自動檢測系統(tǒng)原理應(yīng)用和發(fā)展?fàn)顩r的研究

自動檢測系統(tǒng)原理應(yīng)用和發(fā)展?fàn)顩r的研究

介紹了自動檢測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及其在性能檢測和故障診斷方面應(yīng)用的必要性和良好前景；討論了現(xiàn)代自動檢測系統(tǒng)組建時，用到的關(guān)鍵技術(shù)；詳細(xì)論述了基于PC的虛擬儀器技術(shù)的特點，軟、硬件的構(gòu)成和設(shè)計時關(guān)鍵技術(shù)分析。提出了目前在虛擬儀器系統(tǒng)中較為常用的幾種總線方式和應(yīng)用特點。

關(guān)鍵詞：自動檢測系統(tǒng)；故障診斷；關(guān)鍵技術(shù)

The Investigation of Automated Test System in the Development Actuality and key Techniques

KONG Tao, Rui Xuan WEI

（Air Force Engineering University Engineering College,Xian 710038）

Abstract:In this paper we introduce the development of auto-test technology and its necessity and future application in the field of function-test and failure-diagnoses;discuss some key technologies when we build a auto-test system;particularl dissertate the  characteristics of virtual instrument technology that based on PC,also its software architecture,hardware architecture as well as designing key technogies are introduced,finally we bring forward some common bus types and application characteristics of presently VI system.

Keywords:Automated Test System;Fault Diagnosis;Key Techniques

1 引言

所謂自動檢測，是指由計算機進(jìn)行控制對系統(tǒng)、設(shè)備和部件進(jìn)行性能檢測和故障診斷，是性能檢測、連續(xù)監(jiān)測、故障檢測和故障定位的總稱。現(xiàn)代自動檢測技術(shù)是計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、信息論、控制論、測量技術(shù)、傳感技術(shù)等學(xué)科發(fā)展的產(chǎn)物，是這些學(xué)科在解決系統(tǒng)、設(shè)備、部件性能檢測和故障診斷的技術(shù)問題中相結(jié)合的產(chǎn)物。凡是需要進(jìn)行性能測試和故障診斷的系統(tǒng)、設(shè)備、部件，均可以采用自動檢測技術(shù)，它既適用于電系統(tǒng)也適用于非電系統(tǒng)。電子設(shè)備的自動檢測與機械設(shè)備的自動檢測在基本原理上是一樣的，均采用計算機/微處理器作控制器通過測試軟件完成對性能數(shù)據(jù)的采集、變換、處理、顯示/告警等操作程序，而達(dá)到對系統(tǒng)性能的測試和故障診斷的目的。                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             

2 自動檢測系統(tǒng)的基本原理

自動檢測系統(tǒng)（ATS）是一個不斷發(fā)展的概念，隨著各種高新技術(shù)在檢測領(lǐng)域的運用，它不斷被賦予各種新的內(nèi)容和組織形式。因此，以現(xiàn)代電子設(shè)備的自動檢測系統(tǒng)組成原理框圖，如圖1所示 ，說明當(dāng)前自動檢測系統(tǒng)的基本組成。

圖1自動檢測系統(tǒng)的組成

 

圖中表明，當(dāng)前的自動檢測系統(tǒng)，通常包括以下幾個部分。

1、控制器

控制器是自動檢測系統(tǒng)的核心，它由計算機構(gòu)成。其功能是管理檢測周期，控制數(shù)據(jù)流向，接收檢測結(jié)果，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，檢查讀數(shù)是否在誤差范圍內(nèi)，進(jìn)行故障診斷，并將檢測結(jié)果送到顯示器或打印機?？刂破魇窃跈z測程序的作用下，對檢測周期內(nèi)的每一步驟進(jìn)行控制，從而完成上述功能的。

2、激勵信號源

激勵信號源是主動式檢測系統(tǒng)必不可少的組成部分．其功能是向被測單元（UUT）提供檢測所需的激勵使號。根據(jù)各種UUT的不同要求，激勵裝置的形式也不同，如交直流電源、函數(shù)發(fā)生器、D／A變換器、頻率合成器、微波源等。

3、測量儀器

測量儀器的功能是檢測UUT的輸出信號．根據(jù)檢測的不同要求，測量儀器的形式也不同，如數(shù)字式多用表，頻率計，A／D變換器及其它類型的檢測儀器等。

4、開關(guān)系統(tǒng)

開關(guān)系統(tǒng)的功能是控制UUT和自動檢測系統(tǒng)中有關(guān)部件間的信號通道。即控制激勵信號輸入UUT，和UUT的被測信號輸往測量裝置的信號通道。

5、適配器

適配器的功能是實現(xiàn)UUT與自動檢測系統(tǒng)之間的信號連接。

6、人機接口

人機接口的功能是實現(xiàn)操作員和控制器的雙向通信。常見的形式為，操作員用鍵盤或開關(guān)向控制器輸人信息，控制器將檢測結(jié)果及操作提示等有關(guān)信息送到顯示器顯示。顯示器的類型有陰極射線管（CRT）顯示器、液晶（LCD）顯示器、發(fā)光二級管（LED）顯示器或燈光顯示裝置等。當(dāng)需要打印檢測結(jié)果時，人機接口內(nèi)應(yīng)配備打印機。

7、檢測程序

自動檢測系統(tǒng)是在檢測程序的控制下進(jìn)行性能檢測和故障診斷的。檢測程序完成人機交互、儀器管理和驅(qū)動、檢測流程控制、檢測結(jié)果的分析處理和輸出顯示、故障診斷等，是自動檢測系統(tǒng)的重要組成部分。

3 自動檢測系統(tǒng)的組建及其關(guān)鍵技術(shù)

計算機技術(shù)的發(fā)展為自動檢測系統(tǒng)（ATS）的組建提供了多種可能，典型的自動檢測系統(tǒng)主要由自動化檢測設(shè)備（ATE），檢測程序集（TPS）和檢測環(huán)境三部分組成。ATE由檢測和測量儀器、主計算機、矩陣開關(guān)、通訊總線、接收器和系統(tǒng)軟件組成。典型自動檢測系統(tǒng)的組建如圖2所示。主計算機控制檢測和測量儀器以及TPS的運行。系統(tǒng)軟件（如操作系統(tǒng)、編譯器及實驗運行程序等）控制檢測工作站的工作狀態(tài)，對TPS進(jìn)行開發(fā)并執(zhí)行。TPS由檢測、診斷程序，連接被測單元（UUT）和ATE的適配器及操作手冊等組成。檢測環(huán)境包括ATS的結(jié)構(gòu)描述、編程和檢測規(guī)范語言、編譯器、開發(fā)工具以及描述對象設(shè)計需求、檢測策略信息的標(biāo)準(zhǔn)格式等。

圖2 典型ATS結(jié)構(gòu)概念示意

3.1 現(xiàn)代自動檢測系統(tǒng)組建的關(guān)鍵技術(shù)

由于現(xiàn)代微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，檢測技術(shù)與計算機深層次的結(jié)合引起了檢測儀器領(lǐng)域的革命，全新的儀器結(jié)構(gòu)概念和檢測設(shè)備組建方式不斷更新。現(xiàn)代檢測設(shè)備組建的關(guān)鍵技術(shù)主要集中在以下幾點。

一、程控接口技術(shù)

如何實現(xiàn)檢測系統(tǒng)與被測設(shè)備間的自動連接，是實現(xiàn)檢測過程自動化的關(guān)鍵。用計算機程序控制的接口單元（PIU）是解決這一問題的重要手段。這種程控接口（PIU）包括一組通用的連接點，并配有所需的緩沖器和多路分配器，用于完成三項基本任務(wù)。

1、發(fā)生、調(diào)理（如衰減、緩沖、變換等）模擬與數(shù)字激勵，并將激勵引導(dǎo)到相應(yīng)的被測裝置；

2、把從相應(yīng)的被測裝置引線來的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)理并引導(dǎo)到自動檢測系統(tǒng)；

3、將程控負(fù)載加到相應(yīng)的被測裝置引線上。

簡言之，程控接口在程序控制下，能夠把任何檢測系統(tǒng)功能引導(dǎo)到任何被測設(shè)備，并能完成檢測。

二、虛擬儀器技術(shù)

80年代末期，美國NI（National Instrument）公司提出了虛擬儀器的概念：在一定的硬件平臺下，利用軟件在屏幕上生成虛擬面板，在軟件導(dǎo)引下進(jìn)行信號采集、運算、分析和處理，實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的各種功能。

虛擬儀器是計算機技術(shù)同儀器技術(shù)深層次結(jié)合產(chǎn)生的全新概念的儀器，是對傳統(tǒng)儀器概念的重大突破。傳統(tǒng)儀器的主要功能模塊都是以硬件（或固化的軟件）的形式存在的，而虛擬儀器是具有儀器功能的軟硬件組合體。虛擬儀器系統(tǒng)的功能可根據(jù)軟件模塊的功能及其不同組合而靈活配置，因而得以實現(xiàn)并擴充傳統(tǒng)儀器的功能。

三、專家系統(tǒng)

自動檢測技術(shù)與專家系統(tǒng)的結(jié)合也是自動檢測領(lǐng)域的一個重要發(fā)展趨勢。專家系統(tǒng)作為人工智能的重要組成部分，于五十年代產(chǎn)生，到八十年代形成人工智能這一完整的學(xué)科體系。美國在八十年代中期就率先將專家系統(tǒng)引入航空機載設(shè)備的檢測，效果良好。專家系統(tǒng)與典型自動檢測設(shè)備的結(jié)合，將大大提高故障分析判斷能力，提高設(shè)備維修保障效率。

四、現(xiàn)場故障檢測技術(shù)

現(xiàn)代機載設(shè)備的發(fā)展趨勢是微處理器和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用日益普遍，現(xiàn)場故障檢測也就越加顯得重要。為了便于現(xiàn)場維修，正在開發(fā)、研究諸如特征分析、邏輯分析、電路模擬、內(nèi)在診斷等現(xiàn)場故障檢測技術(shù)。例如，采用“特征分析技術(shù)”，在電路圖的有關(guān)節(jié)點，標(biāo)明“特征”，由設(shè)備本身產(chǎn)生激勵，用一種簡單的、無源的檢測儀器—特征分析儀，就能迅速地在現(xiàn)場找出故障，定位到元器件，從而大大地簡化了維修現(xiàn)場的故障診斷，有效地提高了設(shè)備的戰(zhàn)備率。

五、開放、可互操作的ATS實現(xiàn)技術(shù)

所謂ATS的可互操作性是指兩個以上的系統(tǒng)或部件可以直接、有效地共用數(shù)據(jù)和信息。就一般的ATS結(jié)構(gòu)來說，其互操作性主要體現(xiàn)在可以共用TPS和ATE的資源，可以共用一個底層的診斷子系統(tǒng)，可以支持多種運行環(huán)境和語言。所謂系統(tǒng)的開放性是指：其功能部件采用廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)或協(xié)議，從而可在不同的系統(tǒng)中使用，可以與其它系統(tǒng)中的部件互操作，軟件可以方便的移植；其接口也符合廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范或協(xié)議，或具有完全明確的定義，從而通過插入新的功能部件，即可增加、擴展和提高系統(tǒng)的性能。

4基于PC的虛擬儀器技術(shù)

一、虛擬儀器的定義及構(gòu)成

一般說來將傳統(tǒng)儀器的硬件和最新計算機軟件技術(shù)充分結(jié)合起來，以實現(xiàn)并擴展傳統(tǒng)儀器的功能。因此，將數(shù)據(jù)采集卡插入計算機空閑的擴展槽中，利用軟件在屏幕上生成虛擬面板，在軟件引導(dǎo)下進(jìn)行信號采集、運算、分析和處理，實現(xiàn)儀器功能并完成檢測的全過程，這就是所謂的虛擬儀器。與傳統(tǒng)儀器的比較如表1。

表1 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較

虛擬儀器	傳統(tǒng)儀器
核心是軟件	核心是硬件
開發(fā)和維護費用低	開發(fā)和維護費用高
技術(shù)更新周期短	技術(shù)更新周期長
可重用性、可配置性強	功能單一、可配置性差
數(shù)據(jù)可編輯、存儲、打印	數(shù)據(jù)無法直接處理
易于與其它設(shè)備通訊	不易實現(xiàn)通訊
功能由用戶自己定義	功能由廠家預(yù)先定義

虛擬儀器系統(tǒng)的基本構(gòu)成框圖如圖3所示。目前較為常用的虛擬儀器系統(tǒng)有PC總線方式、GPIB通用接口總線方式和VXI總線方式等多種類型。

1、PC總線插卡型虛擬儀器

基于PC總線插卡型虛擬儀器它借助于插入計算機內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟件相結(jié)合，完成檢測任務(wù)，充分利用了計算機的總線、機箱、電源及軟件。典型插卡型虛擬儀器由傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡、計算機四部分組成。多層電路板、可編程儀器放大器、即插即用、系統(tǒng)定時控制器、多數(shù)據(jù)采集板、實時系統(tǒng)集成總線、具有雙緩沖區(qū)的高速

數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)高速傳送中斷、DMA等技術(shù)應(yīng)用，使數(shù)據(jù)采集卡能保證很高的準(zhǔn)

確度與可靠圖3 虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成框圖

性。

2、GPIB總線方式

GPIB技術(shù)是IEEE488標(biāo)準(zhǔn)的虛擬儀器早期的發(fā)展階段。它的出現(xiàn)使電子測量由獨立的單臺手工操作向大規(guī)模自動檢測系統(tǒng)發(fā)展。典型的GPIB系統(tǒng)由一臺PC機、一塊GPIB接口卡和若干臺GPIB形式的儀器通過GPIB電纜連接而成。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，一塊GPIB接口卡可帶多達(dá)14臺的儀器，電纜長度可達(dá)20米。GPIB技術(shù)可用計算機實現(xiàn)對儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，可以很方便地把多臺儀器組合起來，形成大的自動檢測系統(tǒng)。GPIB測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡單，造價較低，主要應(yīng)用于臺式儀器市場。適用于精確度要求高，但對計算機速率要求不高的場合。

3、VXI總線

VXI總線是高速計算機總線VME在虛擬儀器領(lǐng)域的擴展，它具有穩(wěn)定的電源、強有力的冷卻能力和嚴(yán)格的RFI/EMI屏蔽。由于它的標(biāo)準(zhǔn)開放，且具有結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強、定時和同步精確、模塊可重復(fù)利用、眾多儀器廠家支持的優(yōu)點，很快得到廣泛的應(yīng)用。其適合于組建大、中規(guī)模自動檢測系統(tǒng)以及對速度、精度要求高的場合。然而，組建VXI總線要求有機箱、管理器及嵌入式控制器，造價比較高。

二、虛擬儀器系統(tǒng)的軟件

通用計算機軟件和儀器軟件的有機組合，構(gòu)成了虛擬儀器的基本軟件框架，該軟件框架主要包括以下三部分。

1、總線接口軟件

總線接口軟件駐留在計算機系統(tǒng)之中執(zhí)行總線的特殊功能，是實現(xiàn)虛擬儀器功能的最基礎(chǔ)軟件，一般要求該軟件還必須與其它儀器系統(tǒng)（GPIB、RS—232等）的軟件結(jié)構(gòu)兼容，以便于系統(tǒng)集成。它處于軟件框架的最底層。

2、儀器驅(qū)動軟件

儀器驅(qū)動軟件處于軟件框架的中間層，完成對某一特定儀器的控制與通訊，它可作為用戶程序的一部分。每個儀器模塊均有自己的儀器驅(qū)動程序。儀器驅(qū)動程序的實質(zhì)是為用戶提供用于儀器操作的較抽象的操作函數(shù)集。對于應(yīng)用程序來說，它對儀器的操作是通過儀器驅(qū)動程序來實現(xiàn)的；儀器驅(qū)動程序?qū)τ趦x器的操作與管理，又是通過輸入/輸出（I/O）軟件所提供的統(tǒng)一基礎(chǔ)與格式的函數(shù)庫（VASA）調(diào)用實現(xiàn)的。

3、應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境

應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境位于軟件框架的最頂層，它將計算機的數(shù)據(jù)分析和顯示能力與儀器驅(qū)動器融合在一起，為用戶開發(fā)虛擬儀器提供了必要的軟件工具和環(huán)境。目前，虛擬儀器系統(tǒng)應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境主要包括兩種：一種是基于傳統(tǒng)的文本語言式平臺，主要是NI公司的LabWindows/CVI和微軟公司的VC++、Visual Basic等；一種是基于圖形化工程環(huán)境的平臺，如HP公司的HP VEE、NI公司的LabVIEW等。

5 結(jié)束語

未來測試系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，在軍用領(lǐng)域，就是采用開放的商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，大幅度減少測試系統(tǒng)軟、硬件的開發(fā)、升級的費用，實現(xiàn)自動測試系統(tǒng)的互操作，滿足武器維護的靈活性，實現(xiàn)各軍種間、不同維護級別間自動測試系統(tǒng)的通用，最大限度地發(fā)揮測試系統(tǒng)的能力。民用領(lǐng)域， PC機的廣泛應(yīng)用給自動檢測系統(tǒng)領(lǐng)域帶來了革命性的變化，利用計算機豐富的軟硬件資源可以有效地突破傳統(tǒng)測試技術(shù)在數(shù)據(jù)信號處理、顯示、傳送、存儲、打印等方面的局限?，F(xiàn)代檢測技術(shù)不僅要求儀器能單獨測量某個量，而且更希望它們之間能夠互相通信，實現(xiàn)信息共享，從而對被測的各系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析、評估，得出準(zhǔn)確判斷。