基于智能診斷技術及虛擬儀器技術的某型橋故障診斷系統

王添禹，雷智強，郭 磊

（1.66336部隊，河北 保定074000；2.陸軍工程大學，江蘇 南京210007；3.中部戰區陸軍保障部，河北 石家莊050081；4.32143部隊，河南 信陽464000）

引言

某型沖擊橋滿足了自動化架設和使用的要求，其設計制造突破了輪式裝甲底盤變型、鋁合金橋跨設計制造、架設平衡及架設機構優化、車輛電子控制等關鍵技術。在某型沖擊橋使用過程中，受操作人員的技術不夠熟練，架設展開的場地不夠理想，或裝備由于管理維護不當而存在若干缺陷等多種因素的影響，裝備不可避免地會發生各種問題和故障，如果不及時檢查、診斷和排除，將會對裝備器材的技術狀況造成很大的損害，甚至造成器材的報廢。根據新裝備形成戰斗力的需求，圍繞裝備維修保障的研究方向，通過系統分析裝備維修保障需求，采用智能診斷技術及虛擬儀器技術，開發某型沖擊橋故障診斷系統，實現裝備故障診斷的實時性與快速性，提高裝備維修保障的質量與精度，從而快速提升基層部隊的維修保障水平，提高裝備維修質量，降低維修費用，為新裝備形成戰斗力提供直接的技術支持。

1 總體方案設計

1.1 主要研究內容

某型沖擊橋由底盤、橋梁系統、架設系統、通信指揮系統和附屬設備組成，通信指揮系統與底盤電子控制系統、架設控制系統一起，構成輪式沖擊橋綜合電子信息系統，三者由CAN總線互聯實現數據共享與交流，橋梁系統由橋跨和展橋機構組成，架設系統包含架設機構（舌形臂、翻轉架）、液壓系統和控制系統等，附屬設備包括測距儀、標示設備、照明設備、維修設備等。本文以提高某型沖擊橋裝備保障能力為目的，建立以某型沖擊橋裝備為原型的故障診斷系統，提高維修質量，同時保證維修準確、迅速，且降低維修成本。

1.2 工作原理

故障診斷儀通過CAN總線與輪式沖擊橋控制器通訊，顯示總線狀態、輸入輸出信號、傳感器信號、架設向導、邏輯互鎖功能等。設備工作原理如圖1所示。

圖1 內部連線示意圖

故障診斷儀基于嵌入式系統設計，整體架構如下頁圖2所示。嵌入式系統（Embedded System）是以應用為中心、以計算機技術為基礎，軟、硬件可裁減，適應對功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴格要求的專用計算機系統。本故障診斷儀基于嵌入式系統體系結構，通過CAN總線進行數據通信，完成系統在線狀態監測、故障顯示與作業參數標定功能。硬件以ARM控制器為核心，軟件以嵌入式Linux作為實時操作系統，圖形用戶界面基于QT4平臺開發[1-3]。

圖2 診斷儀總體架構

2 硬件設計

2.1 基于ARM的核心模塊設計

目前，嵌入式系統高端微控制器已有九成是建立在ARM體系結構之上。ARM系列處理器采用32位嵌入式RISC結構，內部集成多級流水線以提高處理器指令的執行速度，其強大功能與外圍電路的配合，將信號采集、處理、故障診斷及網絡通信等功能集于一體，特別適合作為智能儀器設備的開發平臺。

故障診斷儀硬件由基于ARM的Omap AM3517設計的核心模塊加外圍電路組成，硬件組成見圖3。

圖3 故障診斷儀硬件結構

Omap AM3517產品的特色是很強的ARM Cortex-A8處理核心和三維圖形加速。一般來說，同樣主頻的ARM9和Cortex-A8 ARM芯片運算速度是兩倍關系，因此，600 MHz ARM Cortex-A8處理器可提供1,000 Dhrystone MIPS，而且未來的產品還會超過1 GHz。AM3517產品實際上是PowerVR SGX圖形引擎與AM3505的結合，可加速實現3D圖形用戶界面。該圖形引擎處理速度達每秒10 Mpolygon，并支持OpenGL ES 2.0。圖像回轉、圖像收放，甚至鼠標動作全部用硬件實現，不會損耗ARM核心的主頻。

Omap AM3517產品屬于Sitara系列處理器，它針對工業應用，-40～85℃的廣泛工業溫度選項使用戶能夠在從零度以下的凍結溫度，到超高溫的惡劣開發環境中工作，其典型應用中的功耗不足1 W，無需使用散熱器與風扇，有助于工業開發人員設計安靜的密閉外殼。產品還支持DDR2存儲器，可降低系統存儲器的總體成本。Sitara軟件充分采用TI OMAP應用處理器的低功耗工藝技術，并兼容于德州儀器的OMAP系列處理器。

此外還有豐富的外圍接口，如USB HOST/Client、USB OTG、4位 的SD I/O、MMC/SD/卡，CMOS/CCD，OTG，IDE，LAN，Memory Stick，USIM等接口。

2.2 CAN接口設計

本系統擴展了兩路CAN總線控制器，因此只要外擴總線驅動器即可。總線驅動器選用Philip的TJA1050進行設計，電路原理如圖4所示。

圖4 CAN接口電路原理圖

TJA1050是CAN協議控制器和物理總線之間的接口，是一種性能優越的CAN收發器，可以為總線提供不同的發送性能，為控制器提供不同的接收性能。

2.3 RS232接口設計

利用PXA內部集成的兩個串口控制器，只需要進行接口電平轉換即可與標準RS232接口設備進行通信，通過一定的通信參數設置可將診斷儀記錄的工況數據導出到上位機進行離線分析。

3 軟件設計

3.1 軟件開發環境

軟件基于嵌入式Linux操作系統，基于QT4圖形開發環境開發。嵌入式Linux是以Linux為基礎的嵌入式作業系統，它被廣泛應用在移動電話、個人數字助理(PDA)、媒體播放器、消費性電子產品以及航空航天等領域中。選用Linux操作系統有以下幾方面的優點：開放源碼，不存在黑箱技術，遍布全球的眾多Linux愛好者又是Linux開發者的強大技術支持；Linux的內核小、效率高，內核的更新速度很快，linux是可以定制的，其系統內核最小只有約134KB；Linux是免費的OS，在價格上極具競爭力。Linux的大小適合嵌入式操作系統——Linux固有的模塊性、適應性和可配置性，使得這很容易做到。嵌入式linux是將日益流行的Linux操作系統進行裁剪修改，使之能在嵌入式計算機系統上運行的一種操作系統，嵌入式linux既繼承了Interlnet上無限的開放源代碼資源，又具有嵌入式操作系統的特性。

QT是一個全面的C++應用程序開發框架，它包含一個類庫和用于跨平臺開發及國際化的工具。利用QT Designer，開發者可以拖放各種QT控件構造圖形用戶界面并可預覽效果QT4軟件編輯環境支持標準的C語言以及C++語言，具有豐富的常用控件，如電子儀表，指示燈、CAN總線、視頻等。由QT開發的虛擬儀表，可在計算機上模擬真實場景中的某些設備,在屏幕上生成各種儀表儀器面板，完成對實時數據的處理、表達、傳送、存儲、顯示等功能。QT是一個全面的開發框架，它包括廣泛的特征、性能與工具，可以開發高性能，跨平臺客戶端，以及服務器端的應用程序。

診斷儀基于嵌入式Linux開發，在Linux的上層擴展了文件管理系統、圖形用戶接口和設備底層硬件驅動程序，如存儲器系統、CAN總線、LCD顯示等，以及在此操作系統之上移植的QT4圖形用戶接口庫共同建立了一個適合開發的、開放的操作系統平臺和圖形用戶接口平臺。

3.2 軟件設計

軟件設計主要包括作業、IO、傳感、標定、網絡、診斷和總線等功能，其子功能結構如圖5所示。

圖5 軟件子功能結構圖

3.2.1 作業

包括作業控制、故障報警2個子畫面，用于顯示架橋車作業狀態。作業控制又包括系統控制信息和作業控制信息，其中系統控制信息包括控制模式（外控/主控/副控）、作業方式（架設/撤收）、動作和報警信息，有報警信息的話，報警指示燈和故障報警按鍵同時變紅；作業控制信息顯示作業輸出信息和機構位置信息，當有作業輸出時，顯示相應的輸出提示。故障報警顯示系統故障情況根據優先級從上至下分別為：主控箱通訊故障、控制網絡故障、傳感器故障報警、多路輸出報警、邏輯保護報警、行程限位報警和系統參數超限報警。

3.2.2 IO畫面

IO畫面主要包括主控盒IO和移動盒IO。主控盒IO顯示主控盒輸入，當指示燈亮時表示主控作業盒有信號輸入；移動盒IO顯示移動盒輸入，當指示燈亮時表示移動作業盒有信號輸入。

3.2.3 傳感

傳感畫面顯示輪式沖擊橋上裝傳感器數據，包括機構位置信息和液壓/底盤信息。機構顯示機構位置信息，指示燈亮表示有信號輸入；液壓顯示液壓信息，主要包括顯示轉臂大腔壓力、轉臂小腔壓力、系統壓力、支腿壓力以及油位信息；底盤信息主要包括底盤車橫傾角和俯仰角信息。

3.2.4 數據標定

用戶輸入密碼后可進入相應標定畫面，密碼隨機器提供，數據標定共包括15個子畫面，如圖6所示。

圖6 數據標定子畫面結構圖

手柄標定包括左側舟手柄、左跳板手柄、左絞盤手柄、右側舟手柄、右跳板手柄和右絞盤手柄，主要標定手柄零位、死區、最大值、最小值，顯示手柄AD值和當前值；傳感器標定主要包括舌形臂、支腿、系統壓力、液位以及傾角等各個系數值的標定。機構位置標定主要對系統機構位置參數進行標定。

3.2.5 網絡

網絡狀態顯示作業控制系統的CAN總線系統的節點狀態，當節點燈的狀態發生變化時，即可表明節點的通斷，燈亮代表節點在線。

3.2.6 總線數據

通過CAN總線數據發送，可以設置幀ID、發送通道、數據長度、發送周期、發送次數、幀數據，通過移動光標來修改參數；總線數據接收可以顯示幀ID、幀數據、數據長度、發送通道、發送計數，可以分別顯示Can1/Can2通道數據，最多顯示22組[4-5]。

4 結語

本項目以輪式沖擊橋為研究對象，在綜合國內外故障診斷與狀態評估發展趨勢的研究基礎上，詳細分析了輪式沖擊橋的結構特點、故障特征以及失效機理，結合故障智能診斷技術、傳感器技術和無線網絡技術，重點研究了輪式沖擊橋液壓與電氣系統、動力系統、橋梁系統和架設結構等的故障診斷方法，并從總體結構、理論支撐、關鍵技術、具體實現和實裝試驗驗證等方面對其故障診斷進行了系統研究，并取得了預期的成果。研究成果可直接應用于輪式沖擊橋的作戰使用，為新裝備盡快形成戰斗力提供直接的技術支持。