基于虛擬儀器技術的主機監控系統自動測試系統設計

榮杰+吳杰長+張超杰+劉海松

摘 要： 針對某主機監控系統故障維修難度大且缺少相應維修測試儀器和工裝設備的實際情況，設計了一種基于LabVIEW的PCI總線和數據采集卡的自動測試裝備并完成了具體設計工作。其采用PCI?3361進行信號的采集和控制向量的輸出，通過繼電器和外部接口電路實現測試單元的自動選擇，利用LabVIEW應用程序進行故障的檢測、識別、定位。實驗表明該測試裝備工作可靠，適用性良好。

關鍵詞： 虛擬儀器； 主機監控系統； 數據采集； 自動測試系統

中圖分類號： TN919?34； TP277 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）22?0135?03

Design of automatic test system of a certain ship engine monitoring system based on virtual instrument technology

RONG Jie1， WU Jie?chang1， ZHANG Chao?jie1， LIU Hai?song2

（1. College of Power and Engineering， Naval University of Engineering， Wuhan 430033， China；

2. Naval Military Representative Office Stationed in Wenzhou， Wenzhou 325000， China）

Abstract： For the actual situation on lack of corresponding maintenance test equipments and fault maintenance difficulty of main engine monitoring system， a automated test equipment for PCI bus and data acquisition card based on LabVIEW was designed， which uses PCI?3361 to execute the output signal acquisition and vector control， employs the relay and the external interface circuit to realize automatic selection of the test cell， and utilizes LabVIEW application program to conducts fault detection， identification and location. The experimental results show that the test equipment is reliable and has perfect applicability.

keywords： virtual instrument； engine monitoring system； data acquisition； automatic test system

船舶主機監控系統是艦艇動力系統的重要組成部分，主要由控制系統、監測報警系統、安全系統構成[1]。它需要采集并處理柴油機轉速、供油齒桿的位置、啟動及控制空氣壓力等信號，因此監控系統直接關系到整個動力系統能否正常工作。在智能化、無人機艙[2]的發展趨勢下，改善、提高主機監控系統性能的同時，也大大增加了系統的復雜性[3]，使得其故障檢測、維修難度增大。因此，展開自動測試系統研究成為必然。

1 自動測試系統的功能要求及設計思路

某主機監控系統主要用于自動化遙控主柴油機，實現主柴油機工作過程的自動控制（盤車、啟動、加減速、停車、反轉）、主要參數的監測報警和重要參數的安全保護。電路模塊是其主要監控組件，系統全部由模塊化結構的電路模塊組成，通過接線插頭實現模塊間、模塊與外部裝置的信號傳遞。在系統的運行過程中，需要完成柴油機各信號裝置、駕駛室的信號采集，經處理后產生相應的控制信號并實現主柴油機的自動控制功能及監測和保護，同時使主柴油機避開臨界轉速。

通過對被測電路模塊的分析，全面掌握了其工作原理、結構組成、信號特征、使用規則和維護方式。在主機監控系統自動測試系統的設計中，采用了LabVIEW軟件和PCI總線技術進行系統設計，該系統的功能如下：

（1） 測試系統本身自檢能力：通過系統自檢，完成對系統內部的儀器設備、輸入和輸出通道的自檢及初始化；

（2） 測試信號生成和分析處理功能：測試系統能夠模擬生成柴油機各信號裝置的信號，對主機監控系統的電路模塊施加相應的激勵信號并對采集的信號進行分析處理；

（3） 功能測試功能：在模擬信號狀態下對各硬件系統進行初始化和檢測，完成其主柴油機的啟動及正車和倒車的轉換，測試模塊功能的好壞；

（4） 監測報警及故障診斷功能：測試系統具有信號處理、故障分析、故障定位能力，能對測試模塊進行故障定位；

（5） 測試記錄查詢打印功能：該監控系統電路模塊種類和數量都對數據分析的結果能夠顯示及記錄。

現代的測試工作遠非人工測試所能勝任，必須實現測試系統的自動，即在測試系統中對主機監控系統電路模塊和測試儀器端分別實現自動控制。綜合考慮某艦主機監控系統的測試需求及自動測試系統的可靠性、成本和軟件開發等因素，參照已有測試系統的結構[4?7]，采用如圖1所示的測試系統總體框圖。

圖1 測試系統總體結構

如圖1所示由計算機控制測試軟件對主機監控系統測試端施加激勵信號并實現自動控制，對響應信號進行快速、準確地捕捉和測量并完成處理、顯示和存儲。

2 系統硬件設計

2.1 數據采集卡的選型及激勵信號生成

數據采集是指從傳感器和其他待測設備等模擬和數字被測單元中自動采集非電量或電量信號，送到上位機中進行分析、處理[4]。而數據采集卡，即實現數據采集（DAQ）功能的計算機擴展卡，目前大部分的是通過USB，PCI，VXI，ISA等總線接入計算機。在本測試測試系統數據采集卡選型中，基于PCI總線的產品在靈活性、易用性和性價比等方面有很大的優勢而選擇PCI總線型數據采集卡。其插卡式的硬件可以直接插入計算機的PCI插槽，可充分利用計算機資源來實現數據采集及處理、故障診斷和過程控制等功能。結合某主機監控系統對測試通道的需求同時為了保證測試系統的精度和可靠性，數據采集卡采用泛華恒興基于PCI總線的高精度多功能數據采集卡——PS PCI?3361。該板卡主要由MFIO模塊、ADC模塊、DAC模塊、DIO模塊、FPGA控制模塊及PCI橋芯片模塊，可實現如下功能：ADC、DAC、數字IO、MFIO及計數器，能夠滿足測試系統的要求。主機監控系統在工作過程中涉及到的信號有轉速、油壓、齒桿位移及其他開關量等信號。在實際維修測試中，出于對主機安全考慮一般都是在停機狀態下測試，而在模塊測試中卻需要主機正常工作的信號，因此激勵信號的生成是否準確對測試系統正常測試顯得尤為重要。在對某主機監控系統的電路模塊進行測試時，通過采用轉速、壓力及開關量等傳感器來模擬主機監控系統的工作信號，嚴格校準模擬信號與實際工作信號幅值及頻率。而對于常用的正弦、脈沖等激勵信號，LabVIEW語言都有這些信號的庫函數[5]。本文調用動態鏈接庫中的模塊Waveform Buffer Generation.vi子VI來實現信號生成。將模塊所需要的激勵信號連接到被測電路模塊相應的端口，同時將測試端連接到數據采集卡的模擬量輸入端。

2.2 信號接口及轉接電路

測試系統的硬件結構主要功能是完成對激勵信號源的自動接入、測試信號的采集、測試端口的自動選擇等[5]。根據該型主機監控系統的結構特點，設計測試系統硬件主要由電源、接線板、數字采集卡、信號調理電路板和工控機等組成。根據被測電路模塊的特點，該系統主要實現對45針接插件插板的檢測，同時預留了相應的擴展電路，使其具有可擴展性。該系統的單一模塊測試結構如圖2所示。

圖2 單一模塊測試結構圖

為了保證測試系統的精度和可靠性，數據采集卡采用泛華恒興基于PCI總線的高精度多功能數據采集卡——PS PCI?3361。該板卡主要由MFIO模塊、ADC模塊、DAC模塊、DIO模塊、FPGA控制模塊及PCI橋芯片模塊，可實現如下功能：ADC、DAC、數字IO、MFIO及計數器。同時選用GPS?3303C型直流電源，能夠提供0～27 V的直流電壓，用于給電路模塊提供+5 V的電源，并能提供繼電器工作的+27 V電壓。針對信號接入中存在的信號變換及多路復用的問題，參考現有成熟的技術選用了MAX14778芯片進行信號的控制，如圖3所示。組建好測試系統后，可實現單一模塊的自動測試，也可以依據主機監控系統的功能對模塊進行聯合功能測試。同時根據引進模塊的接口特征和測試端輸出信號的特點添加相應的信號調理電路和模擬濾波電路，將輸出的信號調整到數據采集卡最大允許的輸入電壓范圍。另外，根據測試需要，待測電路模塊接口系統還添加了一些特殊的外部輔助電路，用來模擬負載電阻和負載電容等。

3 測試程序設計

自動測試系統軟件與硬件有機結合，構成功能完整的測試系統。本測試系統在Windows XP操作系統環境下運行，基于LabVIEW 8.6進行軟件編程，LabVIEW是美國國家儀器公司（National Instruments Corp，NI公司）推出的面向計算機測控領域的虛擬儀器軟件開發平臺，被視為標準的數據采集和儀器控制軟件。該平臺不僅提供了對虛擬儀器的支持，還具有各種測試、通信、控制和數值分析能力，具有控制能力強大、庫函數豐富、實時性強、編程容易等優點[6]。

圖3 多路選擇開關結構圖

根據某艦主機監控系統的測試需求和PCI平臺的硬件特性，設計了功能完善的測試程序，并且操作界面直觀，淺顯易懂，維護操作人員能夠快速理解使用。為使軟件具有較好的維護性和擴展性，采用模塊化設計思想，測試系統軟件框圖如圖4所示。

圖4 測試系統軟件結構框圖

啟動系統后，測試系統先進行自檢，對系統內部的儀器設備、輸入和輸出通道初始化。無故障以后顯示主程序界面，用戶可根據測試需要進行相應的測試操作。

4 維修測試實驗及結論

該測試系統采用了當前測試領域應用較為廣泛的PCI總線技術和虛擬儀器技術，提高了自動測試系統的模塊化、快速化和自動化水平，同時系統采用基于LabVIEW軟件的數據處理程序，能夠自動對被檢測模塊施加激勵信號和采集響應，并能對采集的數據進行分析處理，以及顯示和記錄被測模塊的測模塊的工作情況，從而實現了對被測模塊的測試及故障定位。實踐證明，本文討論的這套主機監控系統測試系統能夠很好地滿足實際工作的需要，且工作性能可靠，抗干擾能力強。在艦船實際應用結果表明：在維修過程中對監控系統電路模塊的故障診斷迅速而準確，適用性良好，滿足實裝要求。

參考文獻

[1] 黃溫贇.船舶主機遠程監控系統研究[D].武漢：華中科技大學，2009.

[2] 王晶.船舶機艙集中監控系統的設計與研究[D].大連：大連海事大學，2008.

[3] 張超杰.主機遙控系統自動測試技術研究[D].武漢：海軍工程大學，2008.

[4] 龍華偉，顧永剛.LabVIEW8.2.1與DAQ數據采集[M].北京：清華大學出版社，2008.

[5] 王磊，陶梅.精通LabVIEW8.0[M].北京：電子工業出版社，2007.

[6] 劉思久，汪秀豐，董景.基于虛擬儀器方式的PCB功能測試[J].電測與儀表，2004，41（4）：39?43.

[7] 蔡宗平，田祥鵬.基于CPCI總線的導彈自動測試系統設計[J].計算機測量與控制，2007，15（9）：1196?1198.

[8] 李宏超，夏靜.基于虛擬儀器及數據采集卡的轉動慣量測試系統設計[J].電子設計工程，2012，20（24）：111?117.

[9] CHENG Yue?hua， HOU Qian. Design and simulation of fault diagnosis based on NUIO/LMI for satellite attitude control systems [J]. Journal of Systems Engineering and Electrionics， 2012， 23（4）： 581?587.

[10] SONG Zi?you， LI Jian?qiu. Rule?based fault diagnosis of hall sensor and fault?tolerant control of PMSM [J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering， 2013， 4（26）： 813?821.

[11] 王大虎，張且且，孫一帆.基于LabVIEW的電路板自動測試系統設計[J].工業控制計算機，2013，26（8）：42?44.

[12] 彭衛東.基于PCI總線的計算機組件自動測試系統設計[J].計算機測量與控制，2006，14（1）：23?25.

[13] 李岳，崔利榮.測試性技術的發展綜述[J].技術基礎研究與應用，2005（9）：9?12.endprint

[1] 黃溫贇.船舶主機遠程監控系統研究[D].武漢：華中科技大學，2009.

[2] 王晶.船舶機艙集中監控系統的設計與研究[D].大連：大連海事大學，2008.

[3] 張超杰.主機遙控系統自動測試技術研究[D].武漢：海軍工程大學，2008.

[4] 龍華偉，顧永剛.LabVIEW8.2.1與DAQ數據采集[M].北京：清華大學出版社，2008.

[5] 王磊，陶梅.精通LabVIEW8.0[M].北京：電子工業出版社，2007.

[6] 劉思久，汪秀豐，董景.基于虛擬儀器方式的PCB功能測試[J].電測與儀表，2004，41（4）：39?43.

[7] 蔡宗平，田祥鵬.基于CPCI總線的導彈自動測試系統設計[J].計算機測量與控制，2007，15（9）：1196?1198.

[8] 李宏超，夏靜.基于虛擬儀器及數據采集卡的轉動慣量測試系統設計[J].電子設計工程，2012，20（24）：111?117.

[9] CHENG Yue?hua， HOU Qian. Design and simulation of fault diagnosis based on NUIO/LMI for satellite attitude control systems [J]. Journal of Systems Engineering and Electrionics， 2012， 23（4）： 581?587.

[10] SONG Zi?you， LI Jian?qiu. Rule?based fault diagnosis of hall sensor and fault?tolerant control of PMSM [J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering， 2013， 4（26）： 813?821.

[11] 王大虎，張且且，孫一帆.基于LabVIEW的電路板自動測試系統設計[J].工業控制計算機，2013，26（8）：42?44.

[12] 彭衛東.基于PCI總線的計算機組件自動測試系統設計[J].計算機測量與控制，2006，14（1）：23?25.

[13] 李岳，崔利榮.測試性技術的發展綜述[J].技術基礎研究與應用，2005（9）：9?12.endprint

[1] 黃溫贇.船舶主機遠程監控系統研究[D].武漢：華中科技大學，2009.

[2] 王晶.船舶機艙集中監控系統的設計與研究[D].大連：大連海事大學，2008.

[3] 張超杰.主機遙控系統自動測試技術研究[D].武漢：海軍工程大學，2008.

[4] 龍華偉，顧永剛.LabVIEW8.2.1與DAQ數據采集[M].北京：清華大學出版社，2008.

[5] 王磊，陶梅.精通LabVIEW8.0[M].北京：電子工業出版社，2007.

[6] 劉思久，汪秀豐，董景.基于虛擬儀器方式的PCB功能測試[J].電測與儀表，2004，41（4）：39?43.

[7] 蔡宗平，田祥鵬.基于CPCI總線的導彈自動測試系統設計[J].計算機測量與控制，2007，15（9）：1196?1198.

[8] 李宏超，夏靜.基于虛擬儀器及數據采集卡的轉動慣量測試系統設計[J].電子設計工程，2012，20（24）：111?117.

[9] CHENG Yue?hua， HOU Qian. Design and simulation of fault diagnosis based on NUIO/LMI for satellite attitude control systems [J]. Journal of Systems Engineering and Electrionics， 2012， 23（4）： 581?587.

[10] SONG Zi?you， LI Jian?qiu. Rule?based fault diagnosis of hall sensor and fault?tolerant control of PMSM [J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering， 2013， 4（26）： 813?821.

[11] 王大虎，張且且，孫一帆.基于LabVIEW的電路板自動測試系統設計[J].工業控制計算機，2013，26（8）：42?44.

[12] 彭衛東.基于PCI總線的計算機組件自動測試系統設計[J].計算機測量與控制，2006，14（1）：23?25.

[13] 李岳，崔利榮.測試性技術的發展綜述[J].技術基礎研究與應用，2005（9）：9?12.endprint