元素分析儀板級故障檢測系統的設計

任帥男 韓萌萌

摘 要：為了實現大型元素分析儀器的功能板卡的調試及故障檢測，搭建了一個專業的檢測調試系統，該系統包含針對板卡功能拆分，底層硬件測試板的設計制作、下位機對接嵌入式程序的設計以及上位機測試系統的搭建。該上位機系統采用C#編程，在window平臺上運行，與下位機測試板進行CAN通信，通過專家經驗知識比對分析，實現了對下位機測試板的控制與功能模塊的故障分析，最后能夠生成專家性報告。應用效果表明，該系統對元素分析儀器的功能板調試及故障檢測有很強的實用意義。

關鍵詞：故障檢測；專家經驗；功能板調試

中圖分類號：TP273 文獻標識碼： A

嵌入式設備的調試及故障檢測是一種極具專業性的工作，尤其像元素分析儀器這種大型精密設備，需要擁有大量的軟硬件知識及相關工作經驗才能完成[1]，同時需要耗費大量的時間和精力，對于缺乏專家經驗的人員來說，可能會造成系統的漏判及誤判，導致功能板上機后造成嚴重的故障，造成不可挽回的損失，因此板級的故障診斷專家系統的設計是十分有必要的[2]。

電路板級故障診斷及調試需要充分了解電路板的各個工作模塊及功能，故障診斷系統的設計中，為了避免各個模塊之間相互影響，調試時首先需要對功能進行拆分測試，對于各種功能現象進行專業性判斷，發現功能板在生產或工作中出現的問題進行精準定位并結合專家經驗給出專家性建議[3]。

1 基于stm32元素分析儀功能模塊分析

大型元素分析儀器的功能板塊分為主控上位機、原子化器模塊、氣控模塊、元素燈模塊及單色儀模塊，通過CAN總線進行連接，各個模塊需要調試及故障檢測的主要設備功能分為：步進電機的正常工作，步進電機的細分工作，各路AD轉換通道，各路DA轉換通道，各路閥門開關控制量，以及各元素燈的開關驅動。

通過功能電路分析需要將各個板卡功能模塊進行拆分，以互不影響，單個調試為原則進行設計。

2 硬件測試板的設計

設計硬件測試板首先需要對功能板卡的外接接口進行接口分析，其中原子化器模塊電路板需要完成11路光耦開關的檢測，五路繼電器開關量輸出的檢測，六個步進電機工作狀態檢測，石墨爐溫度控制DA轉換通路的檢測，氫化器輸出DA通路的檢測以及三路反饋AD通路的檢測；氣控模塊需要完成14路氣控閥的開關量檢測，兩路DA通道的檢測以及六路氣壓AD通路的檢測；元素燈測試部分需要完成三路光耦開關的檢測，兩路DA通道的檢測，三路開關元素燈開關量輸出檢測，以及8路元素燈電流驅動通路的檢測；單色儀測試部分需要完成兩路數字量開關的測試和一路DA通道的檢測。

在硬件測試板的設計中，針對元素分析儀板卡的被測量，提出相關設計方案。其中，步進電機的測試引出板卡的步進電機接口，外接測試電機；光耦開關的測試使用撥碼開關對光耦開關進行開關量模擬操作；數字開關量輸出采用LED燈顯示的方法確定；對于DA轉換通路的測試引出測試引腳用于外部測量，對于AD轉換通路引出測試電源接口用于測試輸入；元素燈的電流測試使用大功率電阻進行電流到電壓的轉換，用測試電阻電壓值表示元素燈電流值。如圖1所示，為設計好的測試板實物圖，其中包括所有元素分析儀功能板卡的接口以及與上位機的CAN接口總線。

3 系統軟件設計

系統軟件設計分為下位機STM32軟件程序的編寫以及上位機C#程序的編寫，兩者通過USB轉CAN總線進行通信。

CAN通信協議使用擴展幀格式，其中29位擴展幀ID遵循該設備本身的協議格式，幀內容包括源節點地址、目的節點地址、功能碼等信息，定義功能碼192為測試碼，上位機軟件發送192功能碼調用下位機單片機測試程序。在數據幀中對不同電路板進行區分，CAN總線協議中一個報文含有8字節數據，規定第一字節數據為測試板卡區分，0x00為原子化器，0x01為氣控，0x02為元素燈，0x03為單色儀。第二個字節數據為測試功能區分，剩余的6個字節用于承載DA或AD數據信息。

下位機單片機程序設計需要遵循不影響設備主功能的原則，將所有的測試代碼進行函數封裝，調用其響應功能函數進行設計，測試階段一律遵循上位機主動請求，下位機被動應答的方式，以防止測試程序對功能模塊功能本身的影響，上位機程序設計中包含專家經驗，如圖2所示，使用過程中通過點擊窗體按鈕，實現測試功能，之后勾選測試現象，點擊故障點分析按鈕，如圖3所示上位機通過現象的分析以及對其中上位機程序中專家經驗的比對生成專家性分析報告，標記出可能存在的故障點。

4 結論

通過專家經驗不斷更新該系統專家經驗知識庫，系統具有元素分析儀器板級調試和故障檢測的專家推理能力。通過不斷測試，證實了該診斷系統知識庫是基本合理的，推理機制是高效的，具備了較高的診斷能力，在元素分析儀設備的生產調試以及使用過程中的維修診斷有很高的實用價值和現實意義。

參考文獻：

[1]鄂加強，龔金科，王耀南，劉孟祥，成至明.特種車輛柴油發動機故障診斷專家系統實現問題[J].應用基礎與工程科學學報，2005，4（13）：373-379.

[2]王禮軍.模糊神經網絡專家系統在故障診斷中的應用[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2012，3（31）：470-472.

[3]王宏見.嵌入式故障診斷專家系統[D].西安：西安工業大學，2015.17-19.