自动检测系统原理应用和发展状况的研究

自动检测系统原理应用和发展状况的研究

介绍了自动检测技术的发展现状及其在性能检测和故障诊断方面应用的必要性和良好前景；讨论了现代自动检测系统组建时，用到的关键技术；详细论述了基于PC的虚拟仪器技术的特点，软、硬件的构成和设计时关键技术分析。提出了目前在虚拟仪器系统中较为常用的几种总线方式和应用特点。

关键词：自动检测系统；故障诊断；关键技术

The Investigation of Automated Test System in the Development Actuality and key Techniques

KONG Tao, Rui Xuan WEI

（Air Force Engineering University Engineering College,Xian 710038）

Abstract:In this paper we introduce the development of auto-test technology and its necessity and future application in the field of function-test and failure-diagnoses;discuss some key technologies when we build a auto-test system;particularl dissertate the  characteristics of virtual instrument technology that based on PC,also its software architecture,hardware architecture as well as designing key technogies are introduced,finally we bring forward some common bus types and application characteristics of presently VI system.

Keywords:Automated Test System;Fault Diagnosis;Key Techniques

1 引言

所谓自动检测，是指由计算机进行控制对系统、设备和部件进行性能检测和故障诊断，是性能检测、连续监测、故障检测和故障定位的总称。现代自动检测技术是计算机技术、微电子技术、信息论、控制论、测量技术、传感技术等学科发展的产物，是这些学科在解决系统、设备、部件性能检测和故障诊断的技术问题中相结合的产物。凡是需要进行性能测试和故障诊断的系统、设备、部件，均可以采用自动检测技术，它既适用于电系统也适用于非电系统。电子设备的自动检测与机械设备的自动检测在基本原理上是一样的，均采用计算机/微处理器作控制器通过测试软件完成对性能数据的采集、变换、处理、显示/告警等操作程序，而达到对系统性能的测试和故障诊断的目的。                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             

2 自动检测系统的基本原理

自动检测系统（ATS）是一个不断发展的概念，随着各种高新技术在检测领域的运用，它不断被赋予各种新的内容和组织形式。因此，以现代电子设备的自动检测系统组成原理框图，如图1所示 ，说明当前自动检测系统的基本组成。

图1自动检测系统的组成

 

图中表明，当前的自动检测系统，通常包括以下几个部分。

1、控制器

控制器是自动检测系统的核心，它由计算机构成。其功能是管理检测周期，控制数据流向，接收检测结果，进行数据处理，检查读数是否在误差范围内，进行故障诊断，并将检测结果送到显示器或打印机。控制器是在检测程序的作用下，对检测周期内的每一步骤进行控制，从而完成上述功能的。

2、激励信号源

激励信号源是主动式检测系统必不可少的组成部分．其功能是向被测单元（UUT）提供检测所需的激励使号。根据各种UUT的不同要求，激励装置的形式也不同，如交直流电源、函数发生器、D／A变换器、频率合成器、微波源等。

3、测量仪器

测量仪器的功能是检测UUT的输出信号．根据检测的不同要求，测量仪器的形式也不同，如数字式多用表，频率计，A／D变换器及其它类型的检测仪器等。

4、开关系统

开关系统的功能是控制UUT和自动检测系统中有关部件间的信号通道。即控制激励信号输入UUT，和UUT的被测信号输往测量装置的信号通道。

5、适配器

适配器的功能是实现UUT与自动检测系统之间的信号连接。

6、人机接口

人机接口的功能是实现操作员和控制器的双向通信。常见的形式为，操作员用键盘或开关向控制器输人信息，控制器将检测结果及操作提示等有关信息送到显示器显示。显示器的类型有阴极射线管（CRT）显示器、液晶（LCD）显示器、发光二级管（LED）显示器或灯光显示装置等。当需要打印检测结果时，人机接口内应配备打印机。

7、检测程序

自动检测系统是在检测程序的控制下进行性能检测和故障诊断的。检测程序完成人机交互、仪器管理和驱动、检测流程控制、检测结果的分析处理和输出显示、故障诊断等，是自动检测系统的重要组成部分。

3 自动检测系统的组建及其关键技术

 

计算机技术的发展为自动检测系统（ATS）的组建提供了多种可能，典型的自动检测系统主要由自动化检测设备（ATE），检测程序集（TPS）和检测环境三部分组成。ATE由检测和测量仪器、主计算机、矩阵开关、通讯总线、接收器和系统软件组成。典型自动检测系统的组建如图2所示。主计算机控制检测和测量仪器以及TPS的运行。系统软件（如操作系统、编译器及实验运行程序等）控制检测工作站的工作状态，对TPS进行开发并执行。TPS由检测、诊断程序，连接被测单元（UUT）和ATE的适配器及操作手册等组成。检测环境包括ATS的结构描述、编程和检测规范语言、编译器、开发工具以及描述对象设计需求、检测策略信息的标准格式等。

 

图2 典型ATS结构概念示意

3.1 现代自动检测系统组建的关键技术

由于现代微电子技术和计算机技术的飞速发展，检测技术与计算机深层次的结合引起了检测仪器领域的革命，全新的仪器结构概念和检测设备组建方式不断更新。现代检测设备组建的关键技术主要集中在以下几点。

一、程控接口技术

如何实现检测系统与被测设备间的自动连接，是实现检测过程自动化的关键。用计算机程序控制的接口单元（PIU）是解决这一问题的重要手段。这种程控接口（PIU）包括一组通用的连接点，并配有所需的缓冲器和多路分配器，用于完成三项基本任务。

1、发生、调理（如衰减、缓冲、变换等）模拟与数字激励，并将激励引导到相应的被测装置；

2、把从相应的被测装置引线来的测量数据进行调理并引导到自动检测系统；

3、将程控负载加到相应的被测装置引线上。

简言之，程控接口在程序控制下，能够把任何检测系统功能引导到任何被测设备，并能完成检测。

二、虚拟仪器技术

80年代末期，美国NI（National Instrument）公司提出了虚拟仪器的概念：在一定的硬件平台下，利用软件在屏幕上生成虚拟面板，在软件导引下进行信号采集、运算、分析和处理，实现传统仪器的各种功能。

虚拟仪器是计算机技术同仪器技术深层次结合产生的全新概念的仪器，是对传统仪器概念的重大突破。传统仪器的主要功能模块都是以硬件（或固化的软件）的形式存在的，而虚拟仪器是具有仪器功能的软硬件组合体。虚拟仪器系统的功能可根据软件模块的功能及其不同组合而灵活配置，因而得以实现并扩充传统仪器的功能。

三、专家系统

自动检测技术与专家系统的结合也是自动检测领域的一个重要发展趋势。专家系统作为人工智能的重要组成部分，于五十年代产生，到八十年代形成人工智能这一完整的学科体系。美国在八十年代中期就率先将专家系统引入航空机载设备的检测，效果良好。专家系统与典型自动检测设备的结合，将大大提高故障分析判断能力，提高设备维修保障效率。

四、现场故障检测技术

现代机载设备的发展趋势是微处理器和大规模集成电路的应用日益普遍，现场故障检测也就越加显得重要。为了便于现场维修，正在开发、研究诸如特征分析、逻辑分析、电路模拟、内在诊断等现场故障检测技术。例如，采用“特征分析技术”，在电路图的有关节点，标明“特征”，由设备本身产生激励，用一种简单的、无源的检测仪器—特征分析仪，就能迅速地在现场找出故障，定位到元器件，从而大大地简化了维修现场的故障诊断，有效地提高了设备的战备率。

五、开放、可互操作的ATS实现技术

所谓ATS的可互操作性是指两个以上的系统或部件可以直接、有效地共用数据和信息。就一般的ATS结构来说，其互操作性主要体现在可以共用TPS和ATE的资源，可以共用一个底层的诊断子系统，可以支持多种运行环境和语言。所谓系统的开放性是指：其功能部件采用广泛使用的标准或协议，从而可在不同的系统中使用，可以与其它系统中的部件互操作，软件可以方便的移植；其接口也符合广泛使用的标准、规范或协议，或具有完全明确的定义，从而通过插入新的功能部件，即可增加、扩展和提高系统的性能。

4基于PC的虚拟仪器技术

一、虚拟仪器的定义及构成

一般说来将传统仪器的硬件和最新计算机软件技术充分结合起来，以实现并扩展传统仪器的功能。因此，将数据采集卡插入计算机空闲的扩展槽中，利用软件在屏幕上生成虚拟面板，在软件引导下进行信号采集、运算、分析和处理，实现仪器功能并完成检测的全过程，这就是所谓的虚拟仪器。与传统仪器的比较如表1。

表1 虚拟仪器与传统仪器的比较

 

虚拟仪器	传统仪器
核心是软件	核心是硬件
开发和维护费用低	开发和维护费用高
技术更新周期短	技术更新周期长
可重用性、可配置性强	功能单一、可配置性差
数据可编辑、存储、打印	数据无法直接处理
易于与其它设备通讯	不易实现通讯
功能由用户自己定义	功能由厂家预先定义

 

虚拟仪器系统的基本构成框图如图3所示。目前较为常用的虚拟仪器系统有PC总线方式、GPIB通用接口总线方式和VXI总线方式等多种类型。

1、PC总线插卡型虚拟仪器

基于PC总线插卡型虚拟仪器它借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件相结合，完成检测任务，充分利用了计算机的总线、机箱、电源及软件。典型插卡型虚拟仪器由传感器、信号调理电路、数据采集卡、计算机四部分组成。多层电路板、可编程仪器放大器、即插即用、系统定时控制器、多数据采集板、实时系统集成总线、具有双缓冲区的高速

数据采集、数据高速传送中断、DMA等技术应用，使数据采集卡能保证很高的准

确度与可靠图3 虚拟仪器系统构成框图

 

性。

2、GPIB总线方式

GPIB技术是IEEE488标准的虚拟仪器早期的发展阶段。它的出现使电子测量由独立的单台手工操作向大规模自动检测系统发展。典型的GPIB系统由一台PC机、一块GPIB接口卡和若干台GPIB形式的仪器通过GPIB电缆连接而成。在标准情况下，一块GPIB接口卡可带多达14台的仪器，电缆长度可达20米。GPIB技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可以很方便地把多台仪器组合起来，形成大的自动检测系统。GPIB测量系统的结构和命令简单，造价较低，主要应用于台式仪器市场。适用于精确度要求高，但对计算机速率要求不高的场合。

3、VXI总线

VXI总线是高速计算机总线VME在虚拟仪器领域的扩展，它具有稳定的电源、强有力的冷却能力和严格的RFI/EMI屏蔽。由于它的标准开放，且具有结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，很快得到广泛的应用。其适合于组建大、中规模自动检测系统以及对速度、精度要求高的场合。然而，组建VXI总线要求有机箱、管理器及嵌入式控制器，造价比较高。

二、虚拟仪器系统的软件

通用计算机软件和仪器软件的有机组合，构成了虚拟仪器的基本软件框架，该软件框架主要包括以下三部分。

1、总线接口软件

总线接口软件驻留在计算机系统之中执行总线的特殊功能，是实现虚拟仪器功能的最基础软件，一般要求该软件还必须与其它仪器系统（GPIB、RS—232等）的软件结构兼容，以便于系统集成。它处于软件框架的最底层。

2、仪器驱动软件

仪器驱动软件处于软件框架的中间层，完成对某一特定仪器的控制与通讯，它可作为用户程序的一部分。每个仪器模块均有自己的仪器驱动程序。仪器驱动程序的实质是为用户提供用于仪器操作的较抽象的操作函数集。对于应用程序来说，它对仪器的操作是通过仪器驱动程序来实现的；仪器驱动程序对于仪器的操作与管理，又是通过输入/输出（I/O）软件所提供的统一基础与格式的函数库（VASA）调用实现的。

3、应用软件开发环境

应用软件开发环境位于软件框架的最顶层，它将计算机的数据分析和显示能力与仪器驱动器融合在一起，为用户开发虚拟仪器提供了必要的软件工具和环境。目前，虚拟仪器系统应用软件开发环境主要包括两种：一种是基于传统的文本语言式平台，主要是NI公司的LabWindows/CVI和微软公司的VC++、Visual Basic等；一种是基于图形化工程环境的平台，如HP公司的HP VEE、NI公司的LabVIEW等。

5 结束语

未来测试系统的发展趋势，在军用领域，就是采用开放的商业标准，大幅度减少测试系统软、硬件的开发、升级的费用，实现自动测试系统的互操作，满足武器维护的灵活性，实现各军种间、不同维护级别间自动测试系统的通用，最大限度地发挥测试系统的能力。民用领域， PC机的广泛应用给自动检测系统领域带来了革命性的变化，利用计算机丰富的软硬件资源可以有效地突破传统测试技术在数据信号处理、显示、传送、存储、打印等方面的局限。现代检测技术不仅要求仪器能单独测量某个量，而且更希望它们之间能够互相通信，实现信息共享，从而对被测的各系统进行综合分析、评估，得出准确判断。

参考文献：

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【3】       刘君华.现代检测技术与测试系统设计[M].西安.西安交大出版社.1999

【4】       邹逢兴.计算机硬件技术及其应用基础[M].湖南：国防科技大学出版社，2001

【5】       Danny Holm,Jerry Haffaman and Jeff Dean .ATS In The Air Force[J].The Legacy And Its Challenges,IEEE:0-7803-4162-7/97

【6】       Raymond J.Toal and Robert G.Hayes,ATS Software Design Patterns[J].IEEE Artotestcon Proceedings,2001

作者简介：孔韬，男，1981年12月，汉，硕士研究生，导航、制导与控制专业，研究领域为飞行器控制系统维修理论与技术。

Author brief introduction:KONG, Tao,male,born in 1981.12,Han,postgraduate of Master of Engineering.Major in Navigation、Guidance and Control Profession.Now working in

Aerocraft Control System Servicing Theory and Technic.