基于BIT的挖掘机液压系统测试系统研究

丁剑，张琦，徐宙，袁博

（解放军理工大学工程兵工程学院，江苏南京 210007）

0 引言

工程机械是我军工程兵部（分）队实施工程保障的重要装备之一，是我军武器装备的重要组成部分。平时广泛用于市政工程、水利工程、抢险救灾、反恐、维和等，战时主要用于构筑军路、机场、码头、指挥所、防御工事等，担负遂行战斗工程保障任务，其发展水平直接影响着军队工程保障能力。

随着现代技术的发展，工程机械装备的可靠性、维修性都有了相当程度的提高，对工程机械的实时状态监测、故障检测及诊断水平也提出了更高的要求。因此，测试性逐渐受到研究者的重视，测试性设计已经成为了工程机械设计中的一个重要内容。而机内测试（BIT）作为测试性设计的重要组成部分，作为一种重要的系统故障检测方法，是提高装备测试性水平的有效途径。

1 BIT技术

机内测试（BIT）即系统或设备内部提供的检测和隔离故障的自动测试能力，代表了一种新的“可测试性设计”概念。它要求在系统和设备设计的开始就同时考虑系统的测试问题，并同时进行系统的可测试性设计。机内测试通过良好的结构化和层次性设计，对测试单元、可置换组件和系统等各级故障实现故障检测隔离自动化，大量减少了维修资料、通用测试设备、备件补给库以及维修人员数量，从而降低产品全周期费用［1］。

机内测试是指系统和设备依靠自身的电路和程序，对自身的状态进行检测和监控，并对故障进行检测和隔离。具有这种功能的设备叫做机内测试设备（built-in-test-equipment，BITE）。BIT在国内的翻译还有机内自检测、机内自测试、机内自检等。下面是美军MIL-STD-1309C对BIT 的定义［2］:

定义1:BIT就是系统、设备内部提供的检测、隔离故障的自动测试能力;

定义2:BIT的含义是系统主装备不用外部测试设备就能完成对系统、分系统或设备的功能检查、故障诊断与隔离以及性能测试，它是联机检测技术的新发展。

2 研究的方案

2.1 BIT测试系统总体设计

复杂系统的BIT设计一般采用分层集成式的系统结构。系统由元件级BIT，分系统级BIT，系统级BIT和外部测试设备自上而下，递阶而成。元件级BIT主要指设计于元件内部的自测试单元;分系统级主要由分系统级控制单元、信息处理单元、故障检测单元和测试总线构成;系统级BIT主要由系统级控制单元、故障检测隔离综合分析单元、维修总线和智能诊断系统构成;外部测试设备主要进行综合智能诊断、预测和决策。各级之间通过总线相连接。

分层集成组织结构的BIT，可以综合利用下级BIT较强的信息获取能力和上级BIT强大的信息处理能力，用来提高和改善BIT的性能。该组织结构既有利于实现横向各BIT的并行测试，又便于实现纵向各级的测试复用，提高了测试效率，进而提高了测试性水平。其结构如图1所示［3-4］:

图1 分层集成式BIT系统结构

2.2 分系统级BIT设计

分系统BIT采用了单片机配合PSD加CPLD的结构组合，其主要包括数据采集模块、检测模块、参数装订模块机及信息处理模块。与上层BIT及同级BIT之间采用总线通讯的形式传递测试数据、参数信息、控制信息等。其核心数字电路包括单片机、PSD，CPLD，A/D，D/A，输入通道包括流量传感器信号调理电路、压力传感器信号调理电路、温度传感器信号调理电路和开关量输入信号调理电路，输出通道包括开关量输出和模拟量输出驱动电路，由其结构如图2所示，其主要实现如下功能:

1）BIT功能。加电BIT，周期BIT，维修BIT等功能;

2）存储功能。将检测到的故障信息进行存储;

3）通信功能。将信息通过总线或串行端口传递给同级或上级BIT。

图2 分系统级BIT功能结构

由于采用微控制器加可编程外围器件PSD和复杂可编程逻辑阵列CPLD的设计方案，大大提高了系统集成度，减少自身的体积和质量，提高系统硬件的可靠性及灵活性。

2.3 通讯技术设计

控制线局部网（controller area network，CAN），属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，CAN的应用遍及从高速网络到低成本的多线路网络。

某型挖掘机液压系统的BIT系统，采用分层集成式的设计理念，有大量的控制与测试信息传递。基于CAN总线分布式的控制与测试方案很好的解决了布线复杂、安装空间紧缺等问题，提升了系统的可靠性。CAN总线将各个分系统级别的BIT测试模块联接起来构成测控网络，完成复杂的控制以及故障诊断隔离决策的任务。其结构如图3所示:

图3 CAN总线结构

分系统级测试模块设计考虑了可测试性、安全性以及总线连接方式，具备测试能力，包括元件级测试和分系统级测试，以及相应的测试激励方案。这种设计将常规测试与控制功能分散到各个智能节点，每个节点具有自检单元，按系统要求工作，并将实时检测、诊断等系统状态信息通过CAN总线发送给系统级测试处理器节点。系统级测试处理器产生测试激励信号，通过CAN总线与其他分系统级BIT协作，完成系统的控制、测试、故障诊断、故障隔离、优化协调等工作。

3 关键技术

3.1 主要关键技术

该方案的关键技术主要包括以下几个方面:数据采集单元、测试点的优化、检测隔离诊断技术、外部测试设备等。

1）数据采集单元。由于受到被测对象体积和质量的限制，BIT及其自诊断技术必须解决数据采集系统的小型化，以及多通道高精度的A/D和D/A变换等关键技术。

2）测试点的优化。测试点是故障检测及隔离的基础，测试点选择的好坏直接影响到被测系统测试性的水平。测试点的选择原则是测点要能保证使BIT故障检测率和隔离率最优。测试点是测量系统或设备状态信息或特征量的位置。合理的确定测试点，既可以提高故障检测能力，减少故障检测及隔离时间，也可以降低对测试设备的要求。

3）检测隔离诊断技术。软件BIT的实现主要是将诊断算法内嵌在BITE处理芯片中，采集到的数据不是传到外部设备诊断，而是由BIT自身来实现诊断。因此，为完成内装自诊断，必须解决故障知识库和故障字典建立等关键技术。

4）外部测试设备。外部测试设备与BIT测试系统相结合，使得测试系统能够在短时间内处理大量信息，提高BIT覆盖率，使故障检测隔离更加准确、迅速。外部测试设备的设计必须解决，接口通讯问题的解决和软件的设计等关键技术。

3.2 关键技术的解决途径

关键技术的解决途径如下:

1）充分利用总线终端微处理器，通过逻辑程序控制采集单元的信号采集与处理。这样就不需要对各单机部件增加太多的硬件电路，只需增强软件的功能以达到采集单元的小型化。

2）选用INTEL公司16位单片机，利用80C196KB自带的10位A/D转换器和PWM输出，实现高精度A/D转换。其实现框图4如图所示:

图4 高精度A/D转化流程

3）对于测试点的优选，首先对某型挖掘机液压系统进行故障模式与影响分析（FMEA），分析表格中详细列出故障现象、故障影响、检测方法等属性。然后对液压系统的测试点进行初选，并建立故障与测试的相关性矩阵。最后，利用自适应免疫遗传算法，以故障检测率、故障隔离率为约束，以全寿命周期费用为优化目标，对初选测试点进行优化。

4）在自诊断过程中，BIT系统对系统各个部分进行监测，主要运用3种BIT模式，即加电BIT，周期BIT，维修BIT，其中周期BIT的流程如图5所示。通过3种模式BIT的综合运用，有效监测系统运行状况。具体诊断方法可采用基于故障字典的方法，收集测试设备测试中故障状态的信息和定位方法，并对数据进行分类加工，提取故障模式和识别方法，通过理论分析和设定故障的仿真，建立一套从系统到单机的故障信息库和故障字典;建立故障判断和推理机制;基于所设计的故障判断和推理机制，通过BIT单元获取测试信号中的故障特征，在故障字典中进行匹配搜索，从而确定故障位置和故障原因。

5）外部测试设备可以选择使用安装虚拟仪器的便携式PC机，通过总线适配器实现与系统的链接。其虚拟仪器软件基于LabView环境编写，主要由工况状态监测、故障诊断专家系统和数据管理等几个功能模块组成。PC是整个BIT检测系统的外部信息处理中心，对采集信息的输出信号进行智能化分析与运算，包括数据线性化和温度补偿、傅里叶分析、自检、自校准等复杂的操作，并将来自多个传感器的数据信息进行融合处理，通过人机界面，系统设置、信号预处理、故障特征提取和智能推理，实现某型挖掘机液压系统的进一步故障诊断隔离以及决策。

图5 周期BIT实现流程

4 结语

组建基于BIT技术的某型挖掘机测试系统总体方案充分利用现有测试设备的固有资源，在尽可能少的附加硬件和软件基础上，以最少的费用使系统达到测试性设计的指标，满足规定的测试性要求，提高了设备的测试性水平，为BIT技术在工程装备测试中的应用奠定良好的基础，并为将来智能BIT技术的使用提供支持，提高工程装备的信息化水平。

［1］田仲，石君友.系统测试性设计分析与验证［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2003.

［2］Cao PB，Xiao R B.Assembly planning using a novel immune approach［J］.International Journal of Advanced Manufacturing Technolo gy，2007，31（7）:770-778.

［3］温熙森，徐永成，易晓山.智能理论在BIT设计与故障诊断中的应用［J］.国防科技大学学报，1999，21（1）:97-101.

［4］Scinvivas M，Patnaik L M.Adaptive probabilities of Crossover and Mutation in Genetic Algorithms［J］.IEEE Trams SMC，1994，24（4）:656-666.