装甲车辆数据采集控制系统故障机理研究

张伟鹏　李光升

摘 要：装甲车辆数据采集控制系统是装甲车辆各系统中比较精密的系統，在其使用中受到恶劣环境的影响，该系统容易发生一系列故障，这些故障按类型可分为软故障和硬故障。故障的发生是由多种原因造成的，既与系统部件自身结构特点和功能特性有关，又受采集控制系统实际工作环境和工作条件的影响，要完全理解故障发生原因，就需要研究数据采集控制系统的基本结构和工作特性，分析各种常见的故障类型及故障发生机理。同时也为后续的故障检测定位提供一定的理论依据。本章以某型装甲车辆数据采集控制系统为例，将介绍数据采集控制系统的基本结构和工作特性，并列举常见故障类型及现象，对常见故障作机理分析。

关键词：装甲车辆；数据采集控制器；故障机理

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.034

1 装甲车辆数据采集控制系统的硬件组成

1.1 装甲车辆数据采集控制系统的基本结构

本文以某型装甲车辆的数据采集控制系统为例进行研究，图1所示为该系统的结构框图，数据采集控制系统是由驾驶员任务终端、采集控制器和机载传感器组三部分构成。

驾驶员任务终端的位置一般安装在仪表盘上，是计算机控制系统，该系统主要包含嵌入式CPU模块、FPGA模块、电源控制模块、CAN通信模块、显示模块等，其任务主要是实现设备状态的监控、按键指令输入、将状态数据用仪表显示出来，具有良好的人机界面友好性。

采集控制器属于下级控制器，里边包含调理版、开关板和通信板，主要实现负载的运作和关闭以及各传感器信号的采集和处理，是通过CAN总线与计算机控制系统实现数据交互的。

机载传感器组主要有电源电压传感器、水温传感器、机油压力传感器、电路总开关、水温报警传感器、转速传感器、温度传感器、里程传感器等多种类型，各类型之间的工作原理均不相同，主要负责采集装甲车辆的运行状态数据。

1.2 装甲车辆数据采集控制系统的工作过程及特点

根据图1所示，数据采集控制系统的工作过程分两种模式，第一种是当需要采集车辆运行参数时，传感器及其他的状态信号经由采集控制器处理，打开通信板运作，利用总线形式实现与驾驶员终端的通信，最终以虚拟仪表、位图、柱状图的形式显示出来；第二种是当驾驶员需要操纵某个负载（如三防设备，灭火抑爆设备）时，由终端发出按键指令，经采集控制器判别，打开控制负载动作的开关板，就能操纵负载，这一过程负载充当执行机构。

装甲车辆数据采集控制系统各部件的精密程度较高，工作时一般处在强震动、高温、沙尘、严寒等恶劣环境下，通过部队调研、实地考察发现，数据采集控制系统在实际应用过程中最容易发生故障的部位是采集控制器电路板和机载传感器，因此本文主要对采集控制器电路板和机载传感器两个部件进行故障诊断方法研究。

2 采集控制器

2.1 采集控制器组成及工作过程

数据采集控制器本质上是由调理板、通信板和开关板三种电路板组合成的一个复杂电路板系统。

采集控制器是装甲车辆数据采集控制系统中的核心部件，它包括两个工作过程：信息采集过程和设备控制过程。

（1）信息采集过程。根据信号的特征，主要是有两种信号，分别是：传感器信号与开关状态信号，由于信号特征不同，所以流经线路也不同。

传感器信息：首先必须通过采集控制器调理板转化成数字信号，然后通过通信板转化成总线信号，通过总线，上传至驾驶员任务终端显示相关信息。

开关状态信息：直接送至通信板，后面的线路与传感器一致。

信息采集过程是，首先采集各类信息，经过采集控制器处理，最后在驾驶员任务终端上显示。

（2）设备控制过程。首先是驾驶员任务终端通过内部电源管理程序，向采集控制器开关板发出指令，开关板通过控制口向负载供电，负载得电，开始工作，控制过程完成。

控制的过程是驾驶员任务终端下达指令，采集控制器实施控制，最后负载执行相应的动作。

2.2 电路板故障类型

采集控制器本身是由调理板、通信板和开关板组成的复杂电路板，而电路板的故障种类也是多种多样，对于电路板故障根据不同的原则也有着不同的分类方法。要想较为深入的分析研究采集控制器产生故障的原因，我们只能通过细致的辨识故障类型，这样以后才能确定采用何种故障诊断的方法。

（1）按故障发展变化分类。

1）骤变性故障，在出现之前难以预测且没有任何前期故障征兆，如电路断路。

2）渐变性故障，电路板在使用过程中导致器件性能逐渐变差，导致器件参数超过其容差范围。

（2）按故障存在的时间长短分类。

1）永久性故障，若该种故障发生，这种故障就会在任意时间点内都存在。

2）短暂性故障，在某个时间点或者时间段内发生故障，具有可修复性。

（3）按器件出现故障相关程度分类。

1）间接故障，该故障的发生是由于其他器件工作不正常引起的。如前一级故障电路输出电压值过大导致后续电路芯片损坏。

2）直接故障，是指该故障的产生是由于器件本身原因导致的，与其他电路器件无关，具有独立性，在故障检测时应该先排除这类的故障。

构成采集控制器的电路板故障形式多样，对于本文研究的采集器电路板中主要是按照故障存在的时间长短分类，即为永久性故障和暂时性故障，在后序章节中对该类电路故障进行验证；有的电路板由于模拟器件存在容差特性等，将故障分为渐变性故障和骤变性故障。按照故障的特点进行分类有利于完成对电路的故障诊断。

3 机载传感器

在数据采集控制系统中，传感器是测量装置和控制系统的首要环节。如果没有传感器对原始参数进行精确可靠的测量，那么，无论是信号转换或信息处理、或者最佳数据的显示和控制，都将无从谈起。可以说，没有精确可靠的传感器，就没有精确可靠的数据采集控制系统。endprint

通常，传感器是指能够把被测物理量或化学量转换为与之有确定对应关系的电量输出的装置，又叫变换器或换能路。为了满足信息的传输、处理、记录、显示和控制等要求，传感器输出的信号形式也有所不同，如电压、电流、频率、脉冲等。传感器一般由敏感元件、传感元件和其它辅助件组成。有时也将信号调节与转换电路、辅助电源作为传感器的组成部分，如图2所示。

3.1 传感器类型及工作原理

数据采集控制系统中各类传感器的种类较多，要做到更好的对各类传感器的各种故障进行认识和诊断，就要充分了解各类传感器的特性。一般是根据输入输出的对应关系来描述传感器的各种特性。本节主要介绍装甲车辆上机载传感器的种类、工作原理及其作用，机载传感器包括水温传感器、机油压力传感器、位置传感器、气体浓度传感器、速度传感器等。

（1）水温传感器。水温传感器的内部结构是一个半导体热敏电阻，具有负温度系数，温度越低，阻值越大；反之阻值越小。使用时安装在发动机缸盖水套中，与冷却水直接接触，从而测得发动机冷却水的温度，其作用主要有两点。

1）测量冷却水温度，也就是发动机的工作温度；利用传感器的电阻随着温度变化而发生变化，这种变化最终反映在电流上以驱动水温表的变化，就能显示出发动机的工作温度。

2）根据温度高低，修正喷油量、点火提前角。发动机在不同的工作温度下具有不同的工作方式，如发动机温度在设定值以下时要比正常温度多喷10%的油料，目的是为了让发动机快速升温以减少发动机的低温磨损；而温度高于设定值时，就要少喷点油，让温度升的慢点。另外还能修正点火提前角，低温时增大，高温时为防止爆燃，减小提前角。

（2）机油压力传感器。机油压力传感器是对装甲车辆发动机的机油压力进行检测的重要装置，检测的数据可以帮助控制发动机的正常运转。该传感器内部由厚膜压力传感器芯片、信号处理电路、外壳、固定线路板装置等组成，其中关键部件是厚膜压力传感器，它是利用印刷烧结在陶瓷弹体上的厚膜电阻的压阻效应研制而成。机油压力传感器安装在发动机的主油道上，当发动机运行时，压力测量装置检测机油压力，以电信号的形式传送到至信号处理电路，并经电压放大和电流放大，输出至油压指示表，从而指示出发动机的机油压力。同时经电压放大的信号还与报警电路中设定的报警电压进行比较，当低于报警电压时，发出报警信号，提示维修人员需要添加机油。

（3）位置传感器。位置传感器主要分接触式和非接触式两类，装甲车辆的位置传感器主要有曲轴位置传感器、节气门位置传感器等，因考虑实际工作情况，此类传感器一般以非接触式居多，非接触式位置传感器按工作原理又分为磁电式、光电式、电涡流式和霍尔式等类型。其中曲轴位置传感器也称曲轴转角传感器，是计算机控制的点火系统中最重要的传感器，其作用是检测上止点信号、曲轴转角信号和发动机转速信号，并将其输入驾驶员任务终端的计算机中，从而使计算机能按气缸的点火顺序发出最佳点火时刻指令，一般安装在曲轴皮带轮和链轮侧面；节气门位置传感器又称为节气门开度传感器和节气门开关，主要功能是判断发动机的工作状态是处于怠速还是负荷工况，它本质上是由一个可变电阻和几个开关组成，一般安装在节气门体上，该传感器有两副触点，分别是怠速触点和全负荷触点，根据控制这两个开关点的气节门的位置变化，会输出相应的电压信号，计算机输出信号电压来识别是加速工况还是减速工况，以达到修正喷油量或者断油控制的目的。

（4）气体浓度传感器。装甲车辆在行驶和射击时，舱室内常会出现有害气体，这些气体一般来自动力舱密闭不严漏进来的发动机尾气、火炮发射尾气以及车内润滑油和机油等挥发的有害气体，这些气体包括CO、NO2、SO2和烟尘等。由于舱室空间较小、通风性差，因此安装了不同的气体浓度传感器来检测相应气体的浓度。气体浓度传感器的基本原理大同小异，大多都是通过定电位电解，与水或氧气发生化学反应将化学能转换成电能的装置，并且气体浓度与输出电流信号成正比。气体浓度传感器一般与报警器配套使用，经报警器的中间电路将输出电流信号放大后，以驱动不同的执行装置，完成声、光和电的检测以及报警功能。

（5）速度传感器。装甲车辆上的速度传感器按不同效用可分为发动机转速传感器、车速传感器等，其中发动机转速传感器的功用是检测发动机转速，并把检测结果输入到装甲车辆仪表系统显示发动机工况，一般是利用曲轴位置传感器的输出信号转化而来；车速传感器用来检测汽车行驶速度，并把检测结果输入给仪表系统显示车速，或将检测的车速信号输入到需要车速信号的任务终端的控制器中。

3.2 传感器故障类型

装甲车辆数据采集控制系统中的传感器种类较多，由于运行环境恶劣，大部分工作在高温、高压、强振动的环境中，极易发生传感器故障。本文为了下一步继续进行传感器故障诊断的研究，结合其他研究者从不同角度的分析，對一些采集控制系统中传感器的常见故障进行了如下分类。

（1）按故障的程度分类。按故障程度的大小可分为硬故障（泛指结构损坏导致的故障，一般幅值较大，变化突然）和软故障（泛指特性的变异，一般幅值较小，变化缓慢），硬故障一般由于传感器元件损坏、电系统发生短路、断路或受较强脉冲干扰等原因引起，软故障一般是由部件老化、零点漂移等原因引起；

（2）按故障存在的表现分类。根据故障存在的表现可分为间歇性故障（时好时坏）和永久性故障（失效后，不能再恢复正常）；

（3）按故障发生、发展的进程分类。根据故障发生，发展的进程可分为突变故障（信号变化速率大）和缓变故障（信号变化速率小）；

（4）按故障的模型特性分类。从建模角度出发，可分为乘法故障和加性故障；

（5）按故障发生的原因分类。按故障原因可分为偏差故障、冲击故障、开路故障、漂移故障、短路故障、周期性干扰、非线性死区故障。

传感器产生故障时通常的表现形式有如下几种：1）传感器无输出；2）传感器出现间歇性输出；3）传感器出现漂移性输出；4）传感器出现超出允许误差的输出。这些故障产生后反映在数据采集控制系统中的直接表现就是各类仪表的读数不准确、没有指示或者一直在错误区间工作。经过部队的使用经验反馈，采集控制系统中传感器发生的故障一般都包含在下列故障中，本文对这些故障的产生机理也做了分析，如表1所示。

4 结论

本文以装甲车辆数据采集控制系统为研究对象，首先介绍其硬件组成，通过部队实际调研，得知采集控制器和机载传感器部分容易发生故障，分别介绍了这两个部分的基本结构和工作特性，并分析了常见故障的类型和发生机理，为后续的故障诊断研究提供了一定的理论基础。

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作者简介：张伟鹏（1985-），男，山东莱阳人，硕士研究生，研究方向：电力电子与电力传动。endprint