工程裝備電控系統故障檢測技術研究

楊志英， 張建華

（1.陸軍裝備部裝備項目管理中心， 北京 100072；2.中國人民解放軍第6411 工廠， 河北 石家莊 050200）

0 引言

工程裝備電控系統及其總線通信網絡遍布于工程裝備各個部位，可視為工程裝備的“大腦”“神經”與“感知器官”，是工程裝備集成化、智能化與綜合化的關鍵。電控系統中各種部件的控制單元（ECU）很多，各控制單元之間通過總線網絡連接。由于工程裝備的作業裝置和底盤行駛系統互相之間具有一定的獨立性，一般情況下其電控系統或電氣系統可分為底盤（車電）系統和上裝（作業）控制系統兩部分。如某型橋梁裝備其電氣系統分別由車電系統和架設控制系統組成，車電系統的各個CPU 通過CAN 總線構成測控網絡，各子網的通信協議也可能有所不同，如乘員艙采集控制器、動力艙采集控制器和駕駛員顯控終端等單元構成的車電子網，其各個ECU 間信號傳輸協議為CAN2.0A 標準幀協議。發動機ECU 協議則為SAE J1939 協議（CAN2.0B 擴展幀）。電控系統中的有些CPU 同時承擔網關功能，負責這些不同子網、不同協議之間的數據格式轉換與數據傳輸。工程裝備的作業控制系統通信網絡大多采用CANopen 通信協議，其波特率為250 kbit/s，CAN ID 采用CAN2.0A 標準幀格式。由此可見，工程裝備電控系統的網絡總線較之通用車輛電控總線更為復雜一些。

因此，本文研究開發基于工控機及嵌入式系統的故障檢測系統，通過CAN 總線及其他測試接口獲取工程裝備電控系統的工況參數信息，對所獲取的故障數據進行分析處理，實現工程裝備電控系統故障的現場監測、故障報警、預測診斷與離線分析等功能。該故障檢測系統能夠對發現的故障進行隔離，指導使用維修人員針對可能的故障部位進行深入檢測，這樣即使使用人員對工程裝備電控系統的組成結構并不特別熟悉的情況下，也能夠快速、正確、高效地對故障進行快速定位、隔離、檢測與診斷，提高裝備維修效率，促使裝備性能快速恢復，發揮工程裝備的作戰保障能力。

1 電控系統故障檢測硬件平臺設計

電控系統故障檢測模式主要有兩種，一是通過CAN 總線在線采集電控系統總線網絡上的報文信息，監測、診斷與顯示電控系統各個組件（單元）的工作狀態與故障情況，這種檢測模式是通過上位機、CAN 總線分析儀接入架設系統CAN 總線來實現；二是架設電控系統故障的離線模擬檢測，實現方法是將架設電控系統的箱組（單元、傳感器等）從裝備上拆解下來，將其與檢測適配器通過電纜或工裝連接起來，由接口適配器提供激勵信號和其工作所需的輸入信號，測取電控單元的輸出信號，據此進行電控單元工作狀態的判斷和故障診斷，這種離線模擬診斷方法無法對所有電控單元進行檢測與診斷，但可以實現部分單元的故障檢測。

1.1 檢測系統結構設計

某型裝備故障檢測系統通過采集該裝備架設控制系統（上裝電控系統）通信網絡總線CAN1 和CAN2的報文信息，以及車電系統（主要是發動機電控系統和駕駛員任務終端）CAN2.0B 協議報文，實現對橋梁裝備動力系統、架設控制系統各組件（單元）故障狀態的監測、診斷和維修與排除的可視化指導。對于非總線信號器件故障的檢測，如傳感器供電線路、行程開關、接近開關、模擬量傳感器、轉速/里程傳感器的脈沖信號、溫度傳感器等，則設計了專用的適配器模塊和電纜、連接工裝等。

因此，故障檢測系統主要由工控機（筆記本電腦）、檢測適配器、CAN 總線分析儀、信號連接裝置和其他附件等組成。其中，工控機是檢測系統的硬件控制平臺，其上安裝有故障檢測分析和可視化維修指導軟件，是系統的用戶接口設備，承擔人機交互功能。適配器主要用于測試對象（傳感器等）信號的多路轉換、信號調理與信號轉換等，是電控系統各個檢測對象傳感器與工控機之間的連接橋梁。CAN 總線分析儀主要用于采集橋梁裝備電控系統CAN 總線數據，進行電控系統各個箱組（單元）的故障狀態監測與診斷。檢測系統的總體結構如圖1 所示。

圖1 故障檢測系統組成結構

1.2 接口適配器設計

接口適配器主要由機箱、電纜連接面板、內部調理模塊和信號連接插座等構成，如圖2 所示。

圖2 接口適配器組成結構

接口適配器的核心控制單元是PIC 單片機，其外圍電路包括電源控制電路、數字信號調理電路、模擬信號調理電路、通信電路模塊等。故障檢測診斷平臺（工控機或筆記本）與適配器連接時，其作為上位機與接口適配器內部的通信模塊進行數據交互。通信模塊將上位機指令/數據解析傳送至單片機，再由單片機通過I2C 總線協調和控制各外圍模塊，實現信號的檢測、處理與傳遞。

本文以傳感器供電電壓/電流狀態檢測電路的設計為例，闡述其設計過程。接口適配器提供了2 路完全相同的傳感器供電（電壓/電流）的檢測電路，用于檢測橋梁裝備電控系統中的熱電阻傳感器、壓力傳感器等模擬量傳感器的供電電壓和電流的狀態。圖3是其檢測電路原理，該電路可分為兩部分，即電流檢測電路和電壓檢測電路。采樣信號從XS3-9 和XP3-9 接入，輸入信號的電流大小由上部的R101 精密電流采樣電阻（0.5 Ω/1 W）和U3A 運算放大器構成的I/V 變換電路進行調理，將電流轉換為電壓值輸入到單片機內置的A/D 轉換器輸入端AN0/RA0，單片機根據轉換值判斷供電電流的工作情況。采樣信號的電壓值則是通過R108、R109 分壓電路分壓后，經U3B 運算放大器構成的射隨器輸入到單片機的A/D轉換器輸入端AN1，單片機根據AN1 的轉換值判斷供電電壓的狀態。D101、D102 兩個穩壓管用于將A/D轉換器的輸入電壓限制在5 V 以內，以保護單片機不會被尖峰干擾脈沖或過高的輸入電壓損壞。

圖3 傳感器供電電壓/電流狀態檢測電路

2 故障檢測系統軟件開發

2.1 總體方案設計

故障檢測軟件由兩大部分組成，即基于CAN 總線的電控系統箱組（單元、傳感器）在線故障狀態監測和離線故障檢測與分析。在線監測部分采用Lab-VIEW 基于數據流編程技術、模塊化技術和虛擬儀器VI 技術實現；離線故障檢測模塊采用LabWindows/CVI、工作流、結構化和系統集成技術實現。軟件系統總體結構如圖4 所示。

圖4 電控系統故障檢測軟件總體結構

2.2 主調模塊的設計與實現

故障檢測程序是一個多線程、多功能和多界面的模塊化程序，為協調和控制程序運行中的各個進程與線程的有序運行，首先設計了程序的運行框架和主流程，如圖5 所示。編程時用主調模塊實現程序的流程控制和線程管理。

圖5 主調模塊運行流程

故障檢測程序是一個多線程、多功能和多界面的模塊化程序，為協調和控制程序運行中的各個進程與線程的有序運行，首先設計了程序的運行框架和主流程。編程時用主調模塊實現程序的流程控制和線程管理。

2.3 用戶界面的設計與實現

以CAN 總線與網絡部件監測模塊為例，闡述故障檢測軟件的界面設計。該模塊可監測架設電控系統及底盤車電系統的控制總線、任務總線的工作狀態，檢測CAN1 和CAN2 總線的數據傳輸情況、幀速率與校驗錯誤等信息，能夠精確地判定CAN 總線的故障狀態。在總線通信狀態監測的同時，該模塊可診斷通信總線上的各個節點，包括顯示終端、指控計算機、1號控制箱、主控盒、移動操縱盒、閥組箱、2 號控制箱及部分傳感器的故障情況，其界面如圖6 所示。

圖6 CAN 總線與網絡部件故障檢測界面

3 結語

本文研究開發基于工控機、嵌入式系統、虛擬儀器技術和總線技術的故障檢測技術及檢測設備，通過CAN 總線或其他測試接口獲取工程裝備電控系統的工況參數信息，對故障數據進行分析處理，實現工程裝備電控系統故障的現場監測、故障報警、預測診斷與離線分析等功能。所研制的故障檢測系統能夠對故障進行隔離，指導使用維修人員針對可能的故障部位進行深入檢測，在使用人員對工程裝備電控系統的組成結構并不特別熟悉的情況下，也能夠快速、正確、高效地對電控系統故障進行定位、隔離、檢測與診斷，提高裝備維修效率，促使裝備性能的快速恢復，以更好地發揮工程裝備的作戰保障能力。