光电隔离型超量通道电压信号在线检测诊断装置及其方法

专利名称：光电隔离型超量通道电压信号在线检测诊断装置及其方法
光电隔离型超量通道电压信号在线检测诊断装置及其方法技术领域
本发明属于电子工程测量技术领域，涉及一种基于PC104总线的测量装置及方 法，特别是一种基于PC104总线带通道自检功能的用于航天航空、测发控领域等大型复杂 系统的光电隔离型超量通道电压信号在线检测诊断装置及方法。
背景技术：
目前，在电路系统的电压状态量检测技术中，常见的数据采集电路主要有独立通 道数据采集电路、多通道分时复用数据采集电路和多模块多通道数据采集电路。其中，独立 通道数据采集电路适用于单通道数据采集和同步数据采集要求高的应用，其缺点是系统可 靠性差，且所用数据采集元器件多，成本高；多通道分时复用数据采集的电路结构所用数据 采集元器件少，成本降低，但其系统可靠性最弱的环节为多路选择开关、光电隔离芯片和A/ D数据采集芯片，一旦这些环节中的一个出现故障，则与之相连的全部检测就失效了，可靠 性差；多模块多通道数据采集电路的可靠性虽有所提高，但其缺点与多通道分时复用数据 采集电路的问题类似。
一般，对在实际中虽然信号采集路数多但信号采集并行性不高的场合，一般都采 用多通道分时复用数据采集电路，即通过多通道分时分组输入来共享一台数据采集设备。 在中国专利局网站上，以“多通道”和“检测”为主题词，搜有相关专利，目前公开的用于 多通道数据采集的系统和电路有中国发明专利“多通道数据采集方法及装置”(申请号 200410013201. 1，公告号=CN 1584815A)、中国发明专利“多通道信号检测电路及方法”(申 请号200410015437. 9，公告号CN 1658250A)、中国发明专利“多通道模数转换装置及方 法”(申请号:200610109266. 5，公告号=CN 101119115A)、中国发明专利“一种多通道光电 隔离电压的测量方法及其电路”(申请号200710075161. 7，公告号CN 101076053A)以 及中国发明专利“多通道数据采集系统及其方法”(申请号200710075161. 7，公告号CN 101076053A)等均是采用多通道分时复用数据采集电路，但在查到的相关专利中，这些专 利均存在以下几个方面的问题检测通道最大不超过100个，仅能实现对外部信号检测的 功能，也不能够进行信号采集通道自检，其检测通道自身工作存在可靠性差的问题。另外， 这些专利也没有考虑信号检测通道的任意扩展功能，也没有考虑信号检测后的在线诊断问 题。
由于航天航空、测发控领域等大型复杂系统工作过程中是按照一定工作流程和工 作时序来进行工作的，其信号采集的并行性要求不高，但其信号采集的路数多。在这些系统 中，信号采集系统中的通道数量如何、可靠性如何和检测智能性如何将极大地影响对航天 航空、测发控领域等大型复杂系统的工程检测诊断效果。在数据测试过程中，由于被测系统 的测试点位多，如果检测通道数量不足，则会引起被测系统的漏诊，如果检测通道自身工作 出现问题往往会引起误测和误诊；当测试数据出现异常时，如果仅靠测试人员进行判读往 往是显得经验不足，且在时间上是来不及的，因此必须实现被测系统的智能在线检测诊断， 且要保证检测通道数量上充足和自身工作上可靠。而由于目前现有专利技术在结构与功能上的局限性，在航天航空、测发控领域等大型复杂系统中进行应用时，往往显得检测通道不 足，可靠性差，智能性差，不能在线诊断。因此针对航天航空、测发控领域等大型复杂系统需 要提供一种光电隔离型超量通道电压信号在线检测诊断装置及方法。
另外，在中国专利局网站上，以“超量通道”、“通道自检”和“检测诊断”为主题词， 搜有相关专利，未找到关于带通道自检功能的光电隔离型超量通道电压信号在线检测诊断 的发明案例；同样，以“超量通道”、“通道自检”和“检测诊断”为主题词，在国内外权威文献 数据库中也没有找到相关案例的文献。发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种光电隔离型超量通道电压 信号在线检测诊断装置及其方法，该装置综合采用变参量、多通道、微负载、非介入(非激 励)、全程隔离测试、上电自检等技术，彻底解决了检测诊断装置因全程接入而干扰被测设 备、因检测能力弱无法实时在线而需被测设备配合完成诊断的技术难题；实现了多点位、多 通道、多类变参量信号的实时检测以及数据的自动采集、记录、显示、分析和诊断，能显著提 高设备故障检测与诊断的准确性和效率。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的
这种光电隔离型超量通道电压信号在线检测诊断装置，包括外部信号输入接口、 信号调理电路、超量通道切换分级控制电路、第一信号隔离电路、A/D信号采集通道、82551/ 0扩展板、第二信号隔离电路、自检信号发生电路、总线、计算机以及电子盘。所述外部信 号经过输入接口连接至信号调理电路的输入端，信号调理电路的输出端与超量通道切换分 级控制电路相连，由所述信号调理电路输出的信号经过超量通道切换分级控制电路后输入 至第一信号隔离电路，经过隔离后的信号通过A/D采样通道由总线送入计算机；所述计算 机通过总线连接82551/0扩展板，所述82551/0扩展板通过第二信号隔离电路连接到所述 超量通道切换分级控制电路的输入端，所述自检信号发生电路的输入端直接由82551/0扩 展板的I/O 口控制，所述自检信号发生电路的输出端连接至所述超量通道切换分级控制电 路，所述计算机通过82551/0扩展板的控制信号控制自检信号发生电路以产生自检信号实 现自检测试，以及控制超量通道切换分级控制电路的动态切换以实现信号采集通道的切 换。
上述超量通道切换分级控制电路由N组通道分级切换控制电路组成，其中N > 1，N 取正整数；所述通道分级切换控制电路由两级多路模拟开关进行分级控制，其中第一级多 路模拟选择开关由第一至第十六模拟开关组成，所述通道分级切换控制电路中的第二级多 路模拟选择开关由第十七模拟开关组成；所述第一级多路模拟选择开关的第一至第十六模 拟开关的输出端分别连接至所述第十七模拟开关的十六路输入端；所述第十七模拟开关的 输出端连接至第一信号隔离电路上。
上述第一至第十六模拟开关以及第十七模拟开关是十六选一模拟开关。
上述第二信号隔离电路由N组控制码扩展光电隔离电路组成，其中N彡1，N取正 整数。
上述控制码扩展光电隔离电路由数据缓冲电路、4-16路译码电路、反相驱动电路 和数字光电隔离电路组成；所述数据缓冲电路和4-16路译码电路分别连接到反相驱动电路上，所述反相驱动电路与所述数字光电隔离电路连接。
本发明上述的计算机是PC104嵌入式计算机，上述的总线是PC104总线。
本发明还提出一种基于上述装置的在线检测诊断方法，具体包括以下步骤
1)外部信号输入接口将待测设备的被检测信号引入至调理电路，所述信号调理电 路经过对被检测信号的限幅、滤波处理后将信号输入至超量通道切换分级控制电路；
2)所述超量通道切换分级控制电路采用两级多路模拟开关分级控制电路进行分 级控制，所述两级多路模拟开关分级控制电路共N组，每组通道分级切换控制电路实现对 256路通道信号的动态同步隔离测试，使检测通道扩展成256XN路，以实现超量通道的信 号采集，其中N彡1，N取正整数；
3)所述超量通道切换分级控制电路的输出信号输入至第一信号隔离电路，通过第 一信号隔离电路的电压跟随器、模拟光耦隔离电路处理以实现信号隔离，经过隔离后的信 号送入A/D采样通道，然后经过总线送入计算机处理以实现信号的采集；
4)计算机通过82551/0扩展板的控制信号控制自检信号发生电路以产生自检激 励信号，用来测试信号采集通道是否可靠；在进行自检时，自检激励信号通过超量通道切换 分级控制电路通道选择接入，同时外部测试信号输入通道被断开；控制自检信号发生电路 和超量通道切换分级控制电路的所有控制信号都来自82551/0扩展板，其中控制超量通道 切换分级控制电路的控制信号经过第二信号隔离电路的数字光电隔离。
本发明具有以下有益效果
本发明的在线检测诊断装置可依据实际测试需求对检测通道进行扩展，并且在将 电压信号测点动态接入超量通道过程中，无关测点和检测诊断装置没有电气连接，且不会 出现多路通道同时接入的问题，且计算机的所有输入和输出均进行了光电隔离，系统抗干 扰能力强。所提供的在线检测诊断方法能根据定义的测点编码自动按照被测大型复杂系统 的工作流程同步动态测试，且在测试过程中能根据设定的检测时间和测试结果进行实时在 线检测诊断被测设备的电压状态信号，并可实时显示和存储测试结果。本发明电路具有通 道自检功能，保证了其检测通道自身工作的可靠性。本发明可以很好地满足飞机、卫星、舰 船、航天航空、工程机械、铁路，智能建筑领域等大型复杂设备或系统的超量通道电压信号 的在线检测诊断要求。


图1为在线检测诊断装置组成框图2为通道切换分级控制电路原理框图3为控制码扩展光电隔离电路原理图4为82551/0扩展板电路原理框图5为在线检测诊断装置系统程序组成框图6为在线检测诊断流程图7为基于XML的故障知识库组成框图8为基于XML故障知识库的在线故障诊断层次结构图9为通道自检电路原理框图10为通道自检流程图11为实施例工作流程图。
其中，1为外部信号输入接口 ；2为信号调理电路；3为自检信号发生电路；4为通 道分级切换控制电路；5为第一信号隔离电路；6为第二信号隔离电路；7为82551/0扩展 板；8为计算机；9为显示器；10为键盘；11为鼠标；12为电子盘；13为A/D信号采集通道； 14为第一模拟开关；15为第二模拟开关；16为第十六模拟开关；17为第十七模拟开关；18 为电压跟随器；19为模拟光藕隔离器；20为82551/0扩展口 ；21为82551/0扩展口 ；22为 数据缓冲电路；23为4-16路译码电路为反相驱动电路；25为数字光电隔离电路J6为 8255#1扩展芯片；27为GAL地址分配电路；28为8255#2扩展芯片；29为地址比较电路；30 为双向通道数据缓冲电路；31为状态检测模块；32为数据管理模块；33为数据采集模块； 34为数据存储模块；35为分析判断模块；36为数据分析模块；37为数据查阅模块；38为标 准数据库模块；39为结果显示模块；40为知识搜索模块；41为基于XML的故障知识库模块； 42为故障诊断模块；59为XML声明部分；60为XML元素部分；61为故障显示层；62为XML 解析层；63为基于XML的故障库文档层；64为故障代号层；91为第一级多路模拟选择开关； 92为控制码扩展光电隔离电路；100为超量通道切换分级控制电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述
参见图1，本发明的光电隔离型超量通道电压信号在线检测诊断装置，包括外部信 号输入接口 1、信号调理电路2、超量通道切换分级控制电路100、第一信号隔离电路5、A/ D信号采集通道13、82551/0扩展板7、第二信号隔离电路6、自检信号发生电路3、总线、计 算机8以及电子盘12。其中外部信号经过输入接口 1连接至信号调理电路2的输入端，信 号调理电路2的输出端与超量通道切换分级控制电路100相连，由所述信号调理电路2输 出的信号经过超量通道切换分级控制电路100后输入至第一信号隔离电路5，经过隔离后 的信号通过A/D采样通道13由总线送入计算机8，所述电子盘12与计算机8连接。在本 发明中，该计算机8采用PC104嵌入式计算机。计算机8通过总线连接82551/0扩展板7， 82551/0扩展板7通过第二信号隔离电路6连接到所述超量通道切换分级控制电路100的 输入端，自检信号发生电路3的输入端直接由82551/0扩展板7的I/O 口控制，自检信号发 生电路3的输出端连接至所述超量通道切换分级控制电路100，计算机8通过82551/0扩展 板7的控制信号控制自检信号发生电路3以产生自检信号实现自检测试，以及控制超量通 道切换分级控制电路100的动态切换以实现信号采集通道的切换。另外，如图所示，在计算 机8上还设置有必要的人机交互界面装置，如显示器9、键盘10、鼠标11。
上述的信号调理电路2是当外部被测信号大于A/D采样输入范围时应用。当外部 信号输入接口 1将被测设备的状态信号引入，经信号调理电路2的量程变换后可扩大本发 明的状态信号测量范围，信号调理电路2中的分压电阻因待测电压大小不一而分压系数不 同，设计中为了减小因电阻分压带来的误差，电路中的分压电阻全部采用高精度的碳膜电 阻。本发明的状态电压信号测量范围为0-120V，信号调理电路2的电阻值依测量电压信号 范围确定
①当状态电压信号测量范围为0-10V时，本发明装置直接测量；
②当状态电压信号测量范围为11-27V时，采用的分压电阻Rli = 10M, R2i = 2M ；
③当状态电压信号测量范围为时，采用的分压电阻Rli = 22M，R2i = 2M。
基于上述装置，本发明的在线检测诊断方法如下
1)外部信号输入接口 1将待测设备的被检测信号引入至调理电路2，信号调理电 路2经过对被检测信号的限幅、滤波处理后将信号输入至超量通道切换分级控制电路100 ；
2)超量通道切换分级控制电路100采用两级多路模拟开关进行分级控制，两级多 路模拟开关分级控制电路共N组，每组通道分级切换控制电路可实现对256路通道信号的 动态同步隔离测试，这样依据实际测试需求可对检测通道进行任意数量地扩展成256XN 路，以实现超量通道的信号采集，其中N ^ 1，N取正整数；
3)为了实现本发明的装置与被检测诊断对象间信号的隔离，消除了二者间的相互 影响和干扰，本发明装置分别对计算机8的输入、输出进行了信号隔离。上述计算机8输入 信号即为外部被测信号，外部被测信号首先经过超量通道切换分级控制电路100后输入至 第一信号隔离电路5，被测信号通过第一信号隔离电路5的电压跟随器、模拟光耦隔离电路 等处理后，实现了被测信号与本发明装置信号间隔离，经过隔离后外部被测信号然后送入 计算机8的A/D采样通道13以实现信号的采集；上述计算机8输出信号即为超量通道切换 分级控制电路100的控制信号，控制信号来自82551/0扩展板7，所述82551/0扩展板7上 的控制信号可控制自检信号发生电路3以产生自检信号实现自检测试，以及经过第二隔离 电路6的信号隔离后控制超量通道切换分级控制电路100的动态切换以实现信号采集通道 的切换。
4)同时本发明装置为了保证装置自身的可靠性，计算机8通过82551/0扩展板7 的控制信号控制自检信号发生电路3以产生自检激励信号，用来测试本发明装置的信号采 集通道是否可靠。在系统进行自检时，自检激励信号通过超量通道切换分级控制电路100 通道选择接入本发明装置，同时外部测试信号输入通道被断开，既保证了系统自检覆盖范 围，又不会影响被测设备。
以下结合附图对本发明的硬件部分和需要配合的软件部分进行详细的描述
图2给出了通道切换分级控制电路原理框图。本发明的超量通道切换分级控制电 路100由N组通道分级切换控制电路4组成，其中N彡1，N取正整数(本发明中出现的N 均取相同整数)。通道分级切换控制电路4由两级多路模拟开关进行分级控制，其中第一 级多路模拟选择开关91由第一模拟开关14、第二模拟开关15...第十六模拟开关16总共 十六个模拟开关组成(图中中间第三至十五模拟开关未标号)，所述通道分级切换控制电 路中第二级多路模拟选择开关由一个第十七模拟开关17组成，其中第一至第十六模拟开 关以及第十七模拟开关均是十六选一模拟开关。第一级多路模拟选择开关91的十六个模 拟开关的输出端连接至所述第十七模拟开关的十六路输入端；第十七模拟开关17的输出 端连接至第一信号隔离电路5上。
超量通道切换分级控制电路100的所有控制信号都来自82551/0扩展板7，且这 些控制信号均经过第二信号隔离电路6的数字光耦隔离。第二信号隔离电路6由N组控制 码扩展光电隔离电路92组成，其中N彡1，N取正整数。控制码扩展光电隔离电路92由数 据缓冲电路22、4-16路译码电路23、反相驱动电路M和数字光电隔离电路25组成。数据 缓冲电路22和4-16路译码电路23分别连接到反相驱动电路M上，反相驱动电路M与所 述数字光电隔离电路25连接。当外部被测信号不被采集时，通道切换分级控制电路的通道不会被接通，进一步提高了本发明装置的抗干扰能力，同时保证了被测设备正常工作时不 受本发明装置的影响；当需要采集信号时，PC104嵌入式计算机8通过控制82551/0扩展板 7的8路数字量输出经数据缓冲电路22进行数据缓冲，缓冲后的D7 D4与4_16路译码 74LS154电路23相连形成16路片选信号INHl INH16，片选信号INHl INH16与D7 DO经反相驱动电路M和数字光电隔离电路25的光电隔离处理后共形成M路控制码，这 24路控制码用于控制超量通道切换分级控制电路100中单组256路通道分级切换控制电路 的信号采集通道选通或关闭。本发明中CD4067采用15V供电电源，为使模拟开关能正常工 作，路选信号以及片选信号均由高电平为15V的逻辑信号来控制，而基于PC104总线的嵌入 式计算机板上数字量输出只提供逻辑电平为5V的信号，此处采用光电隔离技术来实现这 两个电平之间的转换，同时也实现了对被测设备与PC104总线嵌入式计算机之间的隔离， 提高了本发明的抗干扰能力。所述的数字光电隔离电路25采用6片TLP521-4L来实现。
图3给出了控制码扩展光电隔离电路原理图。控制码扩展光电隔离电路原理图具 体设计如下
82551/0扩展板7的8路数字量D0-D7输出至数据缓冲74HCM4(即数据缓冲电路 22)进行缓冲。其中，数字量低四位D0-D3经数据缓冲电路22缓冲后经反相驱动电路对的 驱动送入数字光电隔离25，形成第一级多路模拟选择开关91的路选信号addrO addr3， 反相驱动电路M采用的芯片为74LS07。数字量高四位D4-D7经数据缓冲电路22缓冲后 与4-16译码电路23 (由芯片74HC154实现)相连，经译码后形成16位片选信号INHl INH16，然后经反相驱动电路M的驱动送入数字光电隔离电路25，形成第一级多路模拟选 择开关91的片选信号片选信号INHl INH16 ；同时数字量D4-D7经数据缓冲电路22缓冲 后和反相驱动电路M相连，经反相驱动电路M驱动后送入数字光电隔离电路25，形成第二 级多路模拟选择开关的路选信号addr4 addr7，第二级多路模拟选择开关的片选信号INH 位接82551/0扩展板7的I/O扩展口。这样，依被测对象检测电压信号的测量流程需求即 可选择相应的测量通道，其控制通道方法如下
首先PC104嵌入式计算机8通过对82551/0扩展板7进行初始化，控制8255相应 I/O端口，当PC104嵌入式计算机8控制82551/0端口 A、或B、或C发送00000000时，表示选 择第一级多路模拟选择开关91中的第一模拟开关14及其第一路通道，以及第二级第十七 模拟开关17中的第一路通道。即82551/0端口输出的D0-D7表示的含义如下82551/0端 口的低四位D0-D3用来控制第一级多路模拟选择开关91的路选信号，82551/0端口的高四 位D4-D7既用来控制第一级多路模拟选择开关91的片选信号，还用来控制第二级的第十七 模拟开关17的路选信号。以此类推，只要控制82551/0端口的输出即可随意控制单组256 路通道切换分级控制电路中任一通道的选通。
图4给出了 82551/0扩展板7电路原理框图。82551/0扩展板7由地址比较电路 29,GAL地址分配电路27、双向通道数据缓冲电路30、8255#1扩展芯片沈和8255#2扩展芯 片观组成。82551/0扩展板电路根据实际测试系统的配置要求，其工作地址可以设定。8255 的寄存器地址由操作地址线基地址和偏移地址共同决定，其操作地址线的基地址由地址波 段开关的6位跳线设置，其偏移地址由PC104嵌入式计算机8的总线上的地址线AO、Al确 定。PC104嵌入式计算机8总线上的地址线A9-A4与地址比较电路四相连，通过与地址拨 码开关设定的地址进行比较产生EQU信号，EQU信号与双向通道数据缓冲电路30的使能脚云相连。另外，EQU信号、PC104嵌入式计算机8地址线的AO、Al、A2信号，读信号线I/0R， AEN,写信号线I/0W，复位信号线RESET分别与GAL地址分配器27的8路输入端相连，GAL 地址分配器另外2路闲置的输入端与GND相连。GAL地址分配器27经过地址分配后的地址 主要控制8255芯片的读信号线I/0R、写信号线I/0W，8255寄存器选择码A0、A1，8255#1扩 展芯片沈的片选信号CS1，8255#2扩展芯片28的片选信号CS2以及数据缓冲电路30的控 制信号DIR。另外，PC104嵌入式计算机8的数据线D0-D7与数据缓冲电路30相连，缓冲后 的数据线D0-D7分别连接8255#1扩展芯片沈和8255#2扩展芯片28的D0-D7端。
基于以上硬件，本发明还需要相关的软件部分进行配合，该软件部分就是本发明 硬件内的在线检测诊断系统程序。图5给出了在线检测诊断系统程序组成框图。在线检测 诊断系统程序由状态检测模块31、分析判断模块35和故障诊断模块42组成。其中状态检 测模块31由数据采集模块33、数据存储模块；34、数据管理模块32组成；分析判断模块35 由数据分析模块36、数据查阅模块37、结果显示模块39以及标准数据库模块38组成；故障 诊断模块42由知识搜索模块40和基于XML的故障知识库模块41组成。所述数据采集模 块33用于对电压信号和自检信号的数据采集；数据存储模块34用于将采集到的电压状态 信号存储到系统数据库中；数据查阅模块37用于负责查阅历史数据；数据分析模块36用 于运行状态识别和异常信号检测；基于XML的故障知识库模块41和XML知识搜索模块40 用于故障诊断定位和维修策略的生成。所述基于XML的故障知识库模块41的故障知识库 采用XML构建，用于描述被测试设备故障的信息包括故障编号、故障原因和维修方法。在进 行电压状态数据检测过程中，当发现数据状态异常时则生成相应的故障代码并同时启动在 线诊断模块42，在线诊断模块42通过XML数据解析知识搜索40解析基于XML的故障知识 库41，从而找出其发生故障的点位、故障的原因和维修方法，最后将诊断结果显示给操作人 员，指导故障的排除。
图6给出了本发明的在线检测诊断流程图。系统采用编码方式首先对电压信号的 测点信息进行标记和初始化，PC104嵌入式计算机8每次检测外部信号时，首先读取测点变 量的编码，通过读取测点编码获得的测点信息包括测点变量名称、测点部位、测点值域和 检测时间。所述测点变量名称用于PC104嵌入式计算机8选择对应的数据采集通道，测点 部位用于PC104嵌入式计算机8识别被测对象的测点部位，测点值域用于PC104嵌入式计 算机8在线判别被测对象的测量值是否正确，检测时间用于PC104嵌入式计算机8进行检 测时间倒计时。当PC104嵌入式计算机8对被测信号检测完毕后，将显示测量结果，并存储 测量结果，同时故障诊断程序根据值域判断变量的布尔量判断是否在规定时间内检测到合 格的信号，若检测结果正常，则进入下一通道的采集，否则进入基于XML故障库的在线故障 诊断57中。
为了实现大型复杂系统的在线监测诊断，本发明提供一种多通道、微负载、非介入 (非激励)、全程隔离的在线监测诊断方法，该方法能实现超量通道信号的同步监测诊断， 能依据实际测试需求对检测通道进行任意扩展，能根据被测复杂系统的工作流程进行动态 同步在线监测诊断，其在线监测诊断方法具体步骤如下
(1)系统程序进行初始化，具体包括
a)按照被测大型复杂系统的工作流程进行测点编号，并对被测大型复杂系统电压 信号的测点名称进行变量枚举；
b)定义被测大型复杂系统在线监测诊断流程数据结构，具体包含被测对象的测点 名称定义、测点部位定义、测点值域上限、下限定义和检测时间量定义；
c)根据定义的被测大型复杂系统的在线监测诊断流程数据结构，并按照被测大型 复杂系统的工作流程初始化在线监测诊断流程数据结构，即按照被测大型复杂系统的工作 流程对每个测点的测点名称、测点部位、测点值域上限、下限和检测时间量进行变量定义和 变量赋值；
(2)系统程序对外部电压信号采集，具体包括
a)定义测试花销时间变量，测试结果值域判断变量，并对二者变量赋初始值0 ；
b)读取初始化后的在线监测诊断流程，并依据测点编号进行选取在线监测诊断流 程数据结构中的相应测试步骤，获得测试流程中某步的信息，包括测点变量名称、测点部 位、测点值域上限、下限、以及检测时间；
c)进入循环程序判断，如果设定的检测时间已超时且没有检测到正确的测试结 果，或者设定的检测时间未超时但已检测到正确的测试结果，系统程序均将跳出循环程 序；
d)如果设定的检测时间未超时但没有检测到正确的测试结果，则执行循环程序， 并根据测点变量名称控制相应待测信号通道的选通；
e)选择A/D转换通道并设置A/D转换信号的输入范围；
f)对A/D采样得到的值采用去极值平均滤波方法，即连续采样N次，去掉一个最 大值，去掉一个最小值，再求余下来的N-2个采样值的算术平均值，本发明中N取9 ；
g)通过电压采集去极值平均滤波后，然后读取A/D采集子程序的测量值，并将其 转换为电压的实际测量值；
h)对测试花销时间变量进行加1操作，并给测试结果值域判断变量赋值。其中，测 试结果值域判断变量主要根据测试结果是否在测点值域上限和测点值域下限之间来进行 赋值，赋值1表示检测结果在测点值域范围内，赋值0表示不在测点值域范围内；
i)返回循环程序，并根据测点测试花销时间变量和测试结果值域判断变量的值对 系统循环程序进行判断，如果测试花销时间已超出测试流程中定义的检测时间量且测试结 果值域判断变量的值为0，或者测试花销时间未超出测试流程中定义的检测时间量且测试 结果值域判断变量的值为1，则循环值为假，系统循环程序将跳出循环并根据测试结果值域 判断变量的布尔量返回参数值；否则，循环值为真时说明测点在设定的检测时间内仍没有 测试正确，这样系统循环程序仍将对当前测点继续进行测试直至系统循环程序满足循环终 止条件；
j)当满足循环终止条件时，系统循环程序结束，系统将显示和存储测量结果；
k)系统程序将根据测试结果值域判断变量的布尔量判断是否在规定时间内检测 到合格的信号，返回值为1说明被测对象当前测点信号的电压值正常，程序继续进行下一 测点的电压信号测试。若返回值为0，则说明检测点数据异常，系统将进入基于故障知识库 的在线智能诊断中。
(3)系统程序对异常测点进行基于故障知识库的在线智能诊断，具体包括
a)首先根据被测大型复杂系统的系统结构建立系统故障知识层次树，并将故障 知识采用基于XML技术进行实现，对被测大型复杂系统各个测点的故障信息进行了统一编11号，建立的基于XML技术故障知识库，包含XML声明、处理指令和XML元素三部分，包含了被 测大型复杂系统故障的相关信息，具体包括故障编号、故障原因和维修方法。
b)当系统程序判断测点异常时，记下此时的故障代号，即第几步的测量值异常，然 后系统程序依据故障代号索引到基于XML技术故障知识库的故障编号，并依据故障编号对 XML故障知识库进行解析，具体步骤如下
①读入XML故障知识库文档。
②检查XML故障知识库文档是否合乎语法规则，确保开始标记有与其匹配的结束 标记、只有一个根元素、所有元素构成一棵层次树并且没有重叠的元素。
③如果未发现错误，则将XML转换成系统程序使用的格式，即构成系统程序能使 用的数据结构；如有错误，则给出解析错误的报告。
④解析输出，通过系统程序对XML文档进行访问，提取所需要的维修指导信息进 行显示，主要是将查找到的故障发生点位、故障原因和维修方法显示出来，以实现被测大型 复杂系统的功能检测和原位在线故障诊断。
图7给出了基于XML的故障知识库组成框图。本发明装置的故障知识表示和存 储都基于XML技术来实现。由于XML文档是作为文本来编辑的，可以把XML文档作为一个 普通的文本文件直接存储在PC104嵌入式计算机8的系统程序中，此方法实现简单并且不 需要专门的数据库系统或者存储管理器，在每次访问XML文档时只需要先对其进行解析即 可。本发明装置将基于XML的故障知识库定义为一个简单的层次树，包含XML声明、处理指 令和XML元素三部分。所述XML声明部分59出现在文档的开头部分，包括版本号、可能的语 言编码、可选的文档类型定义(DTD)；所述XML元素部分60包括标记符、属性、注释、实体引 用等组成，是XML标记的基本组成部分。其中，XML标记符包括起始标记符和对应的结束标 记符，二者逐层嵌套；XML属性是元素的性质，属性表述了元素的开始标签内的信息，由< ？ 和？ >字符组界定；XML中的注释以〈！一开始，以一> 结束，它可出现在XML文档的任何 位置。为提高搜索效率、简化搜索程序，本发明装置对被测设备各个测点的故障信息进行了 统一编号，建立了格式统一的故障知识库，可清晰地描述被测试设备故障的相关信息，其中 包括故障编号、故障原因和维修方法。
图8给出了基于XML故障知识库的在线故障诊断层次结构图。本发明提供的在线 检测诊断功能由四个层次完成，包括故障显示层61，XML解析层62，基于XML的故障库文 档层63，故障代号层64。所述的故障代号层64由电压信号在线检测程序生成，在电压信号 在线检测程序中当判断被测设备的电压异常时，本发明装置记下此时的故障代号，即第几 步的测量值异常，在故障代号层64中，在线检测诊断程序依据故障代号索引到XML故障库 文档层63中的故障编号；所述的基于XML的故障库文档层63参见图7给出的基于XML的 故障知识库组成图，主要是建立本发明的故障知识库；所述的故障显示层61，主要是将查 找到的故障发生点位、故障原因和维修方法显示出来，以实现被测设备的功能检测和原位 在线故障诊断。
图9给出了通道自检电路原理框图。自检信号为15V供电电源自经稳压后形成的 +5V信号，当本发明装置处于自检测状态时，PC104嵌入式计算机8通过82551/0扩展板7 向自检信号发生电路3发出相应继电器控制信号，以控制自检信号发生电路3中自检继电 器闭合，继电器闭合后将由15V供电电源自经稳压形成的+5V自检信号引入第一级多路模拟选择开关91中每一片⑶4067的不同输入端，即分别连接到IOl 1016输入端。当进 行自检测试时，PC104嵌入式计算机8通过分别检测通道分级切换控制电路中每片CD4067 的好坏来判断信号的采集通道好坏，其实现的原理是以检测单个通道好坏来作为判断整片 CD4067好坏的依据，这样设计的优点是简化了系统的硬件设计。另外，本发明采用的自检 方式是自检信号测量检测，即经过对比测量值与自检信号的大小是否在误差允许范围内来 判断通道检测的可靠性，因此多路选择开关、光电隔离芯片和A/D数据采集芯片在此种自 检方式下均得到了检测验证。本发明装置的自检电路设计简化了电路板的设计，降低了成 本，提高了检测诊断装置的可靠性。当自检完成后，PC104嵌入式计算机8发出相应继电器 控制信号，控制继电器断开，从而断开+5V自检信号，使电路板处于测试状态。
图10给出了通道自检流程图，步骤70为8255初始化。在自检过程中，步骤71 73实现PC104嵌入式计算机发出自检继电器控制信号，并可靠地控制自检继电器闭合。步 骤74 76实现PC104嵌入式计算机16发出通道选择控制信号，并可靠地控制所选自检通 道的选通。在步骤78中，PC104嵌入式计算机对自检信号进行检测并对比测量值与自检信 号的大小是否在误差允许范围内，如果在允许范围内则判断自检通道自检正常，并再次对 自检信号进行检测并对比测量值与自检信号的大小是否在误差允许范围内，如果判断为自 检异常，则返回值0，当再次判断为自检正常时，则返回值1，否则仍返回值0。当对自检信号 检测完成后，在步骤85中，PC104嵌入式计算机8根据检测返回值进行判断，若返回值1，则 表示当前自检的通道正常，并判断是否所有通道自检完成，若完成则自检结束，并断开自检 继电器，同时进入测试状态，否则顺序执行下一通道的自检；若返回值0，则进行自检报警， 提示自检不通过。
图11给出了本发明实施例工作流程图。对某大型复杂设备或系统进行在线状态 检测诊断时，实施例工作流程如下
首先通过转接箱和转接电缆将被测设备的各种电压工作信号传送到接口电路。系 统开机后首先按照预先的设定进行程序初始化，对检测诊断硬件系统的相关端口进行必要 的初始化设置，接着启动界面显示程序为操作人员提供工作模式的选择，此时操作人员可 选择系统自检、查阅历史测试数据或与被测设备同步运行完成对相关电压量的测试。当本 发明装置处于自检测模式时，首先PC104嵌入式计算机控制自检继电器以提供自检信号给 采样通道，然后针对第一级中每个模拟开关CD4067发出不同通道的自检控制码，通过选通 相应的自检测通道，使得自检信号送到A/D采样通道上，PC104嵌入式计算机通过比较自检 信号和实际测量数据的一致性来判断采样通道是否发生了故障，若异常，则相应通道发生 故障。当发生故障后，装置依据自检结果定位发生故障的采样通道，本发明装置的通道自 检功能保证检测诊断装置工作时自身无故障，从而大大提高了本发明装置的可靠性和安全 性。当本发明装置处于测试状态时，根据被测设备的运行状态和工作流程，同步地对被测设 备不同通道电压信号进行采集。测试过程中PC104嵌入式计算机通过PC104总线向超量 通道分级控制电路发出控制指令，控制相应通道的模拟开关工作，接通需要采集的信号通 道，并通过A/D对被测设备的电压量进行采集，并将测量结果进行显示、存储和管理，同时 PC104嵌入式计算机对测得的信号进行在线诊断，判断为异常后，其在线诊断模块开始利用 XML知识搜索模块，对异常信号编号进行基于XML的故障知识库定位，并给出相应的维修措 施和建议，从而实现被测对象电压信号的快速诊断和准确定位。当本发明装置处于查阅历史测试数据时，即可根据选择的查阅测试数据记录时间进行查阅已存储在装置系统中的历 史数据。所有上述工作模式均没有选择时，可选择退出系统。
综上所述，本发明所提供的在线检测诊断装置可依据实际测试需求对检测通道进 行扩展，扩展数量可高达256XN路，以实现超量通道信号采集，其中N > 1，N取正整数。 在将电压信号测点动态接入超量通道过程中，无关测点和检测系统没有电气连接，且不会 出现多路通道同时接入的问题，且PC104嵌入式计算机的所有输入和输出均进行了光电隔 离，系统抗干扰能力强。所提供的在线检测诊断方法能根据定义的测点编码自动按照被测 大型复杂系统的工作流程同步动态测试，且在测试过程中能根据设定的检测时间和测试结 果进行实时在线检测诊断被测设备的电压状态信号，并可实时显示和存储测试结果，且可 根据检测到的异常电压状态信息，结合基于XML的故障知识库，在线完成故障的搜索定位。 本发明对于大于A/D采样输入范围的电压信号，其每个采样通道输入阻抗大于12兆欧，被 检测状态电压范围为OV 120V，同时电路具有通道自检功能，保证了其检测通道自身工作 的可靠性。本发明可以很好地满足飞机、卫星、舰船、航天航空、工程机械、铁路，智能建筑领 域等大型复杂设备或系统的超量通道电压信号的在线检测诊断要求。
权利要求
1.一种光电隔离型超量通道电压信号在线检测诊断装置，包括外部信号输入接口 (1)、信号调理电路O)、超量通道切换分级控制电路(100)、第一信号隔离电路(5)、A/D信 号采集通道(13)、82551/0扩展板(7)、第二信号隔离电路(6)、自检信号发生电路(3)、总 线、计算机(8)以及电子盘(12)，其特征在于所述外部信号经过输入接口(1)连接至信号 调理电路O)的输入端，信号调理电路O)的输出端与超量通道切换分级控制电路(100) 相连，由所述信号调理电路⑵输出的信号经过超量通道切换分级控制电路(100)后输入 至第一信号隔离电路(5)，经过隔离后的信号通过A/D采样通道(13)由总线送入计算机 (8)；所述计算机(8)通过总线连接82551/0扩展板(7)，所述82551/0扩展板(7)通过第二 信号隔离电路(6)连接到所述超量通道切换分级控制电路(100)的输入端，所述自检信号 发生电路(3)的输入端直接由82551/0扩展板(7)的I/O 口控制，所述自检信号发生电路 ⑶的输出端连接至所述超量通道切换分级控制电路(100)，所述计算机⑶通过82551/0 扩展板(7)的控制信号控制自检信号发生电路(3)以产生自检信号实现自检测试，以及控 制超量通道切换分级控制电路(100)的动态切换实现信号采集通道的切换。
2.根据权利要求1所述的光电隔离型超量通道电压信号在线检测诊断装置，其特征在 于所述超量通道切换分级控制电路(100)由N组通道分级切换控制电路(4)组成，其中 N ^ 1，N取正整数；所述通道分级切换控制电路(4)由两级多路模拟开关进行分级控制，其 中第一级多路模拟选择开关(91)由第一至第十六模拟开关组成，所述通道分级切换控制 电路中的第二级多路模拟选择开关由第十七模拟开关组成；所述第一级多路模拟选择 开关(91)的第一至第十六模拟开关的输出端分别连接至所述第十七模拟开关的十六路输 入端；所述第十七模拟开关(17)的输出端连接至第一信号隔离电路( 上。
3.根据权利要求2所述的光电隔离型超量通道电压信号在线检测诊断装置，其特征在 于所述第一至第十六模拟开关以及第十七模拟开关(17)是十六选一模拟开关；
4.根据权利要求1所述的光电隔离型超量通道电压信号在线检测诊断装置，其特征在 于所述第二信号隔离电路(6)由N组控制码扩展光电隔离电路(92)组成，其中N > 1，N 取正整数。
5.根据权利要求4所述的光电隔离型超量通道电压信号在线检测诊断装置，其特征在 于所述控制码扩展光电隔离电路(92)由数据缓冲电路(22)、4-16路译码电路(23)、反相 驱动电路04)和数字光电隔离电路05)组成；所述数据缓冲电路02)和4-16路译码电 路03)分别连接到反相驱动电路04)上，所述反相驱动电路04)与所述数字光电隔离电 路(25)连接。
6.根据权利要求5所述的光电隔离型超量通道电压信号在线检测诊断装置，其特征在 于所述数据缓冲电路02)采用74HC244实现。
7.根据权利要求5所述的光电隔离型超量通道电压信号在线检测诊断装置，其特征在 于所述数字光电隔离电路05)采用6片TLP521-4L实现。
8.根据权利要求5所述的光电隔离型超量通道电压信号在线检测诊断装置，其特征在 于所述反相驱动电路04)采用74LS07实现；所述4-16路译码电路采用74HC1M实 现。
9.根据权利要求1、2、3或4所述的光电隔离型超量通道电压信号在线检测诊断装置， 其特征在于所述计算机(8)是PC104嵌入式计算机，所述总线是PC104总线。
10. 一种基于权利要求1所述装置的在线检测诊断方法，其特征在于，包括以下步骤1)外部信号输入接口(1)将待测设备的被检测信号引入至调理电路O)，所述信号调 理电路( 经过对被检测信号的限幅、滤波处理后将信号输入至超量通道切换分级控制电 路(100)；2)所述超量通道切换分级控制电路(100)采用两级多路模拟开关分级控制电路进行 分级控制，所述两级多路模拟开关分级控制电路共N组，每组通道分级切换控制电路实现 对256路通道信号的动态同步隔离测试，使检测通道扩展成256XN路，以实现超量通道的 信号采集，其中N彡1，N取正整数；3)所述超量通道切换分级控制电路(100)的输出信号输入至第一信号隔离电路(5)， 通过第一信号隔离电路(5)的电压跟随器、模拟光耦隔离电路处理以实现信号隔离，经过 隔离后的信号送入A/D采样通道(13)，然后经过总线送入计算机(8)处理以实现信号的采 集；4)计算机(8)通过82551/0扩展板(7)的控制信号控制自检信号发生电路(3)以产 生自检激励信号，用来测试信号采集通道是否可靠；在进行自检时，自检激励信号通过超量 通道切换分级控制电路(100)通道选择接入，同时外部测试信号输入通道被断开；控制自 检信号发生电路C3)和超量通道切换分级控制电路(100)的所有控制信号都来自82551/0 扩展板(7)，其中控制超量通道切换分级控制电路(100)的控制信号经过第二信号隔离电 路(6)的数字光耦隔离。
全文摘要
本发明涉及一种光电隔离型超量通道电压信号在线检测诊断装置及其方法。该装置主要包括外部信号输入接口、信号调理电路、超量通道切换分级控制电路、第一信号隔离电路、8255I/O扩展板、第二信号隔离电路、自检信号发生电路、A/D信号采集通道、计算机以及电子盘。本发明的装置可依据实际测试需求对检测通道进行扩展，且计算机输入、输出均进行了光电隔离，抗干扰能力强。本发明的在线检测诊断方法能根据定义的测点编码自动按照被测大型复杂系统的工作流程同步动态测试，且在测试过程中能根据设定的检测时间和测试结果进行实时在线检测诊断被测设备的电压状态信号。
文档编号G01R19/00GK102034344SQ201010563650
公开日2011年4月27日 申请日期2010年11月29日 优先权日2010年11月29日
发明者何艳萍, 李艾华, 王涛, 白向峰, 蔡艳平 申请人:中国人民解放军第二炮兵工程学院