薛雅心，桂堅(jiān)斌，付 輝，許文進(jìn)，龔 青

（中國(guó)兵器裝備集團(tuán)上海電控研究所，上海 200092）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，特種車輛乘員艙的滅火抑爆系統(tǒng)普遍采用了光學(xué)探測(cè)技術(shù)來(lái)探測(cè)火情[1]。光學(xué)探測(cè)器產(chǎn)品是整車滅火抑爆系統(tǒng)的重要組成部分，目前需求量大。主要功能是及時(shí)采集判斷火焰光并輸出火警信號(hào)，其探測(cè)靈敏度、響應(yīng)速度和準(zhǔn)確性直接關(guān)系到系統(tǒng)的運(yùn)行效率和安全性。然而，在長(zhǎng)期實(shí)踐中，光學(xué)探測(cè)器可能會(huì)出現(xiàn)各種故障，如灰塵污染、光信號(hào)偏移、接觸問(wèn)題等，給裝備的正常運(yùn)行帶來(lái)了不良影響。因此，在出廠前對(duì)光學(xué)探測(cè)器進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。

目前，光學(xué)探測(cè)器的檢測(cè)方式為通過(guò)人工用萬(wàn)用表逐點(diǎn)測(cè)量的方式，工作量大，判斷故障的技術(shù)難度大，且時(shí)間較長(zhǎng)，用工成本高，難免出現(xiàn)錯(cuò)查、漏查現(xiàn)象，直接影響到產(chǎn)品部件的質(zhì)量和可靠性。

為了克服這些難題，本文提出了一種基于LabVIEW 的光學(xué)探測(cè)器板級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，能夠代替人工進(jìn)行光學(xué)探測(cè)器的板級(jí)檢測(cè)。通過(guò)電路板故障診斷技術(shù)實(shí)現(xiàn)光學(xué)探測(cè)器快速故障定位和自動(dòng)判斷，消除人工測(cè)量可能帶來(lái)的錯(cuò)查、漏查的問(wèn)題[2]。該系統(tǒng)具有檢測(cè)速度快、精度高、成本低、自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢(shì)，為光學(xué)探測(cè)器的制造、檢測(cè)和維護(hù)提供了方便和效率，降低用人成本，確保了產(chǎn)品功能的可靠性，提高了產(chǎn)品的檢測(cè)效率，并為后續(xù)光學(xué)探測(cè)器檢測(cè)維修提供依據(jù)。

1 系統(tǒng)組成

基于LabVIEW 的光學(xué)探測(cè)器板級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)主要應(yīng)用于光學(xué)探測(cè)器電路板的檢測(cè)中。本系統(tǒng)主要由硬件部分和軟件部分組成，系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram

硬件部分主要包括信號(hào)采集模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、電源模塊和上位機(jī)等。其中，信號(hào)采集電路通過(guò)測(cè)試裝置專用探針，采集被測(cè)產(chǎn)品上的電壓信號(hào)并傳送至數(shù)據(jù)采集設(shè)備或信號(hào)調(diào)理模塊；信號(hào)調(diào)理電路負(fù)責(zé)對(duì)接收到的原始信號(hào)或數(shù)據(jù)采集設(shè)備輸出的模擬輸出電壓進(jìn)行處理；數(shù)據(jù)采集設(shè)備負(fù)責(zé)模擬電壓信號(hào)和上位機(jī)數(shù)字信號(hào)的相互轉(zhuǎn)化與傳遞。電源模塊將市電轉(zhuǎn)化為直流電，為整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)供電。上位機(jī)上安裝了檢測(cè)軟件，按照設(shè)計(jì)好的程序發(fā)送指令與硬件交互，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行分析與處理，并將結(jié)果顯示到界面上。

軟件部分主要為L(zhǎng)abVIEW 軟件平臺(tái)，包括數(shù)據(jù)采集處理、故障分析和人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)。其中，數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，處理模塊負(fù)責(zé)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，儲(chǔ)存模塊負(fù)責(zé)將處理的結(jié)果儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，人機(jī)交互界面則為用戶提供了一個(gè)直觀、友好的操作界面，方便用戶對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作和監(jiān)控。

該檢測(cè)裝置用于測(cè)試光學(xué)探測(cè)器采集控制線路板與電源驅(qū)動(dòng)線路板功能是否滿足產(chǎn)品要求。該檢測(cè)裝置操作簡(jiǎn)單，使用方便，安全性高，可提高生產(chǎn)效率，降低人工成本。

2 硬件設(shè)計(jì)

原始信號(hào)采集電路是負(fù)責(zé)生成并采集光學(xué)探測(cè)器線路板的測(cè)試點(diǎn)電壓。通過(guò)信號(hào)調(diào)理將原始信號(hào)進(jìn)行降壓處理，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)采集設(shè)備可以直接測(cè)量的電壓；或?qū)?shù)據(jù)采集設(shè)備的模擬輸出電壓進(jìn)行放大處理，使其具備一定的負(fù)載能力。在設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路時(shí)，需要考慮到信號(hào)的穩(wěn)定性和精度，為了保證信號(hào)的穩(wěn)定性，采用了高精度的運(yùn)放進(jìn)行信號(hào)放大，并使用了高精度的電阻進(jìn)行電壓分壓。同時(shí)，為了提高信號(hào)的精度，還使用了高精度的ADC 進(jìn)行信號(hào)采集。

數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用NI USB-6001，該數(shù)據(jù)采集設(shè)備有8 路AI、2 路AO、13 路DIO，具有較高的精度和較大的分辨率和采樣率，確保采樣電壓的準(zhǔn)確性。通過(guò)USB 口就能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與被測(cè)部件的數(shù)據(jù)傳遞，是一種低成本的多功能DAQ 設(shè)備。作用是將采集到的模擬信號(hào)傳輸給LabVIEW 軟件平臺(tái)進(jìn)行處理，或?qū)abVIEW 軟件平臺(tái)編輯好的信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)輸出至信號(hào)調(diào)理模塊。

被測(cè)產(chǎn)品生成的在數(shù)據(jù)采集設(shè)備量程內(nèi)的小電壓信號(hào)直接連接至數(shù)據(jù)采集設(shè)備，大電壓由信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行降壓處理，轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)采集設(shè)備可直接測(cè)量的電壓。數(shù)據(jù)采集設(shè)備生成的模擬輸出信號(hào)負(fù)載能力較弱，為滿足驅(qū)動(dòng)能力，需要由信號(hào)調(diào)理電路放大處理。同時(shí)，電源模塊還具有過(guò)流保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)功能，以確保系統(tǒng)的安全性。

3 軟件設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)的軟件采用LabVIEW 進(jìn)行編寫(xiě)。LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器公司的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，是一種基于G 語(yǔ)言圖形化編程的測(cè)試系統(tǒng)軟件，廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件[4,5]。

通過(guò)檢測(cè)軟件對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行后續(xù)分析和處理，并將結(jié)果顯示到界面上。用戶可直接通過(guò)界面信息，判斷被測(cè)產(chǎn)品的狀態(tài)。

軟件部分主要包括數(shù)據(jù)采集處理、故障分析和人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)，下面將分別對(duì)這3 個(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹。

數(shù)據(jù)采集處理模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)光學(xué)探測(cè)器產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，將采集到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理。通過(guò)NI USB-6001 將電壓信號(hào)發(fā)送至LabVIEW 軟件平臺(tái)后，采用LabVIEW 自帶的DAQmx 數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行信號(hào)采集，并對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，包括濾波、放大、去噪等操作。其中，濾波操作主要用于去除信號(hào)中的噪聲，放大操作主要用于增強(qiáng)信號(hào)的強(qiáng)度，去噪操作主要用于去除信號(hào)中的雜波，最后將處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，以備后續(xù)的故障分析和數(shù)據(jù)分析使用。

為了判斷光學(xué)探測(cè)器線路板檢測(cè)點(diǎn)位的數(shù)據(jù)是否正常，需要設(shè)計(jì)一個(gè)故障分析模塊，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和判斷，確定是否故障以及故障原因。在故障分析過(guò)程中，需要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定是否存在異常數(shù)據(jù)?？梢允褂肔abVIEW 中的數(shù)據(jù)分析模塊，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、頻譜分析等處理，確定是否存在異常數(shù)據(jù)。在確定存在異常數(shù)據(jù)后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步地分析和診斷，并判斷是否存在故障。通過(guò)使用LabVIEW 中的邏輯模塊編寫(xiě)相應(yīng)的判斷程序?qū)Ξ惓?shù)據(jù)進(jìn)行診斷，可以判斷出故障的類型和位置，確定故障原因。判斷故障后，通過(guò)故障提示與報(bào)警，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理故障，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

人機(jī)交互界面直接面向用戶，需要設(shè)計(jì)一個(gè)直觀、友好的界面，將各個(gè)功能模塊分布在不同的區(qū)域，方便用戶進(jìn)行操作和監(jiān)控。在界面中，添加相應(yīng)的按鈕控件，能夠?yàn)橛脩籼峁┎僮骺刂乒δ?，包括啟?dòng)、停止、復(fù)位等操作。通過(guò)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和故障分析后顯示在文本框、波形圖表等控件上，以便用戶更加直觀地了解系統(tǒng)的運(yùn)行情況和光學(xué)探測(cè)器電路板的故障情況。

圖2 為光學(xué)探測(cè)器板級(jí)檢測(cè)軟件的人機(jī)交互界面。待測(cè)電壓點(diǎn)為光學(xué)探測(cè)器線路板中7 個(gè)待測(cè)點(diǎn)位，在待測(cè)電壓點(diǎn)附近標(biāo)注了該點(diǎn)位的電壓正常范圍，在單擊“電壓采集”后，系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)對(duì)光學(xué)探測(cè)器進(jìn)行電壓采集，將采集到的電壓值輸出至“電壓采集值”中，若有點(diǎn)位故障則標(biāo)紅顯示，同時(shí)與電壓正常范圍進(jìn)行對(duì)比，以判斷故障等級(jí)。

圖2 人機(jī)界面Fig.2 Human machine interface

4 檢測(cè)流程

板級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)的軟件流程如圖3 所示，包括系統(tǒng)初始化、電壓檢測(cè)、紫外脈沖檢測(cè)、火警信號(hào)檢測(cè)和結(jié)果顯示。具體步驟為：

圖3 軟件檢測(cè)流程Fig.3 Software testing process

1）系統(tǒng)初始化：即對(duì)電壓檢測(cè)、紫外脈沖檢測(cè)和火警信號(hào)檢測(cè)3 個(gè)模塊的歷史數(shù)據(jù)清空，所有布爾按鈕初始化。

2）電壓檢測(cè)：?jiǎn)螕簟半妷簷z測(cè)”按鈕，即可采集到線路板當(dāng)前電壓值，并對(duì)電壓值做出判斷。當(dāng)所有電壓值均在范圍內(nèi)，則顯示“PASS”（綠）且各采樣值右側(cè)指示燈亮綠燈。若任一電壓值超范圍，則顯示“FAIL”（紅），且該采樣值右側(cè)指示燈亮紅燈，表示不通過(guò)。

3）紫外脈沖檢測(cè)。以“連續(xù)采樣”的采集模式對(duì)紫外脈沖電壓進(jìn)行采集，將采集到的紫外脈沖還原，動(dòng)態(tài)顯示在波形圖表中。單擊“紫外脈沖檢測(cè)”按鈕，紫外管工作電壓采樣電路斷開(kāi)，有火時(shí)可觀察到紫外脈沖并動(dòng)態(tài)顯示到波形圖表中。單擊“停止紫外測(cè)試”，保留當(dāng)前波形。

4）火警信號(hào)檢測(cè)：?jiǎn)螕簟盎鹁盘?hào)檢測(cè)”按鈕，開(kāi)始采集TP1 的電壓，此時(shí)顯示“TP1 信號(hào)無(wú)輸出”。若5s 內(nèi)TP1 無(wú)輸出，則紫外管工作電壓采樣電路恢復(fù)正常，程序終止。5s 內(nèi)TP1 電壓一旦達(dá)到要求，則立即顯示“TP1 信號(hào)輸出正?！?。

5）復(fù)位。單擊“復(fù)位”按鈕，軟件界面初始化，紫外管工作電壓采樣電路恢復(fù)。

5 驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證本檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和實(shí)用性，通過(guò)萬(wàn)用表和該檢測(cè)軟件分別對(duì)光學(xué)探測(cè)器的電路板進(jìn)行了檢測(cè)，得到檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。測(cè)量精度常用相對(duì)誤差δ來(lái)衡量[3]，計(jì)算公式為：

表1 通過(guò)板級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量10次TP1電壓值的結(jié)果Table 1 Results of 10 TP1 voltage measurements using a board level detection system

其中，xi為被測(cè)量的測(cè)量結(jié)果，x0為標(biāo)準(zhǔn)值。

以TP1 點(diǎn)為例，電壓正常范圍為3.56V ～3.90V，上電后，通過(guò)標(biāo)定的萬(wàn)用表檢測(cè)電壓為3.75V，表1 為通過(guò)板級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量10 次TP1 電壓值的結(jié)果。

經(jīng)過(guò)上述驗(yàn)證，證明該板級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地采集光學(xué)探測(cè)器產(chǎn)生的電壓值并顯示出來(lái)，與萬(wàn)用表測(cè)試出來(lái)的結(jié)果誤差值均小于±0.7%?？梢缘贸?，板級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)的電壓測(cè)量精度高，結(jié)果準(zhǔn)確。

為了驗(yàn)證測(cè)試效率，表2 為10 次板級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)和人工手動(dòng)檢測(cè)的時(shí)間對(duì)比結(jié)果。板級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試流程平均耗費(fèi)時(shí)間為66s，遠(yuǎn)小于通過(guò)萬(wàn)用表手動(dòng)測(cè)試的204s，可在實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)中替代萬(wàn)用表對(duì)光學(xué)探測(cè)器的點(diǎn)位進(jìn)行監(jiān)控和檢測(cè)。

表2 10次板級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)和人工手動(dòng)檢測(cè)的時(shí)間對(duì)比結(jié)果Table 2 Time comparison results of 10 board level detection systems and manual detection

6 總結(jié)

基于LabVIEW 的光學(xué)探測(cè)器板級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)是一種高效、精確、可靠的檢測(cè)裝置。該系統(tǒng)采用了高精度的硬件電路和LabVIEW 軟件平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)探測(cè)器電路板的精確檢測(cè)和分析，可以快速高效地檢測(cè)和定位光學(xué)探測(cè)器電路板異常。同時(shí)，該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，使用方便，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，證明了該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和精度，可提高生產(chǎn)效率和自動(dòng)化檢測(cè)工作的程度，降低人工成本，為光學(xué)探測(cè)器的生產(chǎn)和研發(fā)提供了非常重要的支持。該系統(tǒng)在光學(xué)探測(cè)器電路板的生產(chǎn)和質(zhì)量控制中具有顯著作用，為光學(xué)探測(cè)器的生產(chǎn)和改進(jìn)提供了重要支撐。