其主要任务是解决信号的输人输出,如数据采集、处理、通信等。硬件功能模块的性能主要依赖于先进元器件的采用和计算机总线技术的发展[4]。

图1 虚拟仪器系统的基本构成

3 故障诊断的技术难点

3.1 故障电路判断

故障电路判断是指根据采集到的采样波形数据与已有标准波形数据进行比较,从而找到数据不同的输出端口,定位故障电路的过程。将两组待比较数据通过二重For循环进行索引、判断,如果数据元素存在不同,将循环变量取出作为出错的行数,存入一维数组中,否则不执行此操作。将输出的一维数组在ini文件中进行索引,获得故障线路信息。

3.2 测试向量分类显示

为了便于数字板故障分析,需要通过数据筛选、排序和配置文件、波形文件映射读取,对激励向量、采样向量、标准向量和波形比较向量进行分类显示,其中激励向量和标准向量由WAV波形文件给出,通过提取WAV波形文件端口号,索引ini配置文件,得到端口状态信息即激励、采样、高阻,将此状态信息送入条件判断结构,分配到对应的向量数组中。采样向量由DAQ数字波形采样模块获得,在DWDT数字波形比较模块与标准向量比较,得到波形比较向量。

3.3 管脚特性配置

由于数字板管脚特性是动态变化的,即每块板的管脚特性都不一样,如果采用跳线的方式进行连接,每次测试都需要连接多根测试线,操作相当繁琐且容易接错。因此本方案采用管脚特性配置技术,为每个数字板设计专用的管脚特性定义文件。测试时,选择故障数字板对应的管脚特性配置文件,将配置文件中的信息,读取到程序中即可完成对数字板管脚特性的配置。数字板更换时,只需要改变对应的配置文件或者修改配置文件中对应端口的参数即可。该技术的成功运用大大提高了检测效率。

4 故障检测系统设计与实现

在系统分析被检测数字板的各项技术指标的基础上,确定检测需求,为每个数字板建立专用数据库,并编制专用检测软件;为了配合检测软件,根据检测需求设计硬件系统。由于该型装备数字板均为逻辑电路,只需找到该故障件型号,直接运行软件,就会自动配置管脚,调取数据库,测试完毕后,显示故障路数,由于NI的I/O板卡运行速度快,板卡反应速度慢,有时需要多测试几次,但对复杂的逻辑电路有时不能定位到器件,需人工判断。

4.1 系统设计

4.1.1 硬件总体结构

智能检测平台硬件主要由高性能机箱、嵌入式控制器、高速数字I/O板卡、专用适配器、电源系统组成。为了满足数字板测试需求,硬件设计采用NI公司的基于PXIE技术的机箱、嵌入式控制器和高速数字I/O模块。PXIE总线是目前最完善的适合测量和自动化要求的基于PC的平台的技术,具有小型化、通用化、智能化等特点。PXIE-1078机箱具有四个混合插槽,三个PXI express插槽,一个PXI express系统定时插槽,每插槽高达1GB/s专用带宽,系统带宽高达7GB/s;0℃～55℃的温度下,总功率达507W。PXIE-8108嵌入式控制器具备2.53GHz Intel双核T9400处理器,1GB内存,160GB硬盘。PXIE-6537高速数字I/O模块具备32路方向可控的数字通道,最大吞吐量达200MB/s,最大时钟频率50MHz,同步和异步定时模式。智能检测平台硬件原理框图如图2所示[5～6]。

4.1.2 专用测试适配器设计

依据数字板的接口类型,需设计144型专用测试适配器和92型专用测试适配器。由于部分数字板具有数十路OC门,测试时需要接上拉电阻,但每种数字板的OC门通道是变化的,所以为所有数字通道都设计了上拉电阻,该电路由开关控制,需要时打开。测试时,为了保证非OC门通道数字电平信号不受影响,可适当增加上拉电阻阻值,采用弱上拉方式设计。为保证时序信号的同步性,适配器电路板布线采用等距离方式,即每个信号采集和激励端口到专用接口的距离是相等的[7～9]。

图2 系统硬件原理框图

电压及电流的瞬态干扰可能损坏被测件及高速数字I/O板卡,这些干扰通常来自于电源的起停操作、交流电网的不稳定、雷电干扰及静电放电等,因此,必须采取措施抑制掉这些干扰,可采用力特公司的瞬态电压抑制器,该器件具有极高的速度(最高达10s～12s)使其阻抗骤然降低,可吸收大电流,使两端间的电压箝位在5V上,确保被测件和板卡安全。

4.1.3 电源设计

4.2 软件设计

软件设计采用LABVIEW语言在NI公司集成开发环境LABVIEW2010专业版下完成。软件模块主要完成驱动硬件采集卡,产生和采集数字测试向量,读取和写入文件,处理采集数据形成波形,建立人机界面等。用户可以根据测试的故障板具体型号,从数据库中读取相应的测试向量进行故障检测,并自动进行信号比对,定位故障线路。

4.2.1 软件结构

软件设计采用面向过程的方法进行设计。软件系统底层主要由测试向量文件读取、数据筛选、数据排序、DAQ任务分配、DAQ数据采集、波形输出等模块组成。重点完成DAQ数据采样任务的执行和文件I/O操作。系统软件结构框图如图3所示。

图3 测试软件结构图

软件各模块功能如下:

1) 测试向量文件读取

测试向量由*.ini和*.wav两种文件组成,存放在同一个文件夹内。测试向量保存在专用数据库中,测试不同的插件板只需要调用相应的测试向量文件即可。*.ini文件用于定义数字板管脚的输入输出特性和信号类型,*.wav文件用于存储激励向量和标准向量的数据内容。配置文件和激励文件通过文件I/O函数读取后,送入后一级进行处理。

2) 数据筛选

受新课程标准改革的影响，高中语文的教学模式也发生了一系列的改变，其中以微课教学在语文教学中的应用最为突出。微课教学的方式区别于传统的教学模式，它的课程时间短，内容精练，为学生提供了更多自主学习的时间，并且微课的内容针对性较强，能够有效地指导学生进行高中语文学习，帮助学生更好地学习语文。

将激励文件中的数据根据配置文件中的端口配置信息进行分类,即发射波形数据和标准波形数据分别存储到相应的数组中。

3) 数据排序

读取I/O端口映射文件,将分类后的波形数据按照I/O端口映射后的顺序进行排序,并将处理好的数据转化成波形格式,输出到人机界面中进行显示。

4) DAQ任务分配

图4 软件工作流程图

根据I/O端口映射文件,将发射波形的端口地址写入到DAQ物理通道中,创建写入任务,并将排序后的发射波形数据发射到数据采集卡的端口上;同时,将标准采集波形的端口地址写入到DAQ物理通道中,创建采样读取任务,获取对应物理端口的采样数据。将采样得到的数据显示到人机界面中。并与标准向量进行比较,将错误的波形显示出来。

4.2.2 软件测试流程

软件系统测试流程如图4所示。

4.3 系统实现

1) 点击“打开测试向量”按钮,导入数字板的测试向量(包括*.ini、*.wav文件);

2) 在波形窗口界面分别显示数字板标准向量波形、激励向量波形;

3) 在插件板准备好后点击“数字板测试”按钮进行故障测试,采集向量波形窗口显示采样波形,并将采集到的波形与标准波形进行比较,如果不一致,会在错误向量显示窗口显示,由此可判断故障电路;

4) 打开相关的数字插件板数据库库文件夹,该库文件夹内包括数字板位置图(*.jpeg)、原理图(*.pdf或*.PADS Logic Schematic)等,技术人员通过分析就可以找到故障线路的相关芯片,然后使用单步测试功能模块,对故障线路进行单独测试,即可定位故障芯片。

5 结语

综上所述,设计者在硬件设计上利用测控领域最先进的虚拟仪器技术,充分发挥计算机的强大处理性能,融测试测量技术、计算机技术为一体,选取高性能模块化仪器,充分考虑测试需求,研制了功能全面的适配器;在软件设计上构建了测试功能全面,运行稳定快速、操作方便的软件系统。经过实际应用证明,智能检测平台判断故障准确迅速、操作简单方便。该平台的研制成功为该型装备数字板维修提供了一套实用性强、操作性好的测试设备,提高了装备保障的能力。该方法还可以用于其他新型装备电路板维修,为海军舰船装备维修提供了有效的手段,具有显著的推广运用价值。

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[2] 王蔚,宋加涛.基于虚拟仪器技术的电路测试和诊断系统[J].计算机工程,2004,30(7):164-166.

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Application of Virtual Instrument Technology in Digital Circuit Maintenance of the Naval Ship Equipment

LIU Weiguo1WANG Qing1HU Ping2GU Xuefeng2

(1. The Ordnance Maintenance Factory of PLA 4808 Factory, Qingdao 266000) (2. Office of Research & Development, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

Aiming at the low integrated and the increasing failure rate problems of a certain-type equipment hardware circuit, an intelligent testing platform based on the technique of PXIE bus was designed by using virtual instrument technology, which can achieve the fast locating of failure for the digital plug-in boards introduced from the a certain type equipment. The virtual instrument configuration project and the realization of hardware and software of this test system was discussed emphatically.

intelligent detection, PXIE bus, virtual instrument, fault diagnosis

2014年11月14日,

2014年12月30日

刘卫国,男,工程师,研究方向:舰船武器系统联调。王青,男,工程师,研究方向:舰船武器系统联调。胡平,男,博士,工程师,研究方向:舰船武器系统保障。顾雪峰,男,硕士,工程师,研究方向:舰船装备保障。

E92

10.3969/j.issn1672-9730.2015.05.031