李天偉，李正友，黃 謙

（海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 116018）

0 引 言

自動(dòng)舵作為船舶上最重要的航海設(shè)備之一，其發(fā)生故障時(shí)將對(duì)船舶的海上航行安全造成重大影響。目前自動(dòng)舵故障電路板大部分需要返廠維修，維修周期長(zhǎng)，維修效率低；因此，研究便攜式的自動(dòng)舵電路故障測(cè)試系統(tǒng)具有非常重要的意義，既可以由服務(wù)商攜帶到船上進(jìn)行故障測(cè)試，也可以隨船攜帶由船員進(jìn)行故障測(cè)試。

1 測(cè)試系統(tǒng)需求分析

電路故障測(cè)試有自動(dòng)測(cè)試和手動(dòng)測(cè)試兩種方法[1]。自動(dòng)測(cè)試不需要使用者的干預(yù)，能夠快速定位到故障元器件，但它僅能夠直接判斷出部分常見(jiàn)故障。手動(dòng)測(cè)試能夠定位電路板全部故障，但依賴使用者的故障測(cè)試能力和經(jīng)驗(yàn)。在實(shí)際故障測(cè)試中，自動(dòng)測(cè)試和手動(dòng)測(cè)試應(yīng)該結(jié)合使用。

在進(jìn)行故障測(cè)試之前，電路板需要加電工作，故障測(cè)試系統(tǒng)需要提供交流或直流電源，以及若干模擬輸出通道，作為電路板的模擬輸入。自動(dòng)測(cè)試時(shí)，為簡(jiǎn)化測(cè)試步驟，一般在加電狀態(tài)下測(cè)試電路板上若干測(cè)試點(diǎn)的電壓信息，由軟件判斷出故障位置；此時(shí)故障測(cè)試系統(tǒng)需要提供若干數(shù)據(jù)采集通道。手動(dòng)測(cè)試時(shí)，不但要測(cè)試電壓，還可能要測(cè)試電流、電阻等，為輔助測(cè)試者分析判斷故障，還需要實(shí)現(xiàn)數(shù)字萬(wàn)用表、示波器、頻譜分析儀、信號(hào)發(fā)生器等虛擬儀器；這需要故障測(cè)試系統(tǒng)提供高精度、高速度、寬電壓范圍的數(shù)據(jù)采集通道。

2 測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由于經(jīng)常需要攜帶測(cè)試系統(tǒng)到船上進(jìn)行測(cè)試，系統(tǒng)硬件應(yīng)盡量減小，便于攜帶，所以測(cè)試系統(tǒng)硬件由筆記本電腦、多功能數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)字萬(wàn)用表卡、電源、接口電路、專用接口電纜等組成[2]，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，實(shí)物如圖2所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 測(cè)試系統(tǒng)硬件實(shí)物圖

以某型自動(dòng)舵為例，其內(nèi)部共有2種放大板、2種電源板、1種報(bào)警板、1種顯示板、1種組合板，共計(jì)7種電路板。這些電路板既有模擬電路，也有數(shù)字電路，但都不太復(fù)雜。所有的數(shù)字電路板接口都是TTL電平，單塊電路板輸入輸出接口數(shù)目不超過(guò)32路；單塊模擬電路板需要的模擬輸出通道不超過(guò)4路，數(shù)據(jù)采集通道不超過(guò)32路。僅選擇1塊NI USB-6259[3]多功能數(shù)據(jù)采集卡即可滿足上述需求；再選擇1塊NIPCMCIA-4050數(shù)字萬(wàn)用表卡，用于精確測(cè)量電阻、電壓、電流?？梢?jiàn)系統(tǒng)僅采用1臺(tái)筆記本電腦、1塊數(shù)據(jù)采集卡及1塊數(shù)字萬(wàn)用表卡，即可滿足該自動(dòng)舵全部電路板的故障測(cè)試需求。

筆記本電腦是整個(gè)故障測(cè)試系統(tǒng)的控制中樞，它可以根據(jù)任務(wù)需要，控制多功能數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生被測(cè)電路板需要的模擬或數(shù)字輸入信號(hào)，經(jīng)接口電路板和專用接口電纜送入被測(cè)電路板，模擬電路板的各種工作狀態(tài)。被測(cè)電路板的輸出信號(hào)或通過(guò)探筆采集的被測(cè)電路故障特征信號(hào)，經(jīng)過(guò)接口電路和數(shù)據(jù)采集卡，被送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。自動(dòng)測(cè)試時(shí)，將被測(cè)數(shù)據(jù)送入智能故障診斷程序，自動(dòng)給出測(cè)試結(jié)果。手動(dòng)測(cè)試時(shí)，計(jì)算機(jī)軟件根據(jù)測(cè)試任務(wù)需要，生成不同的虛擬檢測(cè)儀器（如示波器、萬(wàn)用表、頻譜分析儀等），顯示被測(cè)電路板的相關(guān)信息。接口電路除了為被測(cè)電路板提供工作所需的假負(fù)載、供電電源及模擬輸入外，還為數(shù)據(jù)采集提供信號(hào)調(diào)理、過(guò)壓保護(hù)等。

系統(tǒng)硬件采用通用性與特殊性相結(jié)合的設(shè)計(jì)思路。不同的被測(cè)電路板采用與其配套的專用接口電纜和故障測(cè)試程序，它們共同使用筆記本電腦、數(shù)據(jù)采集卡、電源、接口電路等。專用接口電纜的一端與被測(cè)電路板接口相同，另一端與接口電路板上通用接口相連。這樣保證了通用性與特殊性的統(tǒng)一，既節(jié)約了成本、減小了硬件體積，又增強(qiáng)了功能，有利于二次開(kāi)發(fā)。

3 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電路故障測(cè)試的目的是為了判定電路的故障原因并修復(fù)，是判斷電路故障的基本工作[4]。電路故障測(cè)試系統(tǒng)與一般測(cè)試系統(tǒng)不同，需要采用更多的測(cè)試手段和提供相關(guān)輔助信息。它除了進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試外，還與故障診斷理論相結(jié)合，共同構(gòu)成電路故障診斷系統(tǒng)，這對(duì)測(cè)試系統(tǒng)軟件部分提出了更高的要求。故障測(cè)試軟件不單單是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，除了進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析、顯示外，還必須提供故障診斷過(guò)程中所需的其它相關(guān)信息，如電路原理圖、標(biāo)示實(shí)際測(cè)試位置的實(shí)物圖、被測(cè)元器件的性能參數(shù)、測(cè)試點(diǎn)的參考值、以往同類電路板的測(cè)試經(jīng)驗(yàn)等。體現(xiàn)在程序編寫(xiě)上，需要綜合采用圖形編程技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)等。現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集軟件（如LabVIEW或LabWindows/CVI）都專注于數(shù)據(jù)采集，在開(kāi)發(fā)綜合應(yīng)用程序、滿足多種需求方面功能偏弱，如在數(shù)據(jù)庫(kù)管理及圖形界面的制作等方面與Microsoft Visual C++等軟件還存在較大差距。

Measurement Studio[3]軟件是National Instruments公司為在Microsoft Visual Studio開(kāi)發(fā)環(huán)境下使用NI公司產(chǎn)品而推出的開(kāi)發(fā)工具，它可以作為Microsoft Visual Studio的一個(gè)組件。在應(yīng)用程序中Measurement Studio軟件專注于硬件接口、數(shù)據(jù)采集及虛擬儀器軟件界面部分，Visual Studio專注于圖形界面、數(shù)據(jù)庫(kù)操作、信號(hào)處理及故障分析判斷。Measurement Studio中集成了LabVIEW中所有的虛擬儀器界面元素，它們可以作為Visual Studio中控件，與其他控件一樣，非常方便地被調(diào)用和處理。Measurement Studio還可以輕松調(diào)用NI硬件產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)程序提供的接口函數(shù)，比LabVIEW能輕松完成更加復(fù)雜的測(cè)試任務(wù)。

3.1 自動(dòng)測(cè)試

為提高故障診斷的自動(dòng)化程度，自動(dòng)測(cè)試方式基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，對(duì)多個(gè)測(cè)試點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析判斷，給出故障診斷的初步結(jié)果。系統(tǒng)采用三層BP網(wǎng)絡(luò)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種誤差反向傳播學(xué)習(xí)算法的多層前饋網(wǎng)絡(luò)，它是利用實(shí)際輸出與期望輸出之差對(duì)網(wǎng)絡(luò)各層連接權(quán)由后向前逐層進(jìn)行校正的一種計(jì)算方法[5-6]。網(wǎng)絡(luò)的輸入是表征電路板故障特征的向量，網(wǎng)絡(luò)的輸出是表征電路板故障模式的向量，一個(gè)故障特征向量對(duì)應(yīng)一個(gè)故障模式向量，一個(gè)故障模式向量對(duì)應(yīng)元件的某種故障，共同構(gòu)成訓(xùn)練模式對(duì)[7-8]。

以該自動(dòng)舵某放大板故障為例。在實(shí)際維修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)該電路板經(jīng)常發(fā)生的故障有：穩(wěn)壓管bz1～3燒壞、三極管bg1～2損壞、運(yùn)算放大器ysq損壞等6個(gè)元件8種故障，加上電路板正常狀態(tài)，共9種模式。在分析電路板工作原理的基礎(chǔ)上，找到電路板上的一些重要測(cè)試點(diǎn)，再根據(jù)主成分分析及實(shí)際的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果對(duì)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行選擇，最終選擇5個(gè)測(cè)試點(diǎn)作為故障特征提取點(diǎn)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入節(jié)點(diǎn)5個(gè)，對(duì)應(yīng)電路板的5個(gè)故障特征；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出單元5個(gè)，按表1所示分別對(duì)應(yīng)電路板的8種故障和正常狀態(tài)；隱層節(jié)點(diǎn)為7個(gè)。

獲取訓(xùn)練數(shù)據(jù)時(shí)，將平時(shí)積累的故障元件更換到7塊工作正常的電路板上，通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)硬件采集相關(guān)測(cè)試點(diǎn)的電壓數(shù)據(jù)，得到表1所示的訓(xùn)練樣本和測(cè)試樣本。將訓(xùn)練數(shù)據(jù)輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，編寫(xiě)自動(dòng)測(cè)試程序。

自動(dòng)測(cè)試程序界面如圖3所示。界面中上方為電路板的輸出曲線，界面左下方為電路板實(shí)際輸出數(shù)據(jù)，界面右下方為利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法自動(dòng)測(cè)試結(jié)果。當(dāng)電路板故障時(shí)，利用該類電路板的專用測(cè)試電纜將電路板連接到故障測(cè)試系統(tǒng)上，打開(kāi)該類電路板專用的自動(dòng)測(cè)試程序，只要點(diǎn)擊“開(kāi)始測(cè)試”按鈕，自動(dòng)測(cè)試程序控制硬件產(chǎn)生該類電路板的工作環(huán)境及各種模擬輸入，通過(guò)變換電路板不同的模擬輸入模擬電路板的不同工作狀態(tài)，分別測(cè)試電路板上相關(guān)測(cè)試點(diǎn)的輸出曲線，測(cè)定特征參數(shù)，輸入事先訓(xùn)練好的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，初步判斷電路板的常見(jiàn)故障，自動(dòng)給出診斷結(jié)果。

表1 樣本示例

圖3 自動(dòng)測(cè)試軟件界面

3.2 手動(dòng)測(cè)試

手動(dòng)測(cè)試方式為測(cè)試者提供被測(cè)電路板的工作環(huán)境、測(cè)試電路時(shí)所需的常用虛擬測(cè)試儀器、被測(cè)電路板的相關(guān)資料等。

圖4所示為手動(dòng)測(cè)試軟件的典型界面。界面左邊是被測(cè)電路板的原理圖，界面右邊從上到下分別為虛擬數(shù)字萬(wàn)用表、虛擬示波器、虛擬頻譜分析儀、被測(cè)元件型號(hào)及作用說(shuō)明、被測(cè)元件在電路板上的實(shí)際位置等。使用者可以在分析電路工作原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合故障現(xiàn)象，選用相應(yīng)的虛擬測(cè)試儀器對(duì)電路上的元器件或故障測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行故障測(cè)試分析。

圖4 手動(dòng)測(cè)試軟件界面

3.3 故障測(cè)試實(shí)例

利用電路板測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，首先進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試，可能遇到如下3種情況：（1）某電路板的輸出曲線如圖5（a）所示，自動(dòng)測(cè)試程序給出的測(cè)試結(jié)果為“電路板工作正?！薄＃?）某電路板輸出曲線如圖5（b）所示，自動(dòng)測(cè)試程序給出的測(cè)試結(jié)果為“三極管bg1損壞”，更換三極管bg1后電路板恢復(fù)正常。（3）某電路板輸出曲線如圖5（c）所示，自動(dòng)測(cè)試程序給出的結(jié)果為“非常見(jiàn)故障，請(qǐng)手動(dòng)測(cè)試”。運(yùn)行該類電路板手動(dòng)測(cè)試程序，在分析電路板工作原理的基礎(chǔ)上，利用虛擬測(cè)試工具對(duì)電路板進(jìn)行測(cè)試，最終確定故障為電容C20故障，更換后電路板恢復(fù)正常。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)自動(dòng)舵維修需要，設(shè)計(jì)了自動(dòng)舵電路板便攜式故障測(cè)試系統(tǒng)，并闡述了測(cè)試系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方法。在實(shí)踐應(yīng)用中證明，系統(tǒng)具有成本低、體積小、功能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。采用自動(dòng)測(cè)試和手動(dòng)測(cè)試相結(jié)合的方法，自動(dòng)測(cè)試時(shí)不需要太多的故障診斷專業(yè)知識(shí)，就能對(duì)電路板進(jìn)行初步測(cè)試，可供船員使用；手動(dòng)測(cè)試時(shí)能提供大量的設(shè)備隨機(jī)資料和虛擬測(cè)試儀器，免去服務(wù)商或生產(chǎn)商上船測(cè)試時(shí)攜帶大量資料和儀器的困難。

圖5 不同情況下電路板輸出曲線

[1]楊江平.電子裝備維修技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006：1-4.

[2]李慶偉，蘇燕辰.基于LabWindows/CVI的車內(nèi)氣壓波動(dòng)信號(hào)處理[J].中國(guó)測(cè)試，2012，38（3）：87-89.

[3]National Instruments.Measurement and automation catalog[G]∥Austin：NI，2007：50-58.

[4]朱大奇.電子設(shè)備故障診斷原理與實(shí)踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004：39-45.

[5]許力.智能控制與智能系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：170-175.

[6]張彥斌，賀從林.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的某裝備電路單元故障診斷研究[J].測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，2010（6）：558-561.

[7]陽(yáng)輝，羅琨，何怡剛.模擬電路故障診斷的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法[J].微電子學(xué)，2010（1）：50-53.

[8]趙鵬，王友仁，崔江，等.模擬電路免疫記憶網(wǎng)絡(luò)故障診斷方法[J].信息與控制，2010（5）：574-579.