工程装备电控系统故障检测技术研究

杨志英， 张建华

（1.陆军装备部装备项目管理中心， 北京 100072；2.中国人民解放军第6411 工厂， 河北 石家庄 050200）

0 引言

工程装备电控系统及其总线通信网络遍布于工程装备各个部位，可视为工程装备的“大脑”“神经”与“感知器官”，是工程装备集成化、智能化与综合化的关键。电控系统中各种部件的控制单元（ECU）很多，各控制单元之间通过总线网络连接。由于工程装备的作业装置和底盘行驶系统互相之间具有一定的独立性，一般情况下其电控系统或电气系统可分为底盘（车电）系统和上装（作业）控制系统两部分。如某型桥梁装备其电气系统分别由车电系统和架设控制系统组成，车电系统的各个CPU 通过CAN 总线构成测控网络，各子网的通信协议也可能有所不同，如乘员舱采集控制器、动力舱采集控制器和驾驶员显控终端等单元构成的车电子网，其各个ECU 间信号传输协议为CAN2.0A 标准帧协议。发动机ECU 协议则为SAE J1939 协议（CAN2.0B 扩展帧）。电控系统中的有些CPU 同时承担网关功能，负责这些不同子网、不同协议之间的数据格式转换与数据传输。工程装备的作业控制系统通信网络大多采用CANopen 通信协议，其波特率为250 kbit/s，CAN ID 采用CAN2.0A 标准帧格式。由此可见，工程装备电控系统的网络总线较之通用车辆电控总线更为复杂一些。

因此，本文研究开发基于工控机及嵌入式系统的故障检测系统，通过CAN 总线及其他测试接口获取工程装备电控系统的工况参数信息，对所获取的故障数据进行分析处理，实现工程装备电控系统故障的现场监测、故障报警、预测诊断与离线分析等功能。该故障检测系统能够对发现的故障进行隔离，指导使用维修人员针对可能的故障部位进行深入检测，这样即使使用人员对工程装备电控系统的组成结构并不特别熟悉的情况下，也能够快速、正确、高效地对故障进行快速定位、隔离、检测与诊断，提高装备维修效率，促使装备性能快速恢复，发挥工程装备的作战保障能力。

1 电控系统故障检测硬件平台设计

电控系统故障检测模式主要有两种，一是通过CAN 总线在线采集电控系统总线网络上的报文信息，监测、诊断与显示电控系统各个组件（单元）的工作状态与故障情况，这种检测模式是通过上位机、CAN 总线分析仪接入架设系统CAN 总线来实现；二是架设电控系统故障的离线模拟检测，实现方法是将架设电控系统的箱组（单元、传感器等）从装备上拆解下来，将其与检测适配器通过电缆或工装连接起来，由接口适配器提供激励信号和其工作所需的输入信号，测取电控单元的输出信号，据此进行电控单元工作状态的判断和故障诊断，这种离线模拟诊断方法无法对所有电控单元进行检测与诊断，但可以实现部分单元的故障检测。

1.1 检测系统结构设计

某型装备故障检测系统通过采集该装备架设控制系统（上装电控系统）通信网络总线CAN1 和CAN2的报文信息，以及车电系统（主要是发动机电控系统和驾驶员任务终端）CAN2.0B 协议报文，实现对桥梁装备动力系统、架设控制系统各组件（单元）故障状态的监测、诊断和维修与排除的可视化指导。对于非总线信号器件故障的检测，如传感器供电线路、行程开关、接近开关、模拟量传感器、转速/里程传感器的脉冲信号、温度传感器等，则设计了专用的适配器模块和电缆、连接工装等。

因此，故障检测系统主要由工控机（笔记本电脑）、检测适配器、CAN 总线分析仪、信号连接装置和其他附件等组成。其中，工控机是检测系统的硬件控制平台，其上安装有故障检测分析和可视化维修指导软件，是系统的用户接口设备，承担人机交互功能。适配器主要用于测试对象（传感器等）信号的多路转换、信号调理与信号转换等，是电控系统各个检测对象传感器与工控机之间的连接桥梁。CAN 总线分析仪主要用于采集桥梁装备电控系统CAN 总线数据，进行电控系统各个箱组（单元）的故障状态监测与诊断。检测系统的总体结构如图1 所示。

图1 故障检测系统组成结构

1.2 接口适配器设计

接口适配器主要由机箱、电缆连接面板、内部调理模块和信号连接插座等构成，如图2 所示。

图2 接口适配器组成结构

接口适配器的核心控制单元是PIC 单片机，其外围电路包括电源控制电路、数字信号调理电路、模拟信号调理电路、通信电路模块等。故障检测诊断平台（工控机或笔记本）与适配器连接时，其作为上位机与接口适配器内部的通信模块进行数据交互。通信模块将上位机指令/数据解析传送至单片机，再由单片机通过I2C 总线协调和控制各外围模块，实现信号的检测、处理与传递。

本文以传感器供电电压/电流状态检测电路的设计为例，阐述其设计过程。接口适配器提供了2 路完全相同的传感器供电（电压/电流）的检测电路，用于检测桥梁装备电控系统中的热电阻传感器、压力传感器等模拟量传感器的供电电压和电流的状态。图3是其检测电路原理，该电路可分为两部分，即电流检测电路和电压检测电路。采样信号从XS3-9 和XP3-9 接入，输入信号的电流大小由上部的R101 精密电流采样电阻（0.5 Ω/1 W）和U3A 运算放大器构成的I/V 变换电路进行调理，将电流转换为电压值输入到单片机内置的A/D 转换器输入端AN0/RA0，单片机根据转换值判断供电电流的工作情况。采样信号的电压值则是通过R108、R109 分压电路分压后，经U3B 运算放大器构成的射随器输入到单片机的A/D转换器输入端AN1，单片机根据AN1 的转换值判断供电电压的状态。D101、D102 两个稳压管用于将A/D转换器的输入电压限制在5 V 以内，以保护单片机不会被尖峰干扰脉冲或过高的输入电压损坏。

图3 传感器供电电压/电流状态检测电路

2 故障检测系统软件开发

2.1 总体方案设计

故障检测软件由两大部分组成，即基于CAN 总线的电控系统箱组（单元、传感器）在线故障状态监测和离线故障检测与分析。在线监测部分采用Lab-VIEW 基于数据流编程技术、模块化技术和虚拟仪器VI 技术实现；离线故障检测模块采用LabWindows/CVI、工作流、结构化和系统集成技术实现。软件系统总体结构如图4 所示。

图4 电控系统故障检测软件总体结构

2.2 主调模块的设计与实现

故障检测程序是一个多线程、多功能和多界面的模块化程序，为协调和控制程序运行中的各个进程与线程的有序运行，首先设计了程序的运行框架和主流程，如图5 所示。编程时用主调模块实现程序的流程控制和线程管理。

图5 主调模块运行流程

故障检测程序是一个多线程、多功能和多界面的模块化程序，为协调和控制程序运行中的各个进程与线程的有序运行，首先设计了程序的运行框架和主流程。编程时用主调模块实现程序的流程控制和线程管理。

2.3 用户界面的设计与实现

以CAN 总线与网络部件监测模块为例，阐述故障检测软件的界面设计。该模块可监测架设电控系统及底盘车电系统的控制总线、任务总线的工作状态，检测CAN1 和CAN2 总线的数据传输情况、帧速率与校验错误等信息，能够精确地判定CAN 总线的故障状态。在总线通信状态监测的同时，该模块可诊断通信总线上的各个节点，包括显示终端、指控计算机、1号控制箱、主控盒、移动操纵盒、阀组箱、2 号控制箱及部分传感器的故障情况，其界面如图6 所示。

图6 CAN 总线与网络部件故障检测界面

3 结语

本文研究开发基于工控机、嵌入式系统、虚拟仪器技术和总线技术的故障检测技术及检测设备，通过CAN 总线或其他测试接口获取工程装备电控系统的工况参数信息，对故障数据进行分析处理，实现工程装备电控系统故障的现场监测、故障报警、预测诊断与离线分析等功能。所研制的故障检测系统能够对故障进行隔离，指导使用维修人员针对可能的故障部位进行深入检测，在使用人员对工程装备电控系统的组成结构并不特别熟悉的情况下，也能够快速、正确、高效地对电控系统故障进行定位、隔离、检测与诊断，提高装备维修效率，促使装备性能的快速恢复，以更好地发挥工程装备的作战保障能力。