基于PCI采集卡的某制导电子箱检测系统设计

摘要：针对某制导电子箱的检测需求，开发了基于PCI采集卡的自动检测系统。介绍了基于M系列PCI采集卡以及信号调理等单元电路的硬件设计，应用虚拟仪器技术在VC++平台中完成数据采集卡操作程序和系统测试软件的设计，应用专家系统故障诊断、ADO数据库技术完成智能故障诊断系统设计。经实验测试表明，系统实现了模块化高效智能的自动测试与故障诊断任务，具有开发周期短、稳定可靠等特点。

关键词：PCI采集卡；自动测试系统；虚拟仪器；专家系统

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.1.014

引言

提高武器装备的状态监控、性能检测和故障诊断水平，已经成为目前技术保障部门急需解决的问题。由于PC软硬件技术相对成熟，其可靠性、精度、性价比都非常好，目前的PC主板主要是PCI插槽，PCI总线是最快的计算机局部总线标准之一，它具有支持线性突发传输、极小的存取延迟、独立于处理器工作、兼容性强等优点[1-2]。根据某型导弹制导电子箱的检测需求，针对传统的检测维护手段通用性差、自动化程度低等缺陷，以NI公司的PCI采集卡为硬件基础，应用虚拟仪器、故障诊断、数据库等技术开发制导电子箱检测与故障诊断系统，实现多种激励信号的产生、多路信号的采集与处理以及系统故障诊断功能。

硬件系统总体设计

基于模块化、标准化、可靠性高、维修性强和使用性好的基本设计思想，开展系统的全局设计[3]。

检测仪结构设计采用便携式、一体化设计，将可编程电源、工控主板、数据采集卡等模块全部安装到便携式机箱内，并考虑了电源散热和硬盘避震的问题。采用PCI总线方式，整个设备由机箱、工控计算机单元、PCI数据采集卡和模拟输出控制卡、程控电源、点火电路以及调理电路组成，如图1所示。工控机作为系统的指挥中心，控制PCI板卡按照一定时序实现电源输出、发射诸元输出以及检测信号的采集，自动完成所有信号的检测、存储、分析及报表生成。

在硬件接口上考虑多种保护和隔离措施，防止损坏电子箱及检测仪，主要手段是相关接口部分增加必要的保护电路（如：限流保护、过压保护等）。

自动测试系统要可靠地完成自动测试任务，首先必须保证其自身正确可信，因此在自动测试系统设计过程中，需要考虑其本身状态的检查问题，系统自检包括输出电源自检（通断、正、负、正常幅值控制）、板卡自检以及信号通道自检[4]。

系统设计实现

程控电源

由于检测仪需要给制导电子箱提供不同数值的稳压电源，所以采用定制的程控直流开关电源，稳定可靠、控制简单、精度高。通过PCI-6259控制继电器来控制接入电源控制端的不同电阻值来控制电源输出电压，如图2所示。

电源输出电压同时反馈到M系列板卡的输入端，通过PCI-6259采集卡进行采集，实时监控程控电压输出情况。同时也对电源工作电流进行监控，一旦大电流（≥2.8A）持续时间超过200ms，切断电源，报警，并给出报警数据。

输入激励信号的实现

M系列多功能采集卡PCI-6259有48路DIO，可以输出输入TTL电平的开关量，其中32路时钟关联DIO（时钟1MHz）可以实现数字脉冲或开关量信号的输出；同时它还具有4路16位精度的模拟输出，可以根据软件设定，生成任意形状、频率的波形，输出为双极性-10V～+10V，满量程时绝对精度3.23mV。

信号采集

采集前需要对信号进行调理，模拟信号通过分压方式进行信号比例衰减，使信号电压符合采集电压范围要求。数字信号通过电平转换芯片变换信号特征使得数字信号符合设计要求，设计中采用MAX1488芯片来完成，如图3所示。

根据需求可以分为以下几类信号进行采集：

（1）周期信号采集：周期信号的周期采用PCI记时/计数器卡测量。非TL/CMOS电平信号需经过电平转换、衰减处理后，接记时/计数器卡。高速信号的幅值采用PCI数字化仪检测。

（2）点火信号、点火电流采集：点火信号脉宽要求为50ms±3ms，实际采集时可以按照≥20kS/s的采样速率进行采集，误差精度为0.6ms。

（3）波特率SK和串行码SD信号的采集：SK、SD信号波形采用M系列采集卡AI通道采集，采样速率≥10kS/ s，在软件中进行处理分析。

（4）电源直流信号采集：26V工作电源电压、产品二次电源+5V、±15V等直流信号经过衰减调理后采用M系列采集卡的AI通道进行采集，采样速率100kS/s。

（5）电源纹波检测：二次电源的纹波检测采用M系列采集卡采集电源信号后，测量信号的峰峰值得到。

信号的测试

（1）信号时序测试：系统中信号到来时刻的测量，采用同一计时/计数器作为时钟，信号到来时刻读出该计时/计数器的时间即可。

（2）负载电路测试：制导电子箱的负载均为大功率电阻和组合逻辑芯片，需要根据需求将其接入测试电路中。以点火负载为例，通过对负载电阻两端电压的采集，完成点火电流的测试。如图4所示，通过PCI-6259产生控制信号控制继电器来控制点火电阻的通断，通过M系列采集卡采集点火电阻两端电压得出点火电流。

（3）电压、电流信号的测试：通过M系列采集板采集，通过PCI总线接口传输到工控机完成测量。

系统软件设计

采用虚拟仪器技术的测试系统软件开发，大都采用LabVIEW作为软件的开发环境[5]。虽然LabVIEW具有独特方便的图形化编程方式口，但它在底层模型的编写、Windows API（应用编程接口）操作等方面不够灵活，且软件的封装性不好。考虑到这些因素以及后续故障诊断的开发，本系统使用面向对象的Visual C++6.0来进行软件开发[6-7]。软件部分包括数据采集卡操作程序、系统测试软件和故障诊断系统。

测控软件设计

M系列PCI数据采集卡具有完善的设备驱动软件（Advantech DLL drivers 动态链接库），可在Windows标准开发环境下安装使用。用户可在VC++中，通过调用动态链接库中的库函数，方便地实现对PCI数据采集卡的底层控制。测试系统软件组成如图5所示。

（1）主控子系统：主控子系统主要起调度和信息传递的作用，因此必须建立消息循环机制，以及和操作员的联系通道。

（2）系统自检校准子系统：系统启动后，首先自动运行自检程序，对系统的主控制器（计算机）、PCI硬件模块、调理模块进行基本功能检测，给出测试结果。若某个模块出现故障，自动给出发生故障的模块信号和代码，提示用户进行必要的检查和维修。

（3）系统初始化子系统：系统自检完成并工作正常后运行系统初始化软件，完成各个部分的初始参数、对各测试判断标准进行设置，使系统的各个部分进入准备工作状态。

（4）数据采集子系统：主要完成对采集模块的初始化、参数配置等工作，并负责有效地采集数据及流盘。

（5）输出控制子系统：控制数据采集卡、可编程直流电源为被测系统提供正常工作电压、开关控制信号、信号源等。

（6）数据管理系统：根据用户要求，按照一定名称、时序、特定文件格式对测试所得数据进行保存和管理。

（6）数据分析子程序：可将保存在硬盘中的采集数据及波形回放，进行后续分析、对比、处理。

（8）报告生成子系统：每项测试完成之后，按照用户给定的报告内容和格式自动生成结果报告，实现全自动化的测试与测量过程。

（8）用户信息管理子系统：对用户信息进行管理。用户管理功能包括用户登陆、创建用户、修改密码、删除用户。

制导电子箱的检测采用分系统测试，分为设备自检、系统自检、检测维修测试、发射测试、电路板测试，不同的测试项目需要对应的设置和不同的激励信号，完成测试后，如果有不正常数据则进入故障诊断系统，进行故障定位，并给出维修建议。

故障诊断系统设计

故障诊断系统采用基于知识的专家系统，它集中了制导电子箱的可能故障现象和故障原因，通过推理确定出故障所在位置及可能原因，该系统独立于测试程序并嵌入到测试程序中的应用程序。

诊断系统主要由知识库、知识获取、推理机、知识库管理系统、解释机制、人机接口模块组成，如图6所示[8]。系统采用Visual C++ 6.0完成故障诊断系统人机界面和整体控制程序的设计，采用ACCESS 2003建立知识库，通过ADO数据库技术进行知识管理与维护。

知识的表示是专家系统的核心问题之一，根据制导电子箱故障特点，为了方便推理，采用带可信度因子的产生式规则的表示法，该方法可以有效地表达启发式知识、经验知识[9]。形式如下：

IF A THEN B with CF （R）

其中A为规则前提，B为结论，CF为可信度。这种方式对一个故障现象对应有多个互相独立的故障结论的推理起来很方便。

知识库设计与管理也是专家系统核心部分，本系统将数据库与知识库统一设计，采用ACCESS数据表来存储知识，利用ADO（ActiveX Data Object）技术来管理知识的存储、编辑、删改、更新查询和安全保护等工作，灵活运用SQL语句和ADO三个核心对象可以方便地实现知识库的维护与扩充[7]。

推理机采用事实驱动的正向推理方式，即从故障现象向故障原因推理得出故障结论[8]。系统读取测试结果数据库中的数据，通过比较选出不正常数据作为征兆事实并按一定的推理算法与知识库中规则的前提条件进行匹配推理，若匹配成功，则将该规则的结论部分作为中间结果继续与知识库中的规进行匹配，直到得出最后的结论；若匹配不成功，则以交互方式引导检测人员选择相近的规则选项进行故障诊断，同时给出前述诊断推理过程，最后在得出故障结论的同时给出维修建议。

结论

应用PCI采集卡来开发便携式检测系统，它可直接与PC工控机连接，硬件设计较简单；在工控机中应用虚拟仪器、专家系统故障诊断以及数据库技术，在Visual C++开发平成测控系统程序设计以及故障诊断系统的开发，实现自动测试与智能故障诊断。经实验测试表明，系统很好地实现了模块化高效智能的自动测试任务，具有硬件配置灵活、通用性强、开发周期短、自动化程度高以及稳定可靠等特点。

参考文献：

[1] 马宏伟，毛清华，张旭辉.基于PCI总线的超声检测虚拟仪器系统设计[J].仪表技术与传感器，2011，（1）：30-32

[2] 刘慧英，马涛，宁飞.基才PCI数据采集卡的飞机电气参数测试系统[J].电子技术应用，2006，（1）：89-91

[3] 王建中，申宇皓，傅振华.某型导弹地面制导站静态参数自动测试系统[J].军械工程学院学报，2007，19，（1）：31-34

[4] 蓝凤英，李扬，郑莹娜等.PCI-1716在电动助力转向器总成性能测试中的应用[J].计算机测量与控制，2012，20，（5）：1426-1444

[5] 郭山国，陈永会，李海虹.基于LabVIEW和PCI-8333的采集与分析系统的研究与实现[J].机床与液压，2011，39，（10）：107-109

[6] 马昕晖，杜胜，姚静波.基于PCI总线的动态测试系统软件设计研究[J].测试技术学报，2010，24，（6）：491-496

[7] 孙鑫，余安萍.VC++深入详解[M].北京：电子工业出版社，2011

[8] 吴今培，肖建华.智能故障诊断与专家系统[M].北京：科学出版社，1997

[9] 王晓玉，彭进业，王国庆.嵌入式随动系统实时故障诊断专家系统研究[J].计算机测量与控制，2010，18，（3）：498-500