專利名稱：光電隔離型超量通道電壓信號在線檢測診斷裝置及其方法
光電隔離型超量通道電壓信號在線檢測診斷裝置及其方法技術領域
本發明屬于電子工程測量技術領域，涉及一種基于PC104總線的測量裝置及方 法，特別是一種基于PC104總線帶通道自檢功能的用于航天航空、測發控領域等大型復雜 系統的光電隔離型超量通道電壓信號在線檢測診斷裝置及方法。
背景技術：
目前，在電路系統的電壓狀態量檢測技術中，常見的數據采集電路主要有獨立通 道數據采集電路、多通道分時復用數據采集電路和多模塊多通道數據采集電路。其中，獨立 通道數據采集電路適用于單通道數據采集和同步數據采集要求高的應用，其缺點是系統可 靠性差，且所用數據采集元器件多，成本高；多通道分時復用數據采集的電路結構所用數據 采集元器件少，成本降低，但其系統可靠性最弱的環節為多路選擇開關、光電隔離芯片和A/ D數據采集芯片，一旦這些環節中的一個出現故障，則與之相連的全部檢測就失效了，可靠 性差；多模塊多通道數據采集電路的可靠性雖有所提高，但其缺點與多通道分時復用數據 采集電路的問題類似。
一般，對在實際中雖然信號采集路數多但信號采集并行性不高的場合，一般都采 用多通道分時復用數據采集電路，即通過多通道分時分組輸入來共享一臺數據采集設備。 在中國專利局網站上，以“多通道”和“檢測”為主題詞，搜有相關專利，目前公開的用于 多通道數據采集的系統和電路有中國發明專利“多通道數據采集方法及裝置”(申請號 200410013201. 1，公告號=CN 1584815A)、中國發明專利“多通道信號檢測電路及方法”(申 請號200410015437. 9，公告號CN 1658250A)、中國發明專利“多通道模數轉換裝置及方 法”(申請號:200610109266. 5，公告號=CN 101119115A)、中國發明專利“一種多通道光電 隔離電壓的測量方法及其電路”(申請號200710075161. 7，公告號CN 101076053A)以 及中國發明專利“多通道數據采集系統及其方法”(申請號200710075161. 7，公告號CN 101076053A)等均是采用多通道分時復用數據采集電路，但在查到的相關專利中，這些專 利均存在以下幾個方面的問題檢測通道最大不超過100個，僅能實現對外部信號檢測的 功能，也不能夠進行信號采集通道自檢，其檢測通道自身工作存在可靠性差的問題。另外， 這些專利也沒有考慮信號檢測通道的任意擴展功能，也沒有考慮信號檢測后的在線診斷問 題。
由于航天航空、測發控領域等大型復雜系統工作過程中是按照一定工作流程和工 作時序來進行工作的，其信號采集的并行性要求不高，但其信號采集的路數多。在這些系統 中，信號采集系統中的通道數量如何、可靠性如何和檢測智能性如何將極大地影響對航天 航空、測發控領域等大型復雜系統的工程檢測診斷效果。在數據測試過程中，由于被測系統 的測試點位多，如果檢測通道數量不足，則會引起被測系統的漏診，如果檢測通道自身工作 出現問題往往會引起誤測和誤診；當測試數據出現異常時，如果僅靠測試人員進行判讀往 往是顯得經驗不足，且在時間上是來不及的，因此必須實現被測系統的智能在線檢測診斷， 且要保證檢測通道數量上充足和自身工作上可靠。而由于目前現有專利技術在結構與功能上的局限性，在航天航空、測發控領域等大型復雜系統中進行應用時，往往顯得檢測通道不 足，可靠性差，智能性差，不能在線診斷。因此針對航天航空、測發控領域等大型復雜系統需 要提供一種光電隔離型超量通道電壓信號在線檢測診斷裝置及方法。
另外，在中國專利局網站上，以“超量通道”、“通道自檢”和“檢測診斷”為主題詞， 搜有相關專利，未找到關于帶通道自檢功能的光電隔離型超量通道電壓信號在線檢測診斷 的發明案例；同樣，以“超量通道”、“通道自檢”和“檢測診斷”為主題詞，在國內外權威文獻 數據庫中也沒有找到相關案例的文獻。發明內容
本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供一種光電隔離型超量通道電壓 信號在線檢測診斷裝置及其方法，該裝置綜合采用變參量、多通道、微負載、非介入(非激 勵)、全程隔離測試、上電自檢等技術，徹底解決了檢測診斷裝置因全程接入而干擾被測設 備、因檢測能力弱無法實時在線而需被測設備配合完成診斷的技術難題；實現了多點位、多 通道、多類變參量信號的實時檢測以及數據的自動采集、記錄、顯示、分析和診斷，能顯著提 高設備故障檢測與診斷的準確性和效率。
本發明的目的是通過以下技術方案來解決的
這種光電隔離型超量通道電壓信號在線檢測診斷裝置，包括外部信號輸入接口、 信號調理電路、超量通道切換分級控制電路、第一信號隔離電路、A/D信號采集通道、82551/ 0擴展板、第二信號隔離電路、自檢信號發生電路、總線、計算機以及電子盤。所述外部信 號經過輸入接口連接至信號調理電路的輸入端，信號調理電路的輸出端與超量通道切換分 級控制電路相連，由所述信號調理電路輸出的信號經過超量通道切換分級控制電路后輸入 至第一信號隔離電路，經過隔離后的信號通過A/D采樣通道由總線送入計算機；所述計算 機通過總線連接82551/0擴展板，所述82551/0擴展板通過第二信號隔離電路連接到所述 超量通道切換分級控制電路的輸入端，所述自檢信號發生電路的輸入端直接由82551/0擴 展板的I/O 口控制，所述自檢信號發生電路的輸出端連接至所述超量通道切換分級控制電 路，所述計算機通過82551/0擴展板的控制信號控制自檢信號發生電路以產生自檢信號實 現自檢測試，以及控制超量通道切換分級控制電路的動態切換以實現信號采集通道的切 換。
上述超量通道切換分級控制電路由N組通道分級切換控制電路組成，其中N > 1，N 取正整數；所述通道分級切換控制電路由兩級多路模擬開關進行分級控制，其中第一級多 路模擬選擇開關由第一至第十六模擬開關組成，所述通道分級切換控制電路中的第二級多 路模擬選擇開關由第十七模擬開關組成；所述第一級多路模擬選擇開關的第一至第十六模 擬開關的輸出端分別連接至所述第十七模擬開關的十六路輸入端；所述第十七模擬開關的 輸出端連接至第一信號隔離電路上。
上述第一至第十六模擬開關以及第十七模擬開關是十六選一模擬開關。
上述第二信號隔離電路由N組控制碼擴展光電隔離電路組成，其中N彡1，N取正 整數。
上述控制碼擴展光電隔離電路由數據緩沖電路、4-16路譯碼電路、反相驅動電路 和數字光電隔離電路組成；所述數據緩沖電路和4-16路譯碼電路分別連接到反相驅動電路上，所述反相驅動電路與所述數字光電隔離電路連接。
本發明上述的計算機是PC104嵌入式計算機，上述的總線是PC104總線。
本發明還提出一種基于上述裝置的在線檢測診斷方法，具體包括以下步驟
1)外部信號輸入接口將待測設備的被檢測信號引入至調理電路，所述信號調理電 路經過對被檢測信號的限幅、濾波處理后將信號輸入至超量通道切換分級控制電路；
2)所述超量通道切換分級控制電路采用兩級多路模擬開關分級控制電路進行分 級控制，所述兩級多路模擬開關分級控制電路共N組，每組通道分級切換控制電路實現對 256路通道信號的動態同步隔離測試，使檢測通道擴展成256XN路，以實現超量通道的信 號采集，其中N彡1，N取正整數；
3)所述超量通道切換分級控制電路的輸出信號輸入至第一信號隔離電路，通過第 一信號隔離電路的電壓跟隨器、模擬光耦隔離電路處理以實現信號隔離，經過隔離后的信 號送入A/D采樣通道，然后經過總線送入計算機處理以實現信號的采集；
4)計算機通過82551/0擴展板的控制信號控制自檢信號發生電路以產生自檢激 勵信號，用來測試信號采集通道是否可靠；在進行自檢時，自檢激勵信號通過超量通道切換 分級控制電路通道選擇接入，同時外部測試信號輸入通道被斷開；控制自檢信號發生電路 和超量通道切換分級控制電路的所有控制信號都來自82551/0擴展板，其中控制超量通道 切換分級控制電路的控制信號經過第二信號隔離電路的數字光電隔離。
本發明具有以下有益效果
本發明的在線檢測診斷裝置可依據實際測試需求對檢測通道進行擴展，并且在將 電壓信號測點動態接入超量通道過程中，無關測點和檢測診斷裝置沒有電氣連接，且不會 出現多路通道同時接入的問題，且計算機的所有輸入和輸出均進行了光電隔離，系統抗干 擾能力強。所提供的在線檢測診斷方法能根據定義的測點編碼自動按照被測大型復雜系統 的工作流程同步動態測試，且在測試過程中能根據設定的檢測時間和測試結果進行實時在 線檢測診斷被測設備的電壓狀態信號，并可實時顯示和存儲測試結果。本發明電路具有通 道自檢功能，保證了其檢測通道自身工作的可靠性。本發明可以很好地滿足飛機、衛星、艦 船、航天航空、工程機械、鐵路，智能建筑領域等大型復雜設備或系統的超量通道電壓信號 的在線檢測診斷要求。
圖1為在線檢測診斷裝置組成框圖2為通道切換分級控制電路原理框圖3為控制碼擴展光電隔離電路原理圖4為82551/0擴展板電路原理框圖5為在線檢測診斷裝置系統程序組成框圖6為在線檢測診斷流程圖7為基于XML的故障知識庫組成框圖8為基于XML故障知識庫的在線故障診斷層次結構圖9為通道自檢電路原理框圖10為通道自檢流程圖11為實施例工作流程圖。
其中，1為外部信號輸入接口 ；2為信號調理電路；3為自檢信號發生電路；4為通 道分級切換控制電路；5為第一信號隔離電路；6為第二信號隔離電路；7為82551/0擴展 板；8為計算機；9為顯示器；10為鍵盤；11為鼠標；12為電子盤；13為A/D信號采集通道； 14為第一模擬開關；15為第二模擬開關；16為第十六模擬開關；17為第十七模擬開關；18 為電壓跟隨器；19為模擬光藕隔離器；20為82551/0擴展口 ；21為82551/0擴展口 ；22為 數據緩沖電路；23為4-16路譯碼電路為反相驅動電路；25為數字光電隔離電路J6為 8255#1擴展芯片；27為GAL地址分配電路；28為8255#2擴展芯片；29為地址比較電路；30 為雙向通道數據緩沖電路；31為狀態檢測模塊；32為數據管理模塊；33為數據采集模塊； 34為數據存儲模塊；35為分析判斷模塊；36為數據分析模塊；37為數據查閱模塊；38為標 準數據庫模塊；39為結果顯示模塊；40為知識搜索模塊；41為基于XML的故障知識庫模塊； 42為故障診斷模塊；59為XML聲明部分；60為XML元素部分；61為故障顯示層；62為XML 解析層；63為基于XML的故障庫文檔層；64為故障代號層；91為第一級多路模擬選擇開關； 92為控制碼擴展光電隔離電路；100為超量通道切換分級控制電路。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述
參見圖1，本發明的光電隔離型超量通道電壓信號在線檢測診斷裝置，包括外部信 號輸入接口 1、信號調理電路2、超量通道切換分級控制電路100、第一信號隔離電路5、A/ D信號采集通道13、82551/0擴展板7、第二信號隔離電路6、自檢信號發生電路3、總線、計 算機8以及電子盤12。其中外部信號經過輸入接口 1連接至信號調理電路2的輸入端，信 號調理電路2的輸出端與超量通道切換分級控制電路100相連，由所述信號調理電路2輸 出的信號經過超量通道切換分級控制電路100后輸入至第一信號隔離電路5，經過隔離后 的信號通過A/D采樣通道13由總線送入計算機8，所述電子盤12與計算機8連接。在本 發明中，該計算機8采用PC104嵌入式計算機。計算機8通過總線連接82551/0擴展板7， 82551/0擴展板7通過第二信號隔離電路6連接到所述超量通道切換分級控制電路100的 輸入端，自檢信號發生電路3的輸入端直接由82551/0擴展板7的I/O 口控制，自檢信號發 生電路3的輸出端連接至所述超量通道切換分級控制電路100，計算機8通過82551/0擴展 板7的控制信號控制自檢信號發生電路3以產生自檢信號實現自檢測試，以及控制超量通 道切換分級控制電路100的動態切換以實現信號采集通道的切換。另外，如圖所示，在計算 機8上還設置有必要的人機交互界面裝置，如顯示器9、鍵盤10、鼠標11。
上述的信號調理電路2是當外部被測信號大于A/D采樣輸入范圍時應用。當外部 信號輸入接口 1將被測設備的狀態信號引入，經信號調理電路2的量程變換后可擴大本發 明的狀態信號測量范圍，信號調理電路2中的分壓電阻因待測電壓大小不一而分壓系數不 同，設計中為了減小因電阻分壓帶來的誤差，電路中的分壓電阻全部采用高精度的碳膜電 阻。本發明的狀態電壓信號測量范圍為0-120V，信號調理電路2的電阻值依測量電壓信號 范圍確定
①當狀態電壓信號測量范圍為0-10V時，本發明裝置直接測量；
②當狀態電壓信號測量范圍為11-27V時，采用的分壓電阻Rli = 10M, R2i = 2M ；
③當狀態電壓信號測量范圍為時，采用的分壓電阻Rli = 22M，R2i = 2M。
基于上述裝置，本發明的在線檢測診斷方法如下
1)外部信號輸入接口 1將待測設備的被檢測信號引入至調理電路2，信號調理電 路2經過對被檢測信號的限幅、濾波處理后將信號輸入至超量通道切換分級控制電路100 ；
2)超量通道切換分級控制電路100采用兩級多路模擬開關進行分級控制，兩級多 路模擬開關分級控制電路共N組，每組通道分級切換控制電路可實現對256路通道信號的 動態同步隔離測試，這樣依據實際測試需求可對檢測通道進行任意數量地擴展成256XN 路，以實現超量通道的信號采集，其中N ^ 1，N取正整數；
3)為了實現本發明的裝置與被檢測診斷對象間信號的隔離，消除了二者間的相互 影響和干擾，本發明裝置分別對計算機8的輸入、輸出進行了信號隔離。上述計算機8輸入 信號即為外部被測信號，外部被測信號首先經過超量通道切換分級控制電路100后輸入至 第一信號隔離電路5，被測信號通過第一信號隔離電路5的電壓跟隨器、模擬光耦隔離電路 等處理后，實現了被測信號與本發明裝置信號間隔離，經過隔離后外部被測信號然后送入 計算機8的A/D采樣通道13以實現信號的采集；上述計算機8輸出信號即為超量通道切換 分級控制電路100的控制信號，控制信號來自82551/0擴展板7，所述82551/0擴展板7上 的控制信號可控制自檢信號發生電路3以產生自檢信號實現自檢測試，以及經過第二隔離 電路6的信號隔離后控制超量通道切換分級控制電路100的動態切換以實現信號采集通道 的切換。
4)同時本發明裝置為了保證裝置自身的可靠性，計算機8通過82551/0擴展板7 的控制信號控制自檢信號發生電路3以產生自檢激勵信號，用來測試本發明裝置的信號采 集通道是否可靠。在系統進行自檢時，自檢激勵信號通過超量通道切換分級控制電路100 通道選擇接入本發明裝置，同時外部測試信號輸入通道被斷開，既保證了系統自檢覆蓋范 圍，又不會影響被測設備。
以下結合附圖對本發明的硬件部分和需要配合的軟件部分進行詳細的描述
圖2給出了通道切換分級控制電路原理框圖。本發明的超量通道切換分級控制電 路100由N組通道分級切換控制電路4組成，其中N彡1，N取正整數(本發明中出現的N 均取相同整數)。通道分級切換控制電路4由兩級多路模擬開關進行分級控制，其中第一 級多路模擬選擇開關91由第一模擬開關14、第二模擬開關15...第十六模擬開關16總共 十六個模擬開關組成(圖中中間第三至十五模擬開關未標號)，所述通道分級切換控制電 路中第二級多路模擬選擇開關由一個第十七模擬開關17組成，其中第一至第十六模擬開 關以及第十七模擬開關均是十六選一模擬開關。第一級多路模擬選擇開關91的十六個模 擬開關的輸出端連接至所述第十七模擬開關的十六路輸入端；第十七模擬開關17的輸出 端連接至第一信號隔離電路5上。
超量通道切換分級控制電路100的所有控制信號都來自82551/0擴展板7，且這 些控制信號均經過第二信號隔離電路6的數字光耦隔離。第二信號隔離電路6由N組控制 碼擴展光電隔離電路92組成，其中N彡1，N取正整數。控制碼擴展光電隔離電路92由數 據緩沖電路22、4-16路譯碼電路23、反相驅動電路M和數字光電隔離電路25組成。數據 緩沖電路22和4-16路譯碼電路23分別連接到反相驅動電路M上，反相驅動電路M與所 述數字光電隔離電路25連接。當外部被測信號不被采集時，通道切換分級控制電路的通道不會被接通，進一步提高了本發明裝置的抗干擾能力，同時保證了被測設備正常工作時不 受本發明裝置的影響；當需要采集信號時，PC104嵌入式計算機8通過控制82551/0擴展板 7的8路數字量輸出經數據緩沖電路22進行數據緩沖，緩沖后的D7 D4與4_16路譯碼 74LS154電路23相連形成16路片選信號INHl INH16，片選信號INHl INH16與D7 DO經反相驅動電路M和數字光電隔離電路25的光電隔離處理后共形成M路控制碼，這 24路控制碼用于控制超量通道切換分級控制電路100中單組256路通道分級切換控制電路 的信號采集通道選通或關閉。本發明中CD4067采用15V供電電源，為使模擬開關能正常工 作，路選信號以及片選信號均由高電平為15V的邏輯信號來控制，而基于PC104總線的嵌入 式計算機板上數字量輸出只提供邏輯電平為5V的信號，此處采用光電隔離技術來實現這 兩個電平之間的轉換，同時也實現了對被測設備與PC104總線嵌入式計算機之間的隔離， 提高了本發明的抗干擾能力。所述的數字光電隔離電路25采用6片TLP521-4L來實現。
圖3給出了控制碼擴展光電隔離電路原理圖。控制碼擴展光電隔離電路原理圖具 體設計如下
82551/0擴展板7的8路數字量D0-D7輸出至數據緩沖74HCM4(即數據緩沖電路 22)進行緩沖。其中，數字量低四位D0-D3經數據緩沖電路22緩沖后經反相驅動電路對的 驅動送入數字光電隔離25，形成第一級多路模擬選擇開關91的路選信號addrO addr3， 反相驅動電路M采用的芯片為74LS07。數字量高四位D4-D7經數據緩沖電路22緩沖后 與4-16譯碼電路23 (由芯片74HC154實現)相連，經譯碼后形成16位片選信號INHl INH16，然后經反相驅動電路M的驅動送入數字光電隔離電路25，形成第一級多路模擬選 擇開關91的片選信號片選信號INHl INH16 ；同時數字量D4-D7經數據緩沖電路22緩沖 后和反相驅動電路M相連，經反相驅動電路M驅動后送入數字光電隔離電路25，形成第二 級多路模擬選擇開關的路選信號addr4 addr7，第二級多路模擬選擇開關的片選信號INH 位接82551/0擴展板7的I/O擴展口。這樣，依被測對象檢測電壓信號的測量流程需求即 可選擇相應的測量通道，其控制通道方法如下
首先PC104嵌入式計算機8通過對82551/0擴展板7進行初始化，控制8255相應 I/O端口，當PC104嵌入式計算機8控制82551/0端口 A、或B、或C發送00000000時，表示選 擇第一級多路模擬選擇開關91中的第一模擬開關14及其第一路通道，以及第二級第十七 模擬開關17中的第一路通道。即82551/0端口輸出的D0-D7表示的含義如下82551/0端 口的低四位D0-D3用來控制第一級多路模擬選擇開關91的路選信號，82551/0端口的高四 位D4-D7既用來控制第一級多路模擬選擇開關91的片選信號，還用來控制第二級的第十七 模擬開關17的路選信號。以此類推，只要控制82551/0端口的輸出即可隨意控制單組256 路通道切換分級控制電路中任一通道的選通。
圖4給出了 82551/0擴展板7電路原理框圖。82551/0擴展板7由地址比較電路 29,GAL地址分配電路27、雙向通道數據緩沖電路30、8255#1擴展芯片沈和8255#2擴展芯 片觀組成。82551/0擴展板電路根據實際測試系統的配置要求，其工作地址可以設定。8255 的寄存器地址由操作地址線基地址和偏移地址共同決定，其操作地址線的基地址由地址波 段開關的6位跳線設置，其偏移地址由PC104嵌入式計算機8的總線上的地址線AO、Al確 定。PC104嵌入式計算機8總線上的地址線A9-A4與地址比較電路四相連，通過與地址撥 碼開關設定的地址進行比較產生EQU信號，EQU信號與雙向通道數據緩沖電路30的使能腳云相連。另外，EQU信號、PC104嵌入式計算機8地址線的AO、Al、A2信號，讀信號線I/0R， AEN,寫信號線I/0W，復位信號線RESET分別與GAL地址分配器27的8路輸入端相連，GAL 地址分配器另外2路閑置的輸入端與GND相連。GAL地址分配器27經過地址分配后的地址 主要控制8255芯片的讀信號線I/0R、寫信號線I/0W，8255寄存器選擇碼A0、A1，8255#1擴 展芯片沈的片選信號CS1，8255#2擴展芯片28的片選信號CS2以及數據緩沖電路30的控 制信號DIR。另外，PC104嵌入式計算機8的數據線D0-D7與數據緩沖電路30相連，緩沖后 的數據線D0-D7分別連接8255#1擴展芯片沈和8255#2擴展芯片28的D0-D7端。
基于以上硬件，本發明還需要相關的軟件部分進行配合，該軟件部分就是本發明 硬件內的在線檢測診斷系統程序。圖5給出了在線檢測診斷系統程序組成框圖。在線檢測 診斷系統程序由狀態檢測模塊31、分析判斷模塊35和故障診斷模塊42組成。其中狀態檢 測模塊31由數據采集模塊33、數據存儲模塊；34、數據管理模塊32組成；分析判斷模塊35 由數據分析模塊36、數據查閱模塊37、結果顯示模塊39以及標準數據庫模塊38組成；故障 診斷模塊42由知識搜索模塊40和基于XML的故障知識庫模塊41組成。所述數據采集模 塊33用于對電壓信號和自檢信號的數據采集；數據存儲模塊34用于將采集到的電壓狀態 信號存儲到系統數據庫中；數據查閱模塊37用于負責查閱歷史數據；數據分析模塊36用 于運行狀態識別和異常信號檢測；基于XML的故障知識庫模塊41和XML知識搜索模塊40 用于故障診斷定位和維修策略的生成。所述基于XML的故障知識庫模塊41的故障知識庫 采用XML構建，用于描述被測試設備故障的信息包括故障編號、故障原因和維修方法。在進 行電壓狀態數據檢測過程中，當發現數據狀態異常時則生成相應的故障代碼并同時啟動在 線診斷模塊42，在線診斷模塊42通過XML數據解析知識搜索40解析基于XML的故障知識 庫41，從而找出其發生故障的點位、故障的原因和維修方法，最后將診斷結果顯示給操作人 員，指導故障的排除。
圖6給出了本發明的在線檢測診斷流程圖。系統采用編碼方式首先對電壓信號的 測點信息進行標記和初始化，PC104嵌入式計算機8每次檢測外部信號時，首先讀取測點變 量的編碼，通過讀取測點編碼獲得的測點信息包括測點變量名稱、測點部位、測點值域和 檢測時間。所述測點變量名稱用于PC104嵌入式計算機8選擇對應的數據采集通道，測點 部位用于PC104嵌入式計算機8識別被測對象的測點部位，測點值域用于PC104嵌入式計 算機8在線判別被測對象的測量值是否正確，檢測時間用于PC104嵌入式計算機8進行檢 測時間倒計時。當PC104嵌入式計算機8對被測信號檢測完畢后，將顯示測量結果，并存儲 測量結果，同時故障診斷程序根據值域判斷變量的布爾量判斷是否在規定時間內檢測到合 格的信號，若檢測結果正常，則進入下一通道的采集，否則進入基于XML故障庫的在線故障 診斷57中。
為了實現大型復雜系統的在線監測診斷，本發明提供一種多通道、微負載、非介入 (非激勵)、全程隔離的在線監測診斷方法，該方法能實現超量通道信號的同步監測診斷， 能依據實際測試需求對檢測通道進行任意擴展，能根據被測復雜系統的工作流程進行動態 同步在線監測診斷，其在線監測診斷方法具體步驟如下
(1)系統程序進行初始化，具體包括
a)按照被測大型復雜系統的工作流程進行測點編號，并對被測大型復雜系統電壓 信號的測點名稱進行變量枚舉；
b)定義被測大型復雜系統在線監測診斷流程數據結構，具體包含被測對象的測點 名稱定義、測點部位定義、測點值域上限、下限定義和檢測時間量定義；
c)根據定義的被測大型復雜系統的在線監測診斷流程數據結構，并按照被測大型 復雜系統的工作流程初始化在線監測診斷流程數據結構，即按照被測大型復雜系統的工作 流程對每個測點的測點名稱、測點部位、測點值域上限、下限和檢測時間量進行變量定義和 變量賦值；
(2)系統程序對外部電壓信號采集，具體包括
a)定義測試花銷時間變量，測試結果值域判斷變量，并對二者變量賦初始值0 ；
b)讀取初始化后的在線監測診斷流程，并依據測點編號進行選取在線監測診斷流 程數據結構中的相應測試步驟，獲得測試流程中某步的信息，包括測點變量名稱、測點部 位、測點值域上限、下限、以及檢測時間；
c)進入循環程序判斷，如果設定的檢測時間已超時且沒有檢測到正確的測試結 果，或者設定的檢測時間未超時但已檢測到正確的測試結果，系統程序均將跳出循環程 序；
d)如果設定的檢測時間未超時但沒有檢測到正確的測試結果，則執行循環程序， 并根據測點變量名稱控制相應待測信號通道的選通；
e)選擇A/D轉換通道并設置A/D轉換信號的輸入范圍；
f)對A/D采樣得到的值采用去極值平均濾波方法，即連續采樣N次，去掉一個最 大值，去掉一個最小值，再求余下來的N-2個采樣值的算術平均值，本發明中N取9 ；
g)通過電壓采集去極值平均濾波后，然后讀取A/D采集子程序的測量值，并將其 轉換為電壓的實際測量值；
h)對測試花銷時間變量進行加1操作，并給測試結果值域判斷變量賦值。其中，測 試結果值域判斷變量主要根據測試結果是否在測點值域上限和測點值域下限之間來進行 賦值，賦值1表示檢測結果在測點值域范圍內，賦值0表示不在測點值域范圍內；
i)返回循環程序，并根據測點測試花銷時間變量和測試結果值域判斷變量的值對 系統循環程序進行判斷，如果測試花銷時間已超出測試流程中定義的檢測時間量且測試結 果值域判斷變量的值為0，或者測試花銷時間未超出測試流程中定義的檢測時間量且測試 結果值域判斷變量的值為1，則循環值為假，系統循環程序將跳出循環并根據測試結果值域 判斷變量的布爾量返回參數值；否則，循環值為真時說明測點在設定的檢測時間內仍沒有 測試正確，這樣系統循環程序仍將對當前測點繼續進行測試直至系統循環程序滿足循環終 止條件；
j)當滿足循環終止條件時，系統循環程序結束，系統將顯示和存儲測量結果；
k)系統程序將根據測試結果值域判斷變量的布爾量判斷是否在規定時間內檢測 到合格的信號，返回值為1說明被測對象當前測點信號的電壓值正常，程序繼續進行下一 測點的電壓信號測試。若返回值為0，則說明檢測點數據異常，系統將進入基于故障知識庫 的在線智能診斷中。
(3)系統程序對異常測點進行基于故障知識庫的在線智能診斷，具體包括
a)首先根據被測大型復雜系統的系統結構建立系統故障知識層次樹，并將故障 知識采用基于XML技術進行實現，對被測大型復雜系統各個測點的故障信息進行了統一編11號，建立的基于XML技術故障知識庫，包含XML聲明、處理指令和XML元素三部分，包含了被 測大型復雜系統故障的相關信息，具體包括故障編號、故障原因和維修方法。
b)當系統程序判斷測點異常時，記下此時的故障代號，即第幾步的測量值異常，然 后系統程序依據故障代號索引到基于XML技術故障知識庫的故障編號，并依據故障編號對 XML故障知識庫進行解析，具體步驟如下
①讀入XML故障知識庫文檔。
②檢查XML故障知識庫文檔是否合乎語法規則，確保開始標記有與其匹配的結束 標記、只有一個根元素、所有元素構成一棵層次樹并且沒有重疊的元素。
③如果未發現錯誤，則將XML轉換成系統程序使用的格式，即構成系統程序能使 用的數據結構；如有錯誤，則給出解析錯誤的報告。
④解析輸出，通過系統程序對XML文檔進行訪問，提取所需要的維修指導信息進 行顯示，主要是將查找到的故障發生點位、故障原因和維修方法顯示出來，以實現被測大型 復雜系統的功能檢測和原位在線故障診斷。
圖7給出了基于XML的故障知識庫組成框圖。本發明裝置的故障知識表示和存 儲都基于XML技術來實現。由于XML文檔是作為文本來編輯的，可以把XML文檔作為一個 普通的文本文件直接存儲在PC104嵌入式計算機8的系統程序中，此方法實現簡單并且不 需要專門的數據庫系統或者存儲管理器，在每次訪問XML文檔時只需要先對其進行解析即 可。本發明裝置將基于XML的故障知識庫定義為一個簡單的層次樹，包含XML聲明、處理指 令和XML元素三部分。所述XML聲明部分59出現在文檔的開頭部分，包括版本號、可能的語 言編碼、可選的文檔類型定義(DTD)；所述XML元素部分60包括標記符、屬性、注釋、實體引 用等組成，是XML標記的基本組成部分。其中，XML標記符包括起始標記符和對應的結束標 記符，二者逐層嵌套；XML屬性是元素的性質，屬性表述了元素的開始標簽內的信息，由< ？ 和？ >字符組界定；XML中的注釋以〈！一開始，以一> 結束，它可出現在XML文檔的任何 位置。為提高搜索效率、簡化搜索程序，本發明裝置對被測設備各個測點的故障信息進行了 統一編號，建立了格式統一的故障知識庫，可清晰地描述被測試設備故障的相關信息，其中 包括故障編號、故障原因和維修方法。
圖8給出了基于XML故障知識庫的在線故障診斷層次結構圖。本發明提供的在線 檢測診斷功能由四個層次完成，包括故障顯示層61，XML解析層62，基于XML的故障庫文 檔層63，故障代號層64。所述的故障代號層64由電壓信號在線檢測程序生成，在電壓信號 在線檢測程序中當判斷被測設備的電壓異常時，本發明裝置記下此時的故障代號，即第幾 步的測量值異常，在故障代號層64中，在線檢測診斷程序依據故障代號索引到XML故障庫 文檔層63中的故障編號；所述的基于XML的故障庫文檔層63參見圖7給出的基于XML的 故障知識庫組成圖，主要是建立本發明的故障知識庫；所述的故障顯示層61，主要是將查 找到的故障發生點位、故障原因和維修方法顯示出來，以實現被測設備的功能檢測和原位 在線故障診斷。
圖9給出了通道自檢電路原理框圖。自檢信號為15V供電電源自經穩壓后形成的 +5V信號，當本發明裝置處于自檢測狀態時，PC104嵌入式計算機8通過82551/0擴展板7 向自檢信號發生電路3發出相應繼電器控制信號，以控制自檢信號發生電路3中自檢繼電 器閉合，繼電器閉合后將由15V供電電源自經穩壓形成的+5V自檢信號引入第一級多路模擬選擇開關91中每一片⑶4067的不同輸入端，即分別連接到IOl 1016輸入端。當進 行自檢測試時，PC104嵌入式計算機8通過分別檢測通道分級切換控制電路中每片CD4067 的好壞來判斷信號的采集通道好壞，其實現的原理是以檢測單個通道好壞來作為判斷整片 CD4067好壞的依據，這樣設計的優點是簡化了系統的硬件設計。另外，本發明采用的自檢 方式是自檢信號測量檢測，即經過對比測量值與自檢信號的大小是否在誤差允許范圍內來 判斷通道檢測的可靠性，因此多路選擇開關、光電隔離芯片和A/D數據采集芯片在此種自 檢方式下均得到了檢測驗證。本發明裝置的自檢電路設計簡化了電路板的設計，降低了成 本，提高了檢測診斷裝置的可靠性。當自檢完成后，PC104嵌入式計算機8發出相應繼電器 控制信號，控制繼電器斷開，從而斷開+5V自檢信號，使電路板處于測試狀態。
圖10給出了通道自檢流程圖，步驟70為8255初始化。在自檢過程中，步驟71 73實現PC104嵌入式計算機發出自檢繼電器控制信號，并可靠地控制自檢繼電器閉合。步 驟74 76實現PC104嵌入式計算機16發出通道選擇控制信號，并可靠地控制所選自檢通 道的選通。在步驟78中，PC104嵌入式計算機對自檢信號進行檢測并對比測量值與自檢信 號的大小是否在誤差允許范圍內，如果在允許范圍內則判斷自檢通道自檢正常，并再次對 自檢信號進行檢測并對比測量值與自檢信號的大小是否在誤差允許范圍內，如果判斷為自 檢異常，則返回值0，當再次判斷為自檢正常時，則返回值1，否則仍返回值0。當對自檢信號 檢測完成后，在步驟85中，PC104嵌入式計算機8根據檢測返回值進行判斷，若返回值1，則 表示當前自檢的通道正常，并判斷是否所有通道自檢完成，若完成則自檢結束，并斷開自檢 繼電器，同時進入測試狀態，否則順序執行下一通道的自檢；若返回值0，則進行自檢報警， 提示自檢不通過。
圖11給出了本發明實施例工作流程圖。對某大型復雜設備或系統進行在線狀態 檢測診斷時，實施例工作流程如下
首先通過轉接箱和轉接電纜將被測設備的各種電壓工作信號傳送到接口電路。系 統開機后首先按照預先的設定進行程序初始化，對檢測診斷硬件系統的相關端口進行必要 的初始化設置，接著啟動界面顯示程序為操作人員提供工作模式的選擇，此時操作人員可 選擇系統自檢、查閱歷史測試數據或與被測設備同步運行完成對相關電壓量的測試。當本 發明裝置處于自檢測模式時，首先PC104嵌入式計算機控制自檢繼電器以提供自檢信號給 采樣通道，然后針對第一級中每個模擬開關CD4067發出不同通道的自檢控制碼，通過選通 相應的自檢測通道，使得自檢信號送到A/D采樣通道上，PC104嵌入式計算機通過比較自檢 信號和實際測量數據的一致性來判斷采樣通道是否發生了故障，若異常，則相應通道發生 故障。當發生故障后，裝置依據自檢結果定位發生故障的采樣通道，本發明裝置的通道自 檢功能保證檢測診斷裝置工作時自身無故障，從而大大提高了本發明裝置的可靠性和安全 性。當本發明裝置處于測試狀態時，根據被測設備的運行狀態和工作流程，同步地對被測設 備不同通道電壓信號進行采集。測試過程中PC104嵌入式計算機通過PC104總線向超量 通道分級控制電路發出控制指令，控制相應通道的模擬開關工作，接通需要采集的信號通 道，并通過A/D對被測設備的電壓量進行采集，并將測量結果進行顯示、存儲和管理，同時 PC104嵌入式計算機對測得的信號進行在線診斷，判斷為異常后，其在線診斷模塊開始利用 XML知識搜索模塊，對異常信號編號進行基于XML的故障知識庫定位，并給出相應的維修措 施和建議，從而實現被測對象電壓信號的快速診斷和準確定位。當本發明裝置處于查閱歷史測試數據時，即可根據選擇的查閱測試數據記錄時間進行查閱已存儲在裝置系統中的歷 史數據。所有上述工作模式均沒有選擇時，可選擇退出系統。
綜上所述，本發明所提供的在線檢測診斷裝置可依據實際測試需求對檢測通道進 行擴展，擴展數量可高達256XN路，以實現超量通道信號采集，其中N > 1，N取正整數。 在將電壓信號測點動態接入超量通道過程中，無關測點和檢測系統沒有電氣連接，且不會 出現多路通道同時接入的問題，且PC104嵌入式計算機的所有輸入和輸出均進行了光電隔 離，系統抗干擾能力強。所提供的在線檢測診斷方法能根據定義的測點編碼自動按照被測 大型復雜系統的工作流程同步動態測試，且在測試過程中能根據設定的檢測時間和測試結 果進行實時在線檢測診斷被測設備的電壓狀態信號，并可實時顯示和存儲測試結果，且可 根據檢測到的異常電壓狀態信息，結合基于XML的故障知識庫，在線完成故障的搜索定位。 本發明對于大于A/D采樣輸入范圍的電壓信號，其每個采樣通道輸入阻抗大于12兆歐，被 檢測狀態電壓范圍為OV 120V，同時電路具有通道自檢功能，保證了其檢測通道自身工作 的可靠性。本發明可以很好地滿足飛機、衛星、艦船、航天航空、工程機械、鐵路，智能建筑領 域等大型復雜設備或系統的超量通道電壓信號的在線檢測診斷要求。
權利要求
1.一種光電隔離型超量通道電壓信號在線檢測診斷裝置，包括外部信號輸入接口 (1)、信號調理電路O)、超量通道切換分級控制電路(100)、第一信號隔離電路(5)、A/D信 號采集通道(13)、82551/0擴展板(7)、第二信號隔離電路(6)、自檢信號發生電路(3)、總 線、計算機(8)以及電子盤(12)，其特征在于所述外部信號經過輸入接口(1)連接至信號 調理電路O)的輸入端，信號調理電路O)的輸出端與超量通道切換分級控制電路(100) 相連，由所述信號調理電路⑵輸出的信號經過超量通道切換分級控制電路(100)后輸入 至第一信號隔離電路(5)，經過隔離后的信號通過A/D采樣通道(13)由總線送入計算機 (8)；所述計算機(8)通過總線連接82551/0擴展板(7)，所述82551/0擴展板(7)通過第二 信號隔離電路(6)連接到所述超量通道切換分級控制電路(100)的輸入端，所述自檢信號 發生電路(3)的輸入端直接由82551/0擴展板(7)的I/O 口控制，所述自檢信號發生電路 ⑶的輸出端連接至所述超量通道切換分級控制電路(100)，所述計算機⑶通過82551/0 擴展板(7)的控制信號控制自檢信號發生電路(3)以產生自檢信號實現自檢測試，以及控 制超量通道切換分級控制電路(100)的動態切換實現信號采集通道的切換。
2.根據權利要求1所述的光電隔離型超量通道電壓信號在線檢測診斷裝置，其特征在 于所述超量通道切換分級控制電路(100)由N組通道分級切換控制電路(4)組成，其中 N ^ 1，N取正整數；所述通道分級切換控制電路(4)由兩級多路模擬開關進行分級控制，其 中第一級多路模擬選擇開關(91)由第一至第十六模擬開關組成，所述通道分級切換控制 電路中的第二級多路模擬選擇開關由第十七模擬開關組成；所述第一級多路模擬選擇 開關(91)的第一至第十六模擬開關的輸出端分別連接至所述第十七模擬開關的十六路輸 入端；所述第十七模擬開關(17)的輸出端連接至第一信號隔離電路( 上。
3.根據權利要求2所述的光電隔離型超量通道電壓信號在線檢測診斷裝置，其特征在 于所述第一至第十六模擬開關以及第十七模擬開關(17)是十六選一模擬開關；
4.根據權利要求1所述的光電隔離型超量通道電壓信號在線檢測診斷裝置，其特征在 于所述第二信號隔離電路(6)由N組控制碼擴展光電隔離電路(92)組成，其中N > 1，N 取正整數。
5.根據權利要求4所述的光電隔離型超量通道電壓信號在線檢測診斷裝置，其特征在 于所述控制碼擴展光電隔離電路(92)由數據緩沖電路(22)、4-16路譯碼電路(23)、反相 驅動電路04)和數字光電隔離電路05)組成；所述數據緩沖電路02)和4-16路譯碼電 路03)分別連接到反相驅動電路04)上，所述反相驅動電路04)與所述數字光電隔離電 路(25)連接。
6.根據權利要求5所述的光電隔離型超量通道電壓信號在線檢測診斷裝置，其特征在 于所述數據緩沖電路02)采用74HC244實現。
7.根據權利要求5所述的光電隔離型超量通道電壓信號在線檢測診斷裝置，其特征在 于所述數字光電隔離電路05)采用6片TLP521-4L實現。
8.根據權利要求5所述的光電隔離型超量通道電壓信號在線檢測診斷裝置，其特征在 于所述反相驅動電路04)采用74LS07實現；所述4-16路譯碼電路采用74HC1M實 現。
9.根據權利要求1、2、3或4所述的光電隔離型超量通道電壓信號在線檢測診斷裝置， 其特征在于所述計算機(8)是PC104嵌入式計算機，所述總線是PC104總線。
10. 一種基于權利要求1所述裝置的在線檢測診斷方法，其特征在于，包括以下步驟1)外部信號輸入接口(1)將待測設備的被檢測信號引入至調理電路O)，所述信號調 理電路( 經過對被檢測信號的限幅、濾波處理后將信號輸入至超量通道切換分級控制電 路(100)；2)所述超量通道切換分級控制電路(100)采用兩級多路模擬開關分級控制電路進行 分級控制，所述兩級多路模擬開關分級控制電路共N組，每組通道分級切換控制電路實現 對256路通道信號的動態同步隔離測試，使檢測通道擴展成256XN路，以實現超量通道的 信號采集，其中N彡1，N取正整數；3)所述超量通道切換分級控制電路(100)的輸出信號輸入至第一信號隔離電路(5)， 通過第一信號隔離電路(5)的電壓跟隨器、模擬光耦隔離電路處理以實現信號隔離，經過 隔離后的信號送入A/D采樣通道(13)，然后經過總線送入計算機(8)處理以實現信號的采 集；4)計算機(8)通過82551/0擴展板(7)的控制信號控制自檢信號發生電路(3)以產 生自檢激勵信號，用來測試信號采集通道是否可靠；在進行自檢時，自檢激勵信號通過超量 通道切換分級控制電路(100)通道選擇接入，同時外部測試信號輸入通道被斷開；控制自 檢信號發生電路C3)和超量通道切換分級控制電路(100)的所有控制信號都來自82551/0 擴展板(7)，其中控制超量通道切換分級控制電路(100)的控制信號經過第二信號隔離電 路(6)的數字光耦隔離。
全文摘要
本發明涉及一種光電隔離型超量通道電壓信號在線檢測診斷裝置及其方法。該裝置主要包括外部信號輸入接口、信號調理電路、超量通道切換分級控制電路、第一信號隔離電路、8255I/O擴展板、第二信號隔離電路、自檢信號發生電路、A/D信號采集通道、計算機以及電子盤。本發明的裝置可依據實際測試需求對檢測通道進行擴展，且計算機輸入、輸出均進行了光電隔離，抗干擾能力強。本發明的在線檢測診斷方法能根據定義的測點編碼自動按照被測大型復雜系統的工作流程同步動態測試，且在測試過程中能根據設定的檢測時間和測試結果進行實時在線檢測診斷被測設備的電壓狀態信號。
文檔編號G01R19/00GK102034344SQ201010563650
公開日2011年4月27日 申請日期2010年11月29日 優先權日2010年11月29日
發明者何艷萍, 李艾華, 王濤, 白向峰, 蔡艷平 申請人:中國人民解放軍第二炮兵工程學院