任帥男 韓萌萌

摘 要：為了實現(xiàn)大型元素分析儀器的功能板卡的調(diào)試及故障檢測，搭建了一個專業(yè)的檢測調(diào)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含針對板卡功能拆分，底層硬件測試板的設(shè)計制作、下位機對接嵌入式程序的設(shè)計以及上位機測試系統(tǒng)的搭建。該上位機系統(tǒng)采用C#編程，在window平臺上運行，與下位機測試板進行CAN通信，通過專家經(jīng)驗知識比對分析，實現(xiàn)了對下位機測試板的控制與功能模塊的故障分析，最后能夠生成專家性報告。應(yīng)用效果表明，該系統(tǒng)對元素分析儀器的功能板調(diào)試及故障檢測有很強的實用意義。

關(guān)鍵詞：故障檢測；專家經(jīng)驗；功能板調(diào)試

中圖分類號：TP273 文獻標識碼： A

嵌入式設(shè)備的調(diào)試及故障檢測是一種極具專業(yè)性的工作，尤其像元素分析儀器這種大型精密設(shè)備，需要擁有大量的軟硬件知識及相關(guān)工作經(jīng)驗才能完成[1]，同時需要耗費大量的時間和精力，對于缺乏專家經(jīng)驗的人員來說，可能會造成系統(tǒng)的漏判及誤判，導致功能板上機后造成嚴重的故障，造成不可挽回的損失，因此板級的故障診斷專家系統(tǒng)的設(shè)計是十分有必要的[2]。

電路板級故障診斷及調(diào)試需要充分了解電路板的各個工作模塊及功能，故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計中，為了避免各個模塊之間相互影響，調(diào)試時首先需要對功能進行拆分測試，對于各種功能現(xiàn)象進行專業(yè)性判斷，發(fā)現(xiàn)功能板在生產(chǎn)或工作中出現(xiàn)的問題進行精準定位并結(jié)合專家經(jīng)驗給出專家性建議[3]。

1 基于stm32元素分析儀功能模塊分析

大型元素分析儀器的功能板塊分為主控上位機、原子化器模塊、氣控模塊、元素燈模塊及單色儀模塊，通過CAN總線進行連接，各個模塊需要調(diào)試及故障檢測的主要設(shè)備功能分為：步進電機的正常工作，步進電機的細分工作，各路AD轉(zhuǎn)換通道，各路DA轉(zhuǎn)換通道，各路閥門開關(guān)控制量，以及各元素燈的開關(guān)驅(qū)動。

通過功能電路分析需要將各個板卡功能模塊進行拆分，以互不影響，單個調(diào)試為原則進行設(shè)計。

2 硬件測試板的設(shè)計

設(shè)計硬件測試板首先需要對功能板卡的外接接口進行接口分析，其中原子化器模塊電路板需要完成11路光耦開關(guān)的檢測，五路繼電器開關(guān)量輸出的檢測，六個步進電機工作狀態(tài)檢測，石墨爐溫度控制DA轉(zhuǎn)換通路的檢測，氫化器輸出DA通路的檢測以及三路反饋AD通路的檢測；氣控模塊需要完成14路氣控閥的開關(guān)量檢測，兩路DA通道的檢測以及六路氣壓AD通路的檢測；元素燈測試部分需要完成三路光耦開關(guān)的檢測，兩路DA通道的檢測，三路開關(guān)元素燈開關(guān)量輸出檢測，以及8路元素燈電流驅(qū)動通路的檢測；單色儀測試部分需要完成兩路數(shù)字量開關(guān)的測試和一路DA通道的檢測。

在硬件測試板的設(shè)計中，針對元素分析儀板卡的被測量，提出相關(guān)設(shè)計方案。其中，步進電機的測試引出板卡的步進電機接口，外接測試電機；光耦開關(guān)的測試使用撥碼開關(guān)對光耦開關(guān)進行開關(guān)量模擬操作；數(shù)字開關(guān)量輸出采用LED燈顯示的方法確定；對于DA轉(zhuǎn)換通路的測試引出測試引腳用于外部測量，對于AD轉(zhuǎn)換通路引出測試電源接口用于測試輸入；元素燈的電流測試使用大功率電阻進行電流到電壓的轉(zhuǎn)換，用測試電阻電壓值表示元素燈電流值。如圖1所示，為設(shè)計好的測試板實物圖，其中包括所有元素分析儀功能板卡的接口以及與上位機的CAN接口總線。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計分為下位機STM32軟件程序的編寫以及上位機C#程序的編寫，兩者通過USB轉(zhuǎn)CAN總線進行通信。

CAN通信協(xié)議使用擴展幀格式，其中29位擴展幀ID遵循該設(shè)備本身的協(xié)議格式，幀內(nèi)容包括源節(jié)點地址、目的節(jié)點地址、功能碼等信息，定義功能碼192為測試碼，上位機軟件發(fā)送192功能碼調(diào)用下位機單片機測試程序。在數(shù)據(jù)幀中對不同電路板進行區(qū)分，CAN總線協(xié)議中一個報文含有8字節(jié)數(shù)據(jù)，規(guī)定第一字節(jié)數(shù)據(jù)為測試板卡區(qū)分，0x00為原子化器，0x01為氣控，0x02為元素燈，0x03為單色儀。第二個字節(jié)數(shù)據(jù)為測試功能區(qū)分，剩余的6個字節(jié)用于承載DA或AD數(shù)據(jù)信息。

下位機單片機程序設(shè)計需要遵循不影響設(shè)備主功能的原則，將所有的測試代碼進行函數(shù)封裝，調(diào)用其響應(yīng)功能函數(shù)進行設(shè)計，測試階段一律遵循上位機主動請求，下位機被動應(yīng)答的方式，以防止測試程序?qū)δ苣K功能本身的影響，上位機程序設(shè)計中包含專家經(jīng)驗，如圖2所示，使用過程中通過點擊窗體按鈕，實現(xiàn)測試功能，之后勾選測試現(xiàn)象，點擊故障點分析按鈕，如圖3所示上位機通過現(xiàn)象的分析以及對其中上位機程序中專家經(jīng)驗的比對生成專家性分析報告，標記出可能存在的故障點。

4 結(jié)論

通過專家經(jīng)驗不斷更新該系統(tǒng)專家經(jīng)驗知識庫，系統(tǒng)具有元素分析儀器板級調(diào)試和故障檢測的專家推理能力。通過不斷測試，證實了該診斷系統(tǒng)知識庫是基本合理的，推理機制是高效的，具備了較高的診斷能力，在元素分析儀設(shè)備的生產(chǎn)調(diào)試以及使用過程中的維修診斷有很高的實用價值和現(xiàn)實意義。

參考文獻：

[1]鄂加強，龔金科，王耀南，劉孟祥，成至明.特種車輛柴油發(fā)動機故障診斷專家系統(tǒng)實現(xiàn)問題[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學學報，2005，4（13）：373-379.

[2]王禮軍.模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)在故障診斷中的應(yīng)用[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2012，3（31）：470-472.

[3]王宏見.嵌入式故障診斷專家系統(tǒng)[D].西安：西安工業(yè)大學，2015.17-19.