電子論文-汽車電器可靠性試驗監(jiān)控系統(tǒng)的研究開發(fā)

1、安徽省科技攻關(guān)重大項目“整車NVH性能測試與診斷關(guān)鍵技術(shù)”，安徽省科技廳，060229E2，申請人陳劍特別說明: NVH是汽車工程中對Noise（噪聲）、Vibration（振動）、Harshness(尖銳度，此處譯為舒適性)三個詞的縮寫。本基金為安徽省科技廳基金，是用于解決汽車和零部件噪聲振動性能測試及診斷技術(shù)的專項基金；由于是我所與安徽省江淮汽車聯(lián)合申請的產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的項目，所以涉及到相關(guān)的試驗設(shè)備的開發(fā)，并需交由企業(yè)使用。本文論述了項目中用于振動性能測試及在線診斷試驗系統(tǒng)的研究開發(fā)方法，它是針對整車電器系統(tǒng)振動可靠性試驗的臺架，是隸屬于本基金的試驗設(shè)備。特此說明，請予以審理。汽車電器可靠

2、性試驗監(jiān)控系統(tǒng)的研究開發(fā) Research and Design of the Monitoring System for Automobile Electric System Reliability Test（合肥工業(yè)大學(xué)）雷 達 陳 劍 馬文明 陸 兵Lei,Da Chen,Jian Ma,Wenming Lu,Bing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(shù)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(jié)合計算機故障診斷技術(shù)，形成了一套可以獨立完成遠程控制、測試、數(shù)據(jù)處理和實時故障診斷的試驗監(jiān)控系統(tǒng)，為汽

3、車電器產(chǎn)品試驗過程的智能化、可溯性奠定了基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞： LXI LabWindows/CVI 汽車電器 實時監(jiān)控中圖分類號：TP274 文獻標(biāo)識碼：BAbstract: Introduce an electric circuit multi-parameter testing system which is designed to apply to real-time monitoring of the automobile electric system reliability test. Its hardware structure is based on LXI Bus virtual

4、 instrument; Software which is designed by LabWindows/CVI integrates computer diagnosis technology. The system can get through long-distance control, measure, data processing, real-time diagnosis independently. It makes foundation for Intelligentization and retrospect of the automobile electric prod

5、uct testing.Keywords: LXI; LabWindows/CVI; Automobile electric; Real-time monitoring1 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(nèi)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(chǎn)品開發(fā)、提高產(chǎn)品質(zhì)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(guān)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，缺乏完整性和一致性；4. 故障現(xiàn)象不具有可溯性，

6、無法為故障分析提供充分的依據(jù)；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(jié)果進行深入的分析。由于汽車電器系統(tǒng)自身控制原理復(fù)雜，包含的元器件數(shù)量種類繁多，結(jié)構(gòu)形式多樣，借助自動化測試設(shè)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(yīng)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(gòu)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(shè)備施加電應(yīng)力和振動應(yīng)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?！捌囯娖飨到y(tǒng)可靠性試驗實時監(jiān)控系統(tǒng)”以電路內(nèi)的可及節(jié)點作為監(jiān)控點，借助數(shù)據(jù)采集設(shè)備對各用電器回

7、路內(nèi)電壓、電流、頻率等信號進行跟蹤測量和記錄；通過應(yīng)用軟件對單元數(shù)據(jù)進行實時的處理分析，及時發(fā)現(xiàn)故障，實現(xiàn)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(shè)計構(gòu)想由于被試系統(tǒng)自身的復(fù)雜性，監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)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(shè)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(shè)備采用的是并聯(lián)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)； 2. 汽車某些電器設(shè)備在其工作模式及故障形式上多具有共性，結(jié)合其自身特性及相關(guān)

8、標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計而非針對單個UUT，可以減小系統(tǒng)復(fù)雜度，提高通用性。圖1：系統(tǒng)基本設(shè)計構(gòu)想2.2 參數(shù)測量的實現(xiàn)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(zhǔn)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(yīng)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(shè)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

9、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(shù)。圖2：阻性電器單元監(jiān)控原理構(gòu)建多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對各節(jié)點處的電參數(shù)進行實時的測量和數(shù)據(jù)處理，便可實現(xiàn)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。LXI模塊化測試標(biāo)準(zhǔn)融合了GPIB儀器的高性能、VXIPXI卡式儀器的小體積以及LAN的高速吞吐率，

10、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(biāo)準(zhǔn)體系，具有向下兼容性，儀器開發(fā)成本低，有很好的協(xié)同工作能力，具有可擴展性等 2、3。其數(shù)據(jù)傳輸擺脫了傳統(tǒng)儀器對數(shù)據(jù)傳輸距離和帶寬的限制，可以方便的實現(xiàn)儀器遠程控制和遠距離高帶寬的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)進行模塊控制，并完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(dān)負著可靠性試驗應(yīng)力加載控

11、制的任務(wù)。3.2 LXI虛擬儀器模塊1）測試主機 系統(tǒng)選用Agilent 34980A開關(guān)/測量單元作為硬件平臺，通過內(nèi)置數(shù)字多用表對待側(cè)信號進行測量轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)交換。2）多路轉(zhuǎn)換器 由于待測系統(tǒng)內(nèi)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(guān)模塊，實現(xiàn)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(nèi)電壓瞬態(tài)跳變情況。4）D/A轉(zhuǎn)換模塊 D/A轉(zhuǎn)換器為被試系統(tǒng)工作器件提供驅(qū)動信號，如轉(zhuǎn)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/

12、A轉(zhuǎn)換器輸出，經(jīng)過調(diào)理后通過模擬量I/O接口輸入被試系統(tǒng)。5）數(shù)字示波器 數(shù)字示波器通過LAN總線與主控計算機進行通訊和數(shù)據(jù)交換，并通過模擬總線連接測試主機，與內(nèi)置儀表共用開關(guān)模塊。實現(xiàn)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(gòu)成3.3 關(guān)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(shè)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(jù)Ny

13、quist定理：TS1/2fC或2fC1/TS=fS單通道采樣率應(yīng)由待測信號頻率上限決定； 故有： fS6Hz若對80個模擬通道進行掃描采樣，開關(guān)的總切換頻率應(yīng)大于480CH/s。系統(tǒng)將單次掃描的時鐘設(shè)計值為160ms，實際掃描頻率為500CH/s，實現(xiàn)了低頻信號的測量。2）瞬斷監(jiān)控的實現(xiàn) 瞬斷作為一種電路瞬態(tài)現(xiàn)象，DMM分時采樣方法采樣率過低，無法對該類信號實現(xiàn)監(jiān)控，而多通道并行的模擬量數(shù)據(jù)采集會導(dǎo)致大量的數(shù)據(jù)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(shù)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0.1s，根據(jù)汽車電器的試驗電壓將監(jiān)控電壓閾值設(shè)定為10.5V/

14、21V可選。4 系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)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(shù)，為開發(fā)人員建立數(shù)據(jù)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(xiàn)虛擬儀器及網(wǎng)絡(luò)化儀器的快速途徑 4。4.2 試驗監(jiān)控中的多線程技術(shù)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(xiàn)搶先，通過對測試線程進行適當(dāng)?shù)膬?yōu)先級設(shè)置來滿足大部分測試任務(wù)的實時性要求5。試驗監(jiān)控要求系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)分析各項功能同步完成。利用LabWindows/CVI多線程中的線程池技術(shù)可以很好的實現(xiàn)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

15、程發(fā)出控制指令，使系統(tǒng)能夠?qū)τ脩舨僮骷皶r響應(yīng)；數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分析線程通過管道消息驅(qū)動機制與數(shù)據(jù)采集線程進行實時的通信，實現(xiàn)線程間的數(shù)據(jù)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(shù)A、故障特征函數(shù)X和決策規(guī)則E三者滿足布爾函數(shù)關(guān)系，故障診斷過程的實質(zhì)就是從已知的X、E中解出A，用邏輯語言表示為：E(XA)或E(其實現(xiàn)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(shè)計相應(yīng)的故障識別子程序，其內(nèi)容包括：1. 以監(jiān)控單元類型為對象建立典型故障模式數(shù)據(jù)庫，即構(gòu)建故障原因函數(shù)A；2. 用電

16、路的可測物理量I、U、f等參數(shù)對故障模式進行描述，構(gòu)建故障特征函數(shù)X；3. 以邏輯判斷為基礎(chǔ)建立故障決策規(guī)則E，并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)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(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理線程首先將各待測物理量實時數(shù)據(jù)與閾值庫中UUT狀態(tài)參數(shù)對應(yīng)的閾值進行對比，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有超閾值數(shù)據(jù)便認為有故障發(fā)生，開始起動該UUT所屬類型對應(yīng)的故障識別子程序進行故障診斷，診斷子程序執(zhí)行結(jié)束后實現(xiàn)診斷結(jié)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(shù)據(jù)管理及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以Microsoft SQL Server為底層建立數(shù)據(jù)庫，通過SQL Toolkit建立ODBC數(shù)據(jù)源，對數(shù)

17、據(jù)庫進行連接和數(shù)據(jù)信息存取的操作。系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)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(yīng)配置，從而確保了系統(tǒng)的靈活性和通用性。 5結(jié) 束 語該系統(tǒng)應(yīng)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(jié)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(zhǔn)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(chǔ)結(jié)合虛擬儀器軟件開發(fā)技術(shù)，是構(gòu)建綜合性測試測量系統(tǒng)的有效手段?，F(xiàn)代測試技術(shù)與計算機技術(shù)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(xiàn)實，使得試驗過

18、程變的智能化、科學(xué)化；為被試系統(tǒng)的故障機理分析，可靠性試驗結(jié)果評價，汽車產(chǎn)品的設(shè)計和品質(zhì)改進提供了科學(xué)依據(jù)。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(shù)測試監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)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1 杜永昌，管迪華. 新型汽車道路模擬算法研究J. 機械工程學(xué)報. 2002.9，38(8)：41-44。2 Yu Wilson. LXI instrument development platform based on an open embedded operatingsystem J. Chinese Journal of Scientific Instrument. Vol.28 No.5 May 2007：788-7