摘要：論述了一套用于汽車電器系統(tǒng)振動可靠性試驗實時監(jiān)控的電路多參數測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)以LXI 總線模塊化虛擬儀器為核心，以LabWindows/CVI 為軟件開發(fā)平臺，有效的結合計算機故障診斷技術，形成了一套可以獨立完成遠程控制、測試、數據處理和實時故障診斷的試驗監(jiān)控系統(tǒng)，為汽車電器產品試驗過程的智能化、可溯性奠定了基礎。

1 引 言

由于路面激勵和發(fā)動機振動這兩大激勵源的存在，汽車電器與電子系統(tǒng)故障占整車故障的比例極高，且呈逐年增加的趨勢。在試驗室內對車輛及其零部件進行道路模擬振動試驗被認為是加速產品開發(fā)、提高產品質量的有效手段[1]。傳統(tǒng)的試驗過程多采用人工值守，對相關數據進行紀錄。這種方式存在以下問題:

1. 試驗環(huán)境惡劣，常伴有噪聲、濕熱等因素；

2. 時間長，值守人員的工作負荷大；

3. 人工記錄數據，缺乏完整性和一致性；

4. 故障現象不具有可溯性，無法為故障分析提供充分的依據；

這些不足之處在很大程度上影響了試驗的有效性，無法對試驗結果進行深入的分析。由于汽車電器系統(tǒng)自身控制原理復雜，包含的元器件數量種類繁多，結構形式多樣，借助自動化測試設備對整車電器系統(tǒng)進行試驗過程的實時監(jiān)控尚不具備通行的有效方法。本文著重論述了一種應用于“汽車電器系統(tǒng)可靠性試驗臺”的適用于整車電器系統(tǒng)試驗監(jiān)控及故障診斷的測試系統(tǒng)的構建方法。

2 監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

汽車電器可靠性試驗臺借助輔助試驗設備施加電應力和振動應力，使臺架上的汽車電器系統(tǒng)模擬汽車道路試驗的實際工況進行試驗。“汽車電器系統(tǒng)可靠性試驗實時監(jiān)控系統(tǒng)”以電路內的可及節(jié)點作為監(jiān)控點，借助數據采集設備對各用電器回路內電壓、電流、頻率等信號進行跟蹤測量和記錄；通過應用軟件對單元數據進行實時的處理分析，及時發(fā)現故障，實現聲光電報警，并對典型故障的類型和位置做出診斷。

2.1 系統(tǒng)基本設計構想

由于被試系統(tǒng)自身的復雜性，監(jiān)控系統(tǒng)在設計上采用了基于“UUT（Unit Under Test）分類”的系統(tǒng)規(guī)劃方式，如圖1 所示。針對UUT 類型展開系統(tǒng)的硬件和軟件設計。采用這種方法的原因在于：

1. 汽車電器系統(tǒng)的常規(guī)用電設備采用的是并聯方式，以每一用電器回路作為一個試驗單元UUT，則整個被試系統(tǒng)即可作為一個由多個UUT 并行試驗的電路網絡系統(tǒng)；

2. 汽車某些電器設備在其工作模式及故障形式上多具有共性，結合其自身特性及相關標準要求可將全部UUT 單元劃分為燈具、電機、儀表等幾種典型分類；

3. 針對 UUT 分類展開設計而非針對單個UUT，可以減小系統(tǒng)復雜度，提高通用性。

圖1：系統(tǒng)基本設計構想

2.2 參數測量的實現

在進行可靠性試驗時，要對被試系統(tǒng)各用電器進行全面的監(jiān)控和準確的故障診斷，其前提是：第一，能夠從系統(tǒng)中獲得足夠多的可及測試節(jié)點但不能破壞被試系統(tǒng)完好性；第二，信號I/O 接口必須連接可靠，能夠耐受高強度試驗應力而不先于被試系統(tǒng)發(fā)生故障。

按UUT 類型確定待測信號和采樣節(jié)點，并以汽車電器實際使用的連接器作為信號輸出接口，設計采樣連接器接入電路可獲取監(jiān)控所需的信號。圖2 說明了某一阻性電器單元的采樣方法。原狀態(tài)下汽車用電器單元Rx 直接與汽車電線束連接形成工作回路，其正負極回路電阻分別為r1、r2，阻值未知；試驗時將包含圖示電路的“采樣連接器”接入，便可在不影響原電路工作的情況下獲得電路狀態(tài)參數。

圖2：阻性電器單元監(jiān)控原理

構建多通道數據采集系統(tǒng)，對各節(jié)點處的電參數進行實時的測量和數據處理，便可實現準確的故障識別和定位。

3 系統(tǒng)測試儀器的合成

系統(tǒng)采用基于LXI (LAN eXtensions for Instrumentation)總線的測量平臺。LXI 是一種適用于自動測試系統(tǒng)的新一代基于LAN 的模塊化平臺標準。LXI 模塊化測試標準融合了GPIB儀器的高性能、VXI／PXI 卡式儀器的小體積以及LAN 的高速吞吐率，并考慮了定時、觸發(fā)、冷卻、電磁兼容等儀器要求。同時還具有諸多優(yōu)勢特性，例如：它是開放的工業(yè)化標準體系，具有向下兼容性，儀器開發(fā)成本低，有很好的協同工作能力，具有可擴展性等 [2、3]。其數據傳輸擺脫了傳統(tǒng)儀器對數據傳輸距離和帶寬的限制，可以方便的實現儀器遠程控制和遠距離高帶寬的數據傳輸。在惡劣的試驗環(huán)境，如振動試驗的高噪聲環(huán)境條件下，因其在遠程控制和數據傳輸網絡上的優(yōu)勢，LXI 相對于其他總線平臺具有更好的適用性。

3. 1 主控制器

如圖 3 所示，系統(tǒng)以工控機作為主控制器，通過LAN 網絡進行模塊控制，并完成系統(tǒng)的數據處理、顯示、存儲等工作。作為整個試驗系統(tǒng)的主控制器，工控機同時擔負著可靠性試驗應力加載控制的任務。

3.2 LXI 虛擬儀器模塊

1）測試主機 系統(tǒng)選用Agilent 34980A 開關/測量單元作為硬件平臺，通過內置數字多用表對待側信號進行測量轉換和輸出。測試主機通過LAN 總線與主控計算機進行通訊和數據交換。

2）多路轉換器 由于待測系統(tǒng)內的信號以較為穩(wěn)定的直流模擬量信號為主，所以采用公共DMM 分時測量方式。通過兩個光電隔離ETF 開關模塊，實現80 個通道的雙線測量。

3）抖動測量模塊 用于瞬斷監(jiān)控，檢測電路內電壓瞬態(tài)跳變情況。

4）D/A 轉換模塊 D/A 轉換器為被試系統(tǒng)工作器件提供驅動信號，如轉速表和車速表工作所需的電壓脈沖信號，燃油表、水溫表工作所需的電流信號。信號由主控計算機控制，由D/A 轉換器輸出，經過調理后通過模擬量I/O 接口輸入被試系統(tǒng)。

5）數字示波器 數字示波器通過LAN 總線與主控計算機進行通訊和數據交換，并通過模擬總線連接測試主機，與內置儀表共用開關模塊。實現對80 個測量通道的任意一路信號進行高頻采樣和虛擬示波。

圖3：系統(tǒng)硬件構成

　3.3 關鍵問題

1） 頻率信號的測量 待測信號同時存在100Hz 以上和3Hz 以下的頻率信號，由于系統(tǒng)是公共DMM 等時掃描測量的方式，兩種信號需采用不同的采樣方式進行測量。對于高頻信號將系統(tǒng)掃描通道設置為頻率測量直接輸出。對于低于3Hz 低頻信號，由于其頻率過低頻率通道無法直接測量，因此需采用擬合的方式。此種方式對系統(tǒng)掃描頻率有較高要求根據Nyquist 定理：

TS ≤1/ 2 fC或2 fC ≤1/TS = fS

單通道采樣率應由待測信號頻率上限決定；

故有： 6 S f ≥ Hz

若對80 個模擬通道進行掃描采樣，開關的總切換頻率應大于480CH/s。系統(tǒng)將單次掃描的時鐘設計值為160ms，實際掃描頻率為500CH/s，實現了低頻信號的測量。

2）瞬斷監(jiān)控的實現 瞬斷作為一種電路瞬態(tài)現象，DMM 分時采樣方法采樣率過低，無法對該類信號實現監(jiān)控，而多通道并行的模擬量數據采集會導致大量的數據冗余和過高的系統(tǒng)成本。系統(tǒng)使用了抖動測量模塊以32 通道并行的數字量采樣方式實時監(jiān)測各通道電壓跳變情況，單通道最高采樣率為0.1μs，根據汽車電器的試驗電壓將監(jiān)控電壓閾值設定為10.5V/21V 可選。

4 系統(tǒng)應用軟件設計

4.1 軟件開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)選用 LabWindows/CVI 作為軟件開發(fā)平臺。它具有交互式編程方法和豐富的庫函數，為開發(fā)人員建立數據采集和過程監(jiān)控系統(tǒng)提供了理想的軟件開發(fā)環(huán)境，是實現虛擬儀器及網絡化儀器的快速途徑 [4]。

　　4.2 試驗監(jiān)控中的多線程技術

Windows 是弱實時性的操作系統(tǒng)．它通過線程的優(yōu)先級來實現搶先，通過對測試線程進行適當的優(yōu)先級設置來滿足大部分測試任務的實時性要求[5]。試驗監(jiān)控要求系統(tǒng)控制、數據采集、數據顯示和數據分析各項功能同步完成。利用LabWindows/CVI 多線程中的線程池技術可以很好的實現系統(tǒng)的實時性。

以界面控制作為主線程，通過界面操作向其它線程發(fā)出控制指令，使系統(tǒng)能夠對用戶操作及時響應；數據采集、實時顯示、故障診斷作為輔助線程，與主線程同步執(zhí)行。在輔助線程中，實時顯示線程和數據分析線程通過管道消息驅動機制與數據采集線程進行實時的通信，實現線程間的數據共享。

4.3 故障診斷方法

按照邏輯識別原理[6]：故障原因函數A 、故障特征函數X 和決策規(guī)則E 三者滿足布爾函數關系，故障診斷過程的實質就是從已知的X 、E 中解出A ，用邏輯語言表示為：

E →(X → A)或E →(A→ X )

其實現方法是將被試系統(tǒng)按UUT 工作特性劃分為6 種典型的監(jiān)控單元類型，并針對類型設計相應的故障識別子程序，其內容包括：

1. 以監(jiān)控單元類型為對象建立典型故障模式數據庫，即構建故障原因函數 A；

2. 用電路的可測物理量 I、U、f 等參數對故障模式進行描述，構建故障特征函數X ；

3. 以邏輯判斷為基礎建立故障決策規(guī)則 E ，并轉化為相應的故障識別子程序。

圖4：故障診斷簡化流程圖】

運行過程中，系統(tǒng)發(fā)出采集指令并取回數據，數據處理線程首先將各待測物理量實時數據與閾值庫中UUT 狀態(tài)參數對應的閾值進行對比，當發(fā)現有超閾值數據便認為有故障發(fā)生，開始起動該UUT 所屬類型對應的故障識別子程序進行故障診斷，診斷子程序執(zhí)行結束后實現診斷結果輸出并作記錄。圖4 說明了系統(tǒng)的故障診斷過程。

4.4 系統(tǒng)數據管理及數據庫

系統(tǒng)以 Microsoft SQL Server 為底層建立數據庫，通過SQL Toolkit 建立ODBC 數據源，對數據庫進行連接和數據信息存取的操作。系統(tǒng)配置數據可由開放的用戶界面生成，使用戶可以針對不同的試驗對象對系統(tǒng)進行相應配置，從而確保了系統(tǒng)的靈活性和通用性。

5 結 束 語

該系統(tǒng)應用于某汽車企業(yè)的振動可靠性試驗之中，解決了汽車電器系統(tǒng)試驗過程的智能監(jiān)控問題。使用結果表明，系統(tǒng)可以正確的測量、顯示、記錄和回放各測試物理量；可以對故障進行實時準確的診斷和報警，有效的改善了傳統(tǒng)試驗監(jiān)控方法的諸多弊端，能夠滿足對被試系統(tǒng)進行實時監(jiān)控的工程要求；

以LXI 總線儀器為基礎結合虛擬儀器軟件開發(fā)技術，是構建綜合性測試測量系統(tǒng)的有效手段?，F代測試技術與計算機技術的融合使汽車電器系統(tǒng)可靠性試驗的自動監(jiān)控成為現實，使得試驗過程變的智能化、科學化；為被試系統(tǒng)的故障機理分析，可靠性試驗結果評價，汽車產品的設計和品質改進提供了科學依據。

本文作者的創(chuàng)新點：1.提出了一種基于LXI 總線的電路多參數測試監(jiān)控系統(tǒng)的構建方案；2. 建立了基于UUT 分類的汽車電器故障實時診斷方法。

參考文獻

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[3] 王麗萍，蔡榮海.一種新的模塊化儀器總線標準—LXI [J].儀器儀表學報.2005.8，26（8）：100-103。

[4] 孫曉云，郭立偉基于LabWindows/CVI 的虛擬儀器設計與應用[M]. 電子工業(yè)出版杜：北
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[5] 趙清，于守謙，劉亞斌.Windows 環(huán)境下自動測試系統(tǒng)軟件框架設計[J].微計算機信息.2008，5-1：278-280。

[6] 周青龍. 故障診斷與監(jiān)控[M]. 兵器工業(yè)出版社：北京，1992。