某型艦炮采集記錄檢測系統設計

韓峻 朱貴華

(海軍工程大學兵器系 艦炮教研室，武漢 430033)

0 引言

艦炮武器的檢修通常以事后維修、預防性計劃檢修為主。隨著設備制造工藝的進步和計算機技術的發展，設備狀態監測與故障診斷技術應用于艦炮武器的保障成為可能。設備狀態監測與故障診斷技術是一種了解和掌握設備在使用過程中的狀態，確定其整體或局部正常或異常，早期發現故障及其原因，并能預報故障發展趨勢的技術，設備狀態監測與故障診斷技術包括識別設備狀態監測和預測發展趨勢兩方面，具體過程分為以下基本環節[1-2]。

（1）狀態監測狀態監測是在設備運行中，對特定的特征信號進行檢測、變換、記錄、分析處理并顯示、記錄，是對設備進行故障診斷的基礎工作。

（2）分析診斷分析診斷包括信號分析處理和故障診斷兩方面。信號分析處理的目的是把獲得的信息通過一定的方法進行變換處理，從不同的角度提取最直觀、最敏感、最有用的特征信息。故障診斷是在狀態監測與信號分析處理的基礎上進行的，主要診斷故障的性質、程度、產生原因或發生部位，并預測設備的性能和故障發展趨勢。

（3）治理預防治理預防措施是在分析診斷出設備存在異常狀態，就其原因、部位和危險程度進行研究并采取治理措施和預防的辦法。

因此，狀態監測與故障診斷技術的應用，為艦炮武器的正常運行提供了非常有力的支持。本系統就是為了配合艦炮武器實時監測和故障診斷而研制的一套設備，為部隊在檢查、維護等工作上提供豐富而有力的技術支持。

該系統由數據采集記錄盒（以下簡稱采集盒）和數據處理處理監視器組成（以下簡稱監視器）。采集盒通過 CAN總線接收并存儲關鍵點數據，利用該數據進行箱體級故障診斷。借助監視器中的專家系統，操作者能進行重要組件的故障診斷。采集盒診斷的故障類型和故障位置通過工具箱中的監視器上顯示。結合虛擬儀器技術的優勢和艦炮信號特性，本測試系統將嵌入式處理器技術和虛擬儀器技術相結合，量身打造該型艦炮的在線監測、預警和診斷排故功能。

1 總體設計

總體方案中上位機用軍用平板顯示器為操作顯示的人機交互界面，使用 ARM系列單片機的信號采集系統作為下位機。以 LabWindows/CVI軟件開發上位機的操作軟件，實現數據讀取、分析和檢測；開發專家系統數據庫，實時完成故障診斷和排除。下位機選用 ARM系列單片機和大容量存儲器，設計開發數據采集盒存儲板，利用CAN總線和各數據采集單體通信，完成數據采集功能。并留有音頻數據采集系統和網絡通信接口，可擴展到網絡數據和音頻信號的數據采集。上位機與下位機之間也用CAN總線進行通信。

本監測系統從整體外形采用分開式設計，由診斷顯示處理器和檢測裝置兩大模塊構成，其中檢測裝置模塊內置于艦炮內，診斷顯示處理器存放在備件箱中，需要時即可手持診斷顯示處理器在艦炮上進行操作，顯示監測記錄和故障診斷；操作手可根據顯示提示完成電器設備的檢查。兩個模塊通過通訊電纜連接實現數據交換。如圖1。

圖1 通訊電纜連接示意圖

電纜互連接圖如圖 2所示。采集盒由電源箱經某單體控制盒供給 DC27V工作電源，通過CAN總線與各個單體控制箱通信。需檢測的信號由各單體自行采集，并定時廣播發送到 CAN總線上，檢測裝置接受到數據信息后進行存儲。

采集盒通過轉接電纜在操作臺附近裝有測試接口，當艦炮在維修狀態時，用手持監視器通過測試接口提取采集記錄數據，可進行事件回收和故障診斷。

圖2 電纜互連接圖

專家系統是利用存儲在計算機內的某一特定領域內的專家知識來解決過去只有專家才能解決的現實問題的計算機系統。從組成結構來看,專家系統是一個由存放專門領域知識的知識庫和一個能選擇、運用知識的推理機制組成的計算機系統[3]。采集數據傳輸到上位機后，調試處理成與艦炮各運行參數，此時良好的處理機的診斷推理機制，可以很好的處理各項參數，進而實時或離線診斷艦炮運行狀態，故障診斷到部件，給出維修建議。

圖3 專家系統結構圖

專家知識庫主要存儲兩方面的內容，一為數據采集模塊采樣到的所有數據信息，二為推理過程中所產生的中間數據、推理結論和由專家們根據經驗所提供的故障診斷知識庫等。診斷推理機制是專家系統的核心部分，它結合某型艦炮控制系統的基本工作原理(也就是專家系統中的規則庫)，高度抽象出邏輯推理關系。利用數據模塊采集的信息和專家知識庫中的知識對故障現象進行推理，得出結論。目前在人工智能中應用較為廣泛的推理方法有正向推理和反向推理。向推理由故障特征然后給出故障名稱和解決方案；反向推理是由故障名稱推理出故障現象，然后給出解決方案。本系統中的推理機采用CLIPS語言實現，推理方式采用正向推理進行診斷，并且可以把推理過程中產生的新事實擴充專家知識庫的內容。

2 硬件設計

2.1 檢測裝置

檢測裝置設備結構由嵌入式數據記錄儀和外部通訊模塊組成。其中嵌入式數據記錄儀完成數據的采集、存儲。記錄的數據可以通過USB接口或外部通訊模塊上傳到診斷顯示處理器。模塊供電取自艦炮低壓+27 V電源。

數據接收存儲處理器（cpu1）選型時主要考慮信息處理速度、多任務性能、接口集成度以及通訊速率等相關參數。將選用 LPC2368系列的ARM處理器，最高頻率可以達到60 MHz，通過外部很少部件的擴展，即可完全滿足實際需要。根據要求設計CF存儲卡接口，配置8 GB-CF存儲卡用以存儲數據；同時設計 CAN總線接收器采用光電耦合器實現與艦炮控制系統的電氣隔離。LPC2368系列單片機是完全集成混合信號的MCUS，真正實現了片上系統，A/D轉換和通信直接使用CPU接口。檢測裝置原理框圖如圖4。

2.2 診斷顯示處理器

診斷顯示處理器選用便攜軍用加固計算機，包括寬溫嵌入式主板、6.4寸TFT-LCD顯示器、4線電阻式觸摸屏、通訊模塊、電源模塊及全密封金屬箱體。診斷顯示處理器通過通訊模塊與檢測裝置數據通信，實現在線監控、預警和診斷、異常報警提示等功能。

圖4 檢測裝置原理框圖

3 軟件設計

測試系統軟件構建在嵌入式操作系統平臺之上，采用ADS軟件開發。其軟件總體框圖如圖5。

圖5 軟件總體框圖

軟件主體由監視模塊、報警模塊、通訊模塊、數據管理模塊以及幫助文檔等模塊組成。監視模塊為用戶提供直觀的狀態監視效果；當出現異常時，調用報警模塊進行異常報警。通訊模塊負責與采集盒通訊，獲取到實時的測試值。數據管理模塊提供了數據保存、數據回放、數據分析和故障診斷等4種功能。其中，數據回放實現靜態文件數據瀏覽，具備采集信號的時域顯示、幅度軸縮放、時間軸縮放，以及多通道顯示等常用的示波器顯示功能。數據存儲實現數據記錄，含異常等時標信息。數據分析功能將提取出艦炮的轉動、射擊等相關信息，以及故障前后的特征信息。而故障診斷功能將做出故障診斷定位，并給出排故提示。幫助文檔主要為本機的操作提示和部分艦炮資料。

軟件功能主要分為實時監測、數據分析、故障排除和使用幫助等模塊。

（1）在線實時監測

對所有可測點進行在線狀態監視。采用虛擬電壓表、曲線等方式進行形象、直觀的顯示，并且對監測的數據進行在線故障監測，設立異常變色報警功能和故障提示功能。

（2）離線數據分析

對記錄儀中的原始數據進行時序分析，給出艦炮轉動、射擊等相關分析報告。如果有異常或故障，將給出故障排查方法。

（3）故障排除

根據實時監測或者數據分析給出的故障號，用圖片直觀地給出故障所在部位，以及相應的排除方法，并且提供平時維護工作時的維護指導和故障排查指導。

（4）使用幫助

主要介紹含測試盒、無線通訊接口在內的整個測試系統的使用指導，以幫助初次使用者就可以獨立使用。

基于面向底層和功能強大、使用靈活的考慮，本系統選用LabWindows/CVI在Windows XP平臺來開發系統的用戶交互界面。

4 系統軟件界面

軟件界面提供了人機交互平臺。本軟件充分利用了虛擬儀器軟件LabWindows/CVI的圖形化描述功能，全面打造成一個集測試、分析和表達的測控專業工具。圖6為監測界面。

圖6 系統在線監測界面

圖7為數據分析界面：

圖7 系統數據分析界面

5 結語

根據目前新型艦炮實時保障要求，基于CAN總線和單片機處理設計開發數據采集盒，基于虛擬儀器平臺設計開發出狀態監測與故障診斷系統。系統具有使用方便、性能可靠、低成本和高可靠性提點。同時系統具有很強延續開發能力，稍加改進就可擴展新的檢測項目和手段。此系統已通過試驗檢驗，實現了性能參數和動態數據的實時測試，能夠對測試數據進行實時顯示、存儲和檢測。利用故障診斷系統，大大提高了艦炮維修效率和連續作戰能力。

[1]盛兆順, 尹琦嶺.設備狀態監測與故障診斷技術及應用［M］. 北京: 化學工業出版社, 2003.

[2]李建華. 在線設備狀態監測與故障診斷技術的應用.石油化工設備[J]. 2010.5(3),73-75.

[3]姚劍飛, 江志農, 趙慶亮等. 基于故障原因-征兆矩陣的故障診斷專家系統. 振動、測試與診斷[J]. 2009,3: 72-74.