裝甲車輛數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)故障機(jī)理研究

張偉鵬　李光升

摘 要：裝甲車輛數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)是裝甲車輛各系統(tǒng)中比較精密的系統(tǒng)，在其使用中受到惡劣環(huán)境的影響，該系統(tǒng)容易發(fā)生一系列故障，這些故障按類型可分為軟故障和硬故障。故障的發(fā)生是由多種原因造成的，既與系統(tǒng)部件自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能特性有關(guān)，又受采集控制系統(tǒng)實(shí)際工作環(huán)境和工作條件的影響，要完全理解故障發(fā)生原因，就需要研究數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作特性，分析各種常見的故障類型及故障發(fā)生機(jī)理。同時(shí)也為后續(xù)的故障檢測(cè)定位提供一定的理論依據(jù)。本章以某型裝甲車輛數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)為例，將介紹數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和工作特性，并列舉常見故障類型及現(xiàn)象，對(duì)常見故障作機(jī)理分析。

關(guān)鍵詞：裝甲車輛；數(shù)據(jù)采集控制器；故障機(jī)理

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.034

1 裝甲車輛數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的硬件組成

1.1 裝甲車輛數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

本文以某型裝甲車輛的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)為例進(jìn)行研究，圖1所示為該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)是由駕駛員任務(wù)終端、采集控制器和機(jī)載傳感器組三部分構(gòu)成。

駕駛員任務(wù)終端的位置一般安裝在儀表盤上，是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包含嵌入式CPU模塊、FPGA模塊、電源控制模塊、CAN通信模塊、顯示模塊等，其任務(wù)主要是實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控、按鍵指令輸入、將狀態(tài)數(shù)據(jù)用儀表顯示出來，具有良好的人機(jī)界面友好性。

采集控制器屬于下級(jí)控制器，里邊包含調(diào)理版、開關(guān)板和通信板，主要實(shí)現(xiàn)負(fù)載的運(yùn)作和關(guān)閉以及各傳感器信號(hào)的采集和處理，是通過CAN總線與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互的。

機(jī)載傳感器組主要有電源電壓傳感器、水溫傳感器、機(jī)油壓力傳感器、電路總開關(guān)、水溫報(bào)警傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器、里程傳感器等多種類型，各類型之間的工作原理均不相同，主要負(fù)責(zé)采集裝甲車輛的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。

1.2 裝甲車輛數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的工作過程及特點(diǎn)

根據(jù)圖1所示，數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的工作過程分兩種模式，第一種是當(dāng)需要采集車輛運(yùn)行參數(shù)時(shí)，傳感器及其他的狀態(tài)信號(hào)經(jīng)由采集控制器處理，打開通信板運(yùn)作，利用總線形式實(shí)現(xiàn)與駕駛員終端的通信，最終以虛擬儀表、位圖、柱狀圖的形式顯示出來；第二種是當(dāng)駕駛員需要操縱某個(gè)負(fù)載（如三防設(shè)備，滅火抑爆設(shè)備）時(shí)，由終端發(fā)出按鍵指令，經(jīng)采集控制器判別，打開控制負(fù)載動(dòng)作的開關(guān)板，就能操縱負(fù)載，這一過程負(fù)載充當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

裝甲車輛數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)各部件的精密程度較高，工作時(shí)一般處在強(qiáng)震動(dòng)、高溫、沙塵、嚴(yán)寒等惡劣環(huán)境下，通過部隊(duì)調(diào)研、實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過程中最容易發(fā)生故障的部位是采集控制器電路板和機(jī)載傳感器，因此本文主要對(duì)采集控制器電路板和機(jī)載傳感器兩個(gè)部件進(jìn)行故障診斷方法研究。

2 采集控制器

2.1 采集控制器組成及工作過程

數(shù)據(jù)采集控制器本質(zhì)上是由調(diào)理板、通信板和開關(guān)板三種電路板組合成的一個(gè)復(fù)雜電路板系統(tǒng)。

采集控制器是裝甲車輛數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)中的核心部件，它包括兩個(gè)工作過程：信息采集過程和設(shè)備控制過程。

（1）信息采集過程。根據(jù)信號(hào)的特征，主要是有兩種信號(hào)，分別是：傳感器信號(hào)與開關(guān)狀態(tài)信號(hào)，由于信號(hào)特征不同，所以流經(jīng)線路也不同。

傳感器信息：首先必須通過采集控制器調(diào)理板轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，然后通過通信板轉(zhuǎn)化成總線信號(hào)，通過總線，上傳至駕駛員任務(wù)終端顯示相關(guān)信息。

開關(guān)狀態(tài)信息：直接送至通信板，后面的線路與傳感器一致。

信息采集過程是，首先采集各類信息，經(jīng)過采集控制器處理，最后在駕駛員任務(wù)終端上顯示。

（2）設(shè)備控制過程。首先是駕駛員任務(wù)終端通過內(nèi)部電源管理程序，向采集控制器開關(guān)板發(fā)出指令，開關(guān)板通過控制口向負(fù)載供電，負(fù)載得電，開始工作，控制過程完成。

控制的過程是駕駛員任務(wù)終端下達(dá)指令，采集控制器實(shí)施控制，最后負(fù)載執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

2.2 電路板故障類型

采集控制器本身是由調(diào)理板、通信板和開關(guān)板組成的復(fù)雜電路板，而電路板的故障種類也是多種多樣，對(duì)于電路板故障根據(jù)不同的原則也有著不同的分類方法。要想較為深入的分析研究采集控制器產(chǎn)生故障的原因，我們只能通過細(xì)致的辨識(shí)故障類型，這樣以后才能確定采用何種故障診斷的方法。

（1）按故障發(fā)展變化分類。

1）驟變性故障，在出現(xiàn)之前難以預(yù)測(cè)且沒有任何前期故障征兆，如電路斷路。

2）漸變性故障，電路板在使用過程中導(dǎo)致器件性能逐漸變差，導(dǎo)致器件參數(shù)超過其容差范圍。

（2）按故障存在的時(shí)間長(zhǎng)短分類。

1）永久性故障，若該種故障發(fā)生，這種故障就會(huì)在任意時(shí)間點(diǎn)內(nèi)都存在。

2）短暫性故障，在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)或者時(shí)間段內(nèi)發(fā)生故障，具有可修復(fù)性。

（3）按器件出現(xiàn)故障相關(guān)程度分類。

1）間接故障，該故障的發(fā)生是由于其他器件工作不正常引起的。如前一級(jí)故障電路輸出電壓值過大導(dǎo)致后續(xù)電路芯片損壞。

2）直接故障，是指該故障的產(chǎn)生是由于器件本身原因?qū)е碌模c其他電路器件無關(guān)，具有獨(dú)立性，在故障檢測(cè)時(shí)應(yīng)該先排除這類的故障。

構(gòu)成采集控制器的電路板故障形式多樣，對(duì)于本文研究的采集器電路板中主要是按照故障存在的時(shí)間長(zhǎng)短分類，即為永久性故障和暫時(shí)性故障，在后序章節(jié)中對(duì)該類電路故障進(jìn)行驗(yàn)證；有的電路板由于模擬器件存在容差特性等，將故障分為漸變性故障和驟變性故障。按照故障的特點(diǎn)進(jìn)行分類有利于完成對(duì)電路的故障診斷。

3 機(jī)載傳感器

在數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)中，傳感器是測(cè)量裝置和控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)。如果沒有傳感器對(duì)原始參數(shù)進(jìn)行精確可靠的測(cè)量，那么，無論是信號(hào)轉(zhuǎn)換或信息處理、或者最佳數(shù)據(jù)的顯示和控制，都將無從談起。可以說，沒有精確可靠的傳感器，就沒有精確可靠的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。endprint

通常，傳感器是指能夠把被測(cè)物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的電量輸出的裝置，又叫變換器或換能路。為了滿足信息的傳輸、處理、記錄、顯示和控制等要求，傳感器輸出的信號(hào)形式也有所不同，如電壓、電流、頻率、脈沖等。傳感器一般由敏感元件、傳感元件和其它輔助件組成。有時(shí)也將信號(hào)調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路、輔助電源作為傳感器的組成部分，如圖2所示。

3.1 傳感器類型及工作原理

數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)中各類傳感器的種類較多，要做到更好的對(duì)各類傳感器的各種故障進(jìn)行認(rèn)識(shí)和診斷，就要充分了解各類傳感器的特性。一般是根據(jù)輸入輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系來描述傳感器的各種特性。本節(jié)主要介紹裝甲車輛上機(jī)載傳感器的種類、工作原理及其作用，機(jī)載傳感器包括水溫傳感器、機(jī)油壓力傳感器、位置傳感器、氣體濃度傳感器、速度傳感器等。

（1）水溫傳感器。水溫傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一個(gè)半導(dǎo)體熱敏電阻，具有負(fù)溫度系數(shù)，溫度越低，阻值越大；反之阻值越小。使用時(shí)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋水套中，與冷卻水直接接觸，從而測(cè)得發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水的溫度，其作用主要有兩點(diǎn)。

1）測(cè)量冷卻水溫度，也就是發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度；利用傳感器的電阻隨著溫度變化而發(fā)生變化，這種變化最終反映在電流上以驅(qū)動(dòng)水溫表的變化，就能顯示出發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度。

2）根據(jù)溫度高低，修正噴油量、點(diǎn)火提前角。發(fā)動(dòng)機(jī)在不同的工作溫度下具有不同的工作方式，如發(fā)動(dòng)機(jī)溫度在設(shè)定值以下時(shí)要比正常溫度多噴10%的油料，目的是為了讓發(fā)動(dòng)機(jī)快速升溫以減少發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫磨損；而溫度高于設(shè)定值時(shí)，就要少噴點(diǎn)油，讓溫度升的慢點(diǎn)。另外還能修正點(diǎn)火提前角，低溫時(shí)增大，高溫時(shí)為防止爆燃，減小提前角。

（2）機(jī)油壓力傳感器。機(jī)油壓力傳感器是對(duì)裝甲車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油壓力進(jìn)行檢測(cè)的重要裝置，檢測(cè)的數(shù)據(jù)可以幫助控制發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。該傳感器內(nèi)部由厚膜壓力傳感器芯片、信號(hào)處理電路、外殼、固定線路板裝置等組成，其中關(guān)鍵部件是厚膜壓力傳感器，它是利用印刷燒結(jié)在陶瓷彈體上的厚膜電阻的壓阻效應(yīng)研制而成。機(jī)油壓力傳感器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的主油道上，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，壓力測(cè)量裝置檢測(cè)機(jī)油壓力，以電信號(hào)的形式傳送到至信號(hào)處理電路，并經(jīng)電壓放大和電流放大，輸出至油壓指示表，從而指示出發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油壓力。同時(shí)經(jīng)電壓放大的信號(hào)還與報(bào)警電路中設(shè)定的報(bào)警電壓進(jìn)行比較，當(dāng)?shù)陀趫?bào)警電壓時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提示維修人員需要添加機(jī)油。

（3）位置傳感器。位置傳感器主要分接觸式和非接觸式兩類，裝甲車輛的位置傳感器主要有曲軸位置傳感器、節(jié)氣門位置傳感器等，因考慮實(shí)際工作情況，此類傳感器一般以非接觸式居多，非接觸式位置傳感器按工作原理又分為磁電式、光電式、電渦流式和霍爾式等類型。其中曲軸位置傳感器也稱曲軸轉(zhuǎn)角傳感器，是計(jì)算機(jī)控制的點(diǎn)火系統(tǒng)中最重要的傳感器，其作用是檢測(cè)上止點(diǎn)信號(hào)、曲軸轉(zhuǎn)角信號(hào)和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，并將其輸入駕駛員任務(wù)終端的計(jì)算機(jī)中，從而使計(jì)算機(jī)能按氣缸的點(diǎn)火順序發(fā)出最佳點(diǎn)火時(shí)刻指令，一般安裝在曲軸皮帶輪和鏈輪側(cè)面；節(jié)氣門位置傳感器又稱為節(jié)氣門開度傳感器和節(jié)氣門開關(guān)，主要功能是判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)是處于怠速還是負(fù)荷工況，它本質(zhì)上是由一個(gè)可變電阻和幾個(gè)開關(guān)組成，一般安裝在節(jié)氣門體上，該傳感器有兩副觸點(diǎn)，分別是怠速觸點(diǎn)和全負(fù)荷觸點(diǎn)，根據(jù)控制這兩個(gè)開關(guān)點(diǎn)的氣節(jié)門的位置變化，會(huì)輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)，計(jì)算機(jī)輸出信號(hào)電壓來識(shí)別是加速工況還是減速工況，以達(dá)到修正噴油量或者斷油控制的目的。

（4）氣體濃度傳感器。裝甲車輛在行駛和射擊時(shí)，艙室內(nèi)常會(huì)出現(xiàn)有害氣體，這些氣體一般來自動(dòng)力艙密閉不嚴(yán)漏進(jìn)來的發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣、火炮發(fā)射尾氣以及車內(nèi)潤滑油和機(jī)油等揮發(fā)的有害氣體，這些氣體包括CO、NO2、SO2和煙塵等。由于艙室空間較小、通風(fēng)性差，因此安裝了不同的氣體濃度傳感器來檢測(cè)相應(yīng)氣體的濃度。氣體濃度傳感器的基本原理大同小異，大多都是通過定電位電解，與水或氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，并且氣體濃度與輸出電流信號(hào)成正比。氣體濃度傳感器一般與報(bào)警器配套使用，經(jīng)報(bào)警器的中間電路將輸出電流信號(hào)放大后，以驅(qū)動(dòng)不同的執(zhí)行裝置，完成聲、光和電的檢測(cè)以及報(bào)警功能。

（5）速度傳感器。裝甲車輛上的速度傳感器按不同效用可分為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器、車速傳感器等，其中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器的功用是檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，并把檢測(cè)結(jié)果輸入到裝甲車輛儀表系統(tǒng)顯示發(fā)動(dòng)機(jī)工況，一般是利用曲軸位置傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化而來；車速傳感器用來檢測(cè)汽車行駛速度，并把檢測(cè)結(jié)果輸入給儀表系統(tǒng)顯示車速，或?qū)z測(cè)的車速信號(hào)輸入到需要車速信號(hào)的任務(wù)終端的控制器中。

3.2 傳感器故障類型

裝甲車輛數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)中的傳感器種類較多，由于運(yùn)行環(huán)境惡劣，大部分工作在高溫、高壓、強(qiáng)振動(dòng)的環(huán)境中，極易發(fā)生傳感器故障。本文為了下一步繼續(xù)進(jìn)行傳感器故障診斷的研究，結(jié)合其他研究者從不同角度的分析，對(duì)一些采集控制系統(tǒng)中傳感器的常見故障進(jìn)行了如下分類。

（1）按故障的程度分類。按故障程度的大小可分為硬故障（泛指結(jié)構(gòu)損壞導(dǎo)致的故障，一般幅值較大，變化突然）和軟故障（泛指特性的變異，一般幅值較小，變化緩慢），硬故障一般由于傳感器元件損壞、電系統(tǒng)發(fā)生短路、斷路或受較強(qiáng)脈沖干擾等原因引起，軟故障一般是由部件老化、零點(diǎn)漂移等原因引起；

（2）按故障存在的表現(xiàn)分類。根據(jù)故障存在的表現(xiàn)可分為間歇性故障（時(shí)好時(shí)壞）和永久性故障（失效后，不能再恢復(fù)正常）；

（3）按故障發(fā)生、發(fā)展的進(jìn)程分類。根據(jù)故障發(fā)生，發(fā)展的進(jìn)程可分為突變故障（信號(hào)變化速率大）和緩變故障（信號(hào)變化速率小）；

（4）按故障的模型特性分類。從建模角度出發(fā)，可分為乘法故障和加性故障；

（5）按故障發(fā)生的原因分類。按故障原因可分為偏差故障、沖擊故障、開路故障、漂移故障、短路故障、周期性干擾、非線性死區(qū)故障。

傳感器產(chǎn)生故障時(shí)通常的表現(xiàn)形式有如下幾種：1）傳感器無輸出；2）傳感器出現(xiàn)間歇性輸出；3）傳感器出現(xiàn)漂移性輸出；4）傳感器出現(xiàn)超出允許誤差的輸出。這些故障產(chǎn)生后反映在數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)中的直接表現(xiàn)就是各類儀表的讀數(shù)不準(zhǔn)確、沒有指示或者一直在錯(cuò)誤區(qū)間工作。經(jīng)過部隊(duì)的使用經(jīng)驗(yàn)反饋，采集控制系統(tǒng)中傳感器發(fā)生的故障一般都包含在下列故障中，本文對(duì)這些故障的產(chǎn)生機(jī)理也做了分析，如表1所示。

4 結(jié)論

本文以裝甲車輛數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，首先介紹其硬件組成，通過部隊(duì)實(shí)際調(diào)研，得知采集控制器和機(jī)載傳感器部分容易發(fā)生故障，分別介紹了這兩個(gè)部分的基本結(jié)構(gòu)和工作特性，并分析了常見故障的類型和發(fā)生機(jī)理，為后續(xù)的故障診斷研究提供了一定的理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李景飛，高海春等.裝甲車輛電氣設(shè)備原理與修理[M].北京：解放軍出版社，2002（08）.

[2]陳建明，劉軍輝，丑力.某型戰(zhàn)車駕駛員任務(wù)終端檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010，18（12）：2792-2794.

[3]劉秋麗，劉春光，袁東.電傳動(dòng)裝甲車輛顯控終端設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用自動(dòng)化與儀表，2011（03）：50-53.

[4]關(guān)明.傳感器的故障診斷及輸出估計(jì)[D].西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，1992（04）.

作者簡(jiǎn)介：張偉鵬（1985-），男，山東萊陽人，碩士研究生，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。endprint