一种通信设备故障自动诊断系统的设计和实现＊

徐志军 李 渊

（1.海司信息化部 北京 100841）（2.海军工程大学电子工程学院 武汉 430033）

1 引言

高科技的广泛应用，使通信设备愈来愈具备完备的功能，同时结构也日趋复杂，其故障特征、诊断方式和诊断要求都在发生变化，更换功能板策略受着经济因素的制约，随着通信设备的更新换代备用板可能尚未使用就已过时，所以实现通信设备故障的快速自动诊断定位是现场维修保障的重要课题。

通信设备故障自动诊断系统的研制目的是及时解决该设备的维修保障问题，以满足部队对其迅速、准确、及时排除故障的要求，保证部队通信可靠不中断。为此，系统应具备以下功能：

1）整机诊断功能。为故障自动诊断系统的主要功能，在系统诊断软件的控制之下，通过检测电缆提供给整机检测所需的控制信号和相关的数据信号，通过检测探头采集必要的数据，如电压、阻抗、频率甚至波形信号，然后在系统软件的控制下进行故障的分析诊断，将故障初步压缩至某一部件板。

2）单板检测功能。在整机检测将故障分析至部件板之后，将该部件板脱离原设备，插入检测系统的单板检测接口进行检测。将测量得到的信号与数据库中的标准信号作比较和分析，以此判断部件板的故障情况。

3）人机交互功能。系统能够提供操作帮助，指导操作员完成检测诊断过程。

4）数据管理与维护功能。能对该设备基本信息、故障信息、维护记录等数据进行有效管理和维护。

2 总体方案

图1 系统功能结构图

系统的功能结构如图1所示。根据要求，系统可以完成整机和单板的检测，系统对整机测量控制是通过探头接触来实现的，而对电路板测量控制是通过专用接口来实现。测量时，通过宽带可控信号源模块为整机或单板提供必要的信号驱动。测量所采集的原始数据以一定的数据格式发送到故障自动诊断软件模块，完成故障自动诊断。

各模块所完成的功能如下：

1）数据采集与测量模块。主要任务是测量、采集整机和单板各种信号数据。由于某通信设备具有模块化结构，结构紧凑，剩余空间小，所以整机数据采集传感电路和电路级数据采集传感电路采用探头式设计。而单板的检测采用的是插入式，数据采集主要通过交换矩阵自动从接口电路采集相应信号。采集的信号包括电压、阻抗、频率、波形等数据。

2）接口模块。接口模块主要任务是提供单板工作的母环境。被测部件板种类多、电气参数不同，接口模块起到检测系统和部件板间连 接线控制的作用，在检测不同部件板时实现信号复用。

3）宽带可控信号源模块。整机的检测和各种部件板的检测都离不开输入信号驱动，由于各种部件板没有统一标准，信号需求差别较大，为了满足所有部件板对信号的需求，对各个部件板输入信号进行了分析。根据对信号的分析归纳结果，宽带可控信号源模块至少要提供一路1独立信号用于激励器；两路频率覆盖范围达到50kHz～80MHz的信号，50Ω阻抗匹配时输出幅度在0～－31.5dBm可调。

4）故障自动诊断软件模块。主要完成故障自动诊断过程，包括故障自动诊断分析、故障自动诊断指导、故障自动诊断结果等功能。系统综合考虑了在该设备故障自动检测时数据采集电路的通用性和故障自动诊断程序的专用性，将设计生产、使用维修、设备教学等部门的经验集中起来，组成故障自动诊断知识库并由推理程序实现具体的诊断过程，同时应具备自学习功能，及时更新知识库。

图2 系统结构

根据系统功能模块划分，所设计的系统结构如图2所示。系统硬件主要完成宽带可控信号源模块、单板接口、数据测量及数据采集。系统软件主要完成故障自动诊断实现，以及人机界面和信息系统管理。

故障自动诊断的控制由软件实现，软件完成最佳的测试流程（测试策略）选择，然后采用人机结合方式，提示维修人员测试电路节点在发射机某种工作状态下的电气参数数据（如电压、频率、波形等），这时硬件通过测量接口测量该点的电气数据，并由数据采集接口送入微机中和已存贮的正常数据进行比较，判断出故障所在部件。由于该通信设备模拟、数字电路混合，模拟电路工作频率高、动态范围大，尤其是功率放大部分，功率大、电压高、频率宽，所以还必须对测试数据进行预处理。

3 系统设计

3.1 硬件设计

系统的硬件主要完成数据采集和信号产生功能，系统通过硬件采集设备数据，硬件还提供了单板工作母环境的接口，同时通过该接口测量单板参数，还可以产生该设备主机及单板测试所需信号。

系统硬件组成结构如图3所示。系统硬件由控制模块和测量模块组成。控制模块由嵌入式微处理器控制电路、USB接口、转换矩阵、交换单元等部件组成。测量模块包含多功能自动测量模块、数字频率自动测量模块、虚拟示波器、数字功率计、单元接口电路及逻辑检测、宽带可控信号源模块等部分，系统各成分作用如下。

1）嵌入式微处理器控制电路。整个测量系统的初始化、探头的内部切换、宽带可控信号源模块的频率和幅度控制、发射机检测信号调理控制等都在嵌入式ARM处理器控制下工作。

图3 硬件结构框图

2）多功能自动测量模块。本系统主要测试工具之一，它可以完成电压阻抗自动测量功能，且提供了与计算机通信的接口。

3）数字频率自动测量模块。用于对信号频率的高精度测量。

4）数字虚拟示波器。本系统主要测试工具之一，用于高频信号波形检测和信号谱分析，通过高速USB口与计算机通信。

5）数字功率计。为发射机的发射功率测量提供通过式通道。

6）单元接口电路及逻辑检测。分析发射机单元模块控制电路逻辑关系。

7）宽带可控信号源模块。采用频率合成技术产生必要的标准信号。

8）USB接口。完成计算机对各部件的控制信号转接。9）电源。提供整个系统的电源。

3.2 软件设计

根据总体分析，系统软件所完成的任务是接收系统硬件部分所采集、测量的相关信号与数据，并将相关数据进行标准化处理；然后进行故障分析，输出故障分析结果，并进一步提示用户下一步操作，指导用户完成故障自动诊断，故障自动诊断可最终精确到元器件。

图4 系统软件结构图

软件总体结构如图4所示，主要由四个部分组成：

1）故障自动诊断是软件的核心功能模块，主要由整机诊断和单元诊断两部分组成，完成整机诊断和单元诊断功能。当整机诊断将故障定位至某模块，进一步再确定到某一单元（单板）后，系统应自动转入单元诊断模块进行进一步诊断。诊断模块还具备故障自动诊断指导功能，指导操作员更换备件，完成故障自动诊断过程。

2）设备管理完成软件对硬件的控制。主要包括两项任务：一是设备初始化，完成硬件使能、硬件设备自检和参数设置；二是设备控制，可启用的仪器包括多功能自动测量模块、数字频率自动测量模块、数字功率计、虚拟示波器等。

3）信息管理完成对设备信息、故障信息、维修信息的维护与管理，包括对相关数据表的增、删、改、查等操作。

4）系统管理完成系统的登录、退出、用户管理、数据库备份与还原等功能。

4 系统实现

通信设备故障自动诊断的实现是通过不断的人机交互来完成的。诊断过程中，系统随时提示用户观测发射机状态及参数，知道用户正确观测方法，若有需要，操作员可以调看相关结构框图、原理图、实物图、操作演示录像来确保正确操作。每一步骤诊断结束后，系统会提示用户全部可能故障，提供用户进行假设验证，并记录用户行为，全部诊断结束后，系统会给出用户故障原因，故障解决方案，并显示整个故障自动诊断过程，供用户复查。故障自动诊断实现步骤如下。

第一步，根据系统要求，操作员输入整机可观察参数值，即射频输出指示和反射功率指示等信息，系统开始诊断过程，根据参数表内容，判断是否存在故障现象，若存在故障现象，则与规则表内容进行匹配，列出所有可能的故障模块，提示用户进行模块选择。

第二步，操作员根据经验或随机选择故障假设，系统根据用户选择，根据故障表和节点表内容，提示用户对相关节点进行测量，若测量值正常，则拒绝假设，将本次测量模块从可能故障模块中删除，提示用户进行下一个假设，重复第二步。若测量值不正常，系统进一步根据节点关系表判断是否有其他模块的输入会影响到本模块的输出，如果有，提示操作员测量相关节点参数。若相关节点参数不正常，可拒绝本次假设，将本次测量模块从可能故障模块中删除，同时将相关节点所在模块添加到可能故障模块列表，再重复第二步。若相关节点参数正常，则接受假设，判定故障发生在本模块。再根据规则类型，判断是否是终点规则，若为终点规则，故障自动诊断到此结束，否则进行下一步。第三步，确定故障模块后，采用与第二步类似的方法将故障范围缩小到模块中的某一单元，若有需要，再进行下一步单元测试。

第四步，将故障单元拆卸，插入系统单元检测接口，系统自动测量相关单元参数值，若有需要，系统提示操作员测量某节点参数值，根据这些参数值进行故障判断。采用与第二步相同的推理策略，不断缩小可能故障原因范围，直到抵达终点，将故障定位到某元件，或拒绝所有假设。

5 结语

通信设备故障自动诊断系统以解决该设备维修的实际需要为主研思想，综合运用数字信号处理技术、微处理器技术、USB总线技术、Windows环境下的通信编程技术、数据库编程技术等先进技术进行研制。系统样机测试和应用试验结果表明，系统性能指标达到预期要求，能保证该设备的故障自动诊断速度和准确度。

系统电路设计先进、功能完善、自动化、智能化程度高，界面友好、故障显示清楚、使用操作方便。在日常的电子设备保养和现场抢修中一机多用，方便快捷，可使通信设备保持在一个较高的完好率，保障了设备使用中的连续性。

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