某型船舶气象仪综合测试系统设计

摘要：船舶气象仪综合测试系统是针对舰艇部队列装的某型船舶气象仪进行状态检测和故障诊断而研制的故障诊断系统。该系统综合了现代先进检测和信号处理技术、嵌入式技术、控制网络技术及基于专家系统和模糊理论的智能故障诊断技术等多项新技术，实现了对船舶气象仪主仪器及传感器的快速测试和故障诊断。

关键词：专家系统；嵌入式系统；综合测试系统

中图分类号：TP182文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)10-2237-05

Design on a Type of Ship Meteorological Instrument Comprehensive Testing System

MA Jun-yong，REN Yang-shan

(University Navy Maritime Security repair shop of Qingdao, Qingdao 266071,China）

Abstract: The ship meteorological instrument test system is designed for doing status testing and fault diagnosising for the ship meteorological instrument. fitted out in a certain warship.The system combine characteristics of advanced detection and signal processing technology, embedded technology, network control technology , the intelligent fault diagnosis technology based on expert system and the fuzzy theory. It achieved a quick testing and fault diagnosis for the ship meteorological instrument and sensors.

Key words: Expert System; embedded system; comprehensive testing system

船舶气象仪为舰船导航系统和武器系统提供风速、风向、温度、湿度、气压、降水量、能见度等气象信息，是舰船安全航行和武器系统发挥作用的重要保障设备。船舶气象仪综合测试系统是针对舰艇部队列装的某型船舶气象仪进行状态检测和故障诊断而研制的故障诊断系统。该系统综合了现代先进检测和信号处理技术、嵌入式技术、控制网络技术及基于专家系统和模糊理论的智能故障诊断技术等多项新技术，实现了对船舶气象仪主仪器及传感器的快速测试和故障诊断，实现了船舶气象仪各类故障的快速识别和准确定位，将故障定位到通道级和板卡级。

1总体设计思路

该综合测试系统由信息处理终端和四个模块组成。四个模块分别是两型主仪器检测模块和系列传感器检测模块，其系统组成原理框图如图1所示。信息处理终端及四个检测模块都采用嵌入式系统，通过CAN总线进行通信。信息处理终端能够实现检测及诊断任务分配、人机交互、结果显示等功能；主仪器检测模块通过输出各类型的船舶气象仪传感器模拟信号，实现对船舶气象仪主仪器的状态检测和故障诊断；传感器检测模块通过模拟船舶气象仪主仪器采集传感器信号，实现传感器状态检测和故障诊断。为了实现不同型号船舶气象仪主仪器、传感器及其接口的检测和故障诊断，该系统设计有接口转换模块，实现对各种信号不同规格的船舶气象仪的接口转换。

图1船舶气象仪综合测试系统组成原理框图

2系统组成

2.1测试系统硬件设计

2.1.1信息处理终端

船舶气象仪综合测试系统信息处理终端硬件系统组成框图如图2所示，由AVR嵌入式系统、人机交互单元、CAN总线接口电路、供电单元组成。

图2信息处理终端硬件系统组成框图

2.1.2主仪器检测模块

主仪器检测模块硬件组成框图如图3所示，由AVR嵌入式系统、模拟传感器信号单元和CAN总线接口电路组成。其中模拟传感器信号单元包括风速信号模拟电路，风向信号模拟电路，温度、湿度信号模拟电路，气压信号模拟电路。

图3主仪器检测模块硬件组成框图

主仪器检测模块电路结构原理框图如图4所示。AVR处理器的定时器/计数器工作在比较匹配清零模式下可产生不同的频率信号，据此用来模拟风速信号。风向信号是7路开关量，由AVR单片机的7个I/O口模拟输出。

温度信号和湿度信号都是4～20mA的电流，模拟电路由两个D/A转换芯片及其电路组成。湿度信号的模拟电路与温度信号相同。

气压信号是0～5V电压，模拟电路由D/A转换芯片和电流电压转化电路组成。D/A转换芯片可产生4～20mA电流信号，经过250欧姆的精密电阻转换成0～5V的电压信号。

图4主仪器检测模块电路结构原理框图

通信接口检测硬件系统是主仪器检测模块的一部分，其组成框图如图5所示。通信单元包括RS232接口电路、RS422接口电路、RS485接口电路、CAN总线接口电路。

检测通信接口电路结构原理框图如图6所示。AVR单片机串口TTL电平经过串口电平转换得到相应的串口信号。

图5通信接口检测电路组成框图

图6通信接口检测电路结构原理框图

2.1.3系列传感器检测模块

系列传感器检测模块硬件组成框图如图7所示，由AVR嵌入式系统、传感器信号处理单元和CAN总线接口电路组成。其中传感器信号处理单元包括风速信号调理电路，风向信号调理电路，温度、湿度信号调理电路，降水量信号调理电路，气压信号调理电路。

图7系列传感器检测模块硬件组成框图

系列检测传感器模块电路结构原理框图如图8所示。风速信号是脉冲量，经过滤波，送入AVR单片机的定时器/计数器进行计数。风向信号是7路开关量，经过施密特整形，然后与AVR单片机的I/O口相连。

2.2软件设计

船舶气象仪综合测试系统信息处理终端软件包括操作软件和诊断软件两部分，操作软件主界面有三种工作模式：检测主仪器、检测传感器、系统自检。开机后，显示屏显示主菜单界面，如图9所示。操作按键，可选择其中的一种工作模式。信息处理终端和检测模块之间的通信采用CAN总线通信。

1）信息处理终端

信息处理终端操作软件是该综合测试系统的控制核心，提供人机交互界面和操作按键，响应用户的操作命令，显示检测信息。信息处理终端主程序流程框图如图10所示。

图8系列传感器检测模块电路结构原理框图

图9主菜单界面示意图

图10主仪器主程序流程框图

2）传感器检测模块

传感器检测模块能够按照主仪器发来的指令采集风、温湿度、气压、降水量等传感器的信号，采样间隔为1次/2秒，并把计算处理后的数据发送到CAN总线上，供主仪器查询接收。检测传感器模块主程序流程框图如图11所示。

图11传感器检测模块主程序流程框图

3）主仪器检测模块

主仪器检测模块能够按照主仪器发来的指令模拟输出低、中、高三档传感器信号，传感器信号包括风速、风向、温度、湿度、气压；能够按照主仪器发来的指令对电路板进行检测，这些电路板包括STD90386板、STD9388板、STD9372板、STD9488板。主仪器检测模块主程序流程框图如图12所示。

图12主仪器检测模块主程序流程框图

3采用的关键技术

3.1基于D-S证据理论的多传感器信息融合技术

充分利用不同时间或空间的多传感器信息资源，采样计算机技术对按时序获取的多传感器检测信息在一定准则下加以自动分析、综合、支配和使用，获得对被测目标的一致性解释与描述，以完成所需的检测、决策和估计任务，使系统获得比它的各组成部分更优越的性能。利用Dempester-Shafer(D-S)证据可处理由不知道所引起的不确定性。它用信任区间描述传感器的信息，不但表示了信息的已知性和确定性，而且能够区分未知性和不确定性。多传感器信息融合时，将传感器采集的信息作为证据，在决策目标集上建立一个相应的基本信度分配，在同一决策框架下合并为一个新的证据体。

目前列装的船舶气象仪型号、传感器型号、主仪器与传感器接口类型、主仪器与上级系统通信协议及接口等物理状态繁杂，为对这些状态不同的船舶气象仪主仪器及传感器实现检测和故障诊断，采用基于D-S证据理论的多传感器信息融合技术，对各种各类型传感器及其信号进行有效融合，提高了系统测试的泛化能力。

3.2基于径向基概率神经网络的气象参数状态识别技术

根据大气基本物理状态的宏观物理量变化规律，气象要素之间存在某种显式或隐式关系，可以对所观测的同一时刻下的各个要素值进行状态识别，以识别出参数中的某一参数故障或非正常值，基于这种思想启示，研究出了基于径向基概率神经网络的气象参数状态识别技术，利用径向基概率神经网络（RBPNN）实现气象要素观测数据映射，将状态变量显式地表达在代价泛函中，设计算法使计算机能够通过对已知数据的学习，找到数据内在的相互依赖关系，从而对未知数据进行预测或对其性质进行判断。

在实际在线学习过程中，将风速、温度、湿度、气压等实时参数作为识别模型的输入，输出为每个参数的状态识别，即对每个参数是否为奇异值进行识别。通过离线和在线的学习，即可可靠地识别参数状态，实现对奇异值进行有效识别。该技术的研制成功，可以实时地对任一时刻获取的一组气象要素参数进行识别，从而有效地对存在故障的数据进行识别，该项技术已经申报国家发明专利。

3.3基于故障树模型和专家系统的故障诊断技术

船舶气象仪综合测试系统作为一个复杂系统，其故障诊断方法是在通过故障树模型对故障进行定性定量分析基础上，利用船舶气象仪的相关知识和领域专家的经验进行故障诊断。故障树模型分析是可靠性分析中常用的定量和定性分析技术，其分析思路清晰、技术成熟，而专家系统是人工智能应用研究最活跃和广泛的领域，该系统是一个具有大量专门知识与经验的仍智能功能系统，基于专家系统的自动故障诊断系统能够有效地获取、传递、处理、再生和利用诊断信息，从而能够对船舶气象仪行状态识别和故障诊断，具有良好的通用性、开放性、鲁棒性和实用性。

4系统的功能实现

该综合测试系统采用模块化结构，提供了不同的检测模块，模块可即插即用方便组态，具有良好的开放性和可扩展性。可根据实际需要在软件和任何硬件的情况下，可以组成针对不同检测对象的检测诊断系统；也可以在不改变总体结构的情况下方便地实现对新型气象仪的检测功能，只需增加相应的故障诊断接口和软件即可实现，减少了新装备综合测试系统的重复研制和经费投入。

该综合测试系统初步解决船舶气象仪主仪器板卡、传感器、连接线及连接件的检测和故障诊断等问题，为装备修理厂（所）的装备保障提供了快速故障诊断的工具，但在船舶气象仪综合测试系统的人工功效设计方面还需进一步提高。

由于对该系统专家经验整理和采用时间的仓促，自动诊断的专家系统建立还不够完善，为进一步提高测试系统自动化、智能化的专家诊断能力，还需要进一步扩充相关经验数据库系统知识，为智能化专家故障诊断功能的进一步拓展提供方便。

5结束语

船舶气象仪综合测试系统采用模块化结构，综合了现代信号先进检测与信号处理技术、嵌入式系统技术、控制网络通讯技术以及基于故障树分析模型、专家系统和模糊理论的智能故障诊断等多项新技术，实现了对该船舶气象仪主仪器、传感器的快速测试、并使全状态气象仪诊断实现在线化，具有良好的开放性和可扩展性。该系统能实现准确的故障定位，将故障定位到通道级和板卡级。系统的软件设计采用模块化设计思想，包括操作软件和故障诊断软件两部分，操作软件人机界面友好，使用方便。

该系统可以实现对船舶气象仪板卡、传感器、连接线及其连接件以及基地备件进行有效检测和故障诊断，对航海装备的维修保障具有十分重要的作用。

参考文献：

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