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摘 要：为了实现大型元素分析仪器的功能板卡的调试及故障检测，搭建了一个专业的检测调试系统，该系统包含针对板卡功能拆分，底层硬件测试板的设计制作、下位机对接嵌入式程序的设计以及上位机测试系统的搭建。该上位机系统采用C#编程，在window平台上运行，与下位机测试板进行CAN通信，通过专家经验知识比对分析，实现了对下位机测试板的控制与功能模块的故障分析，最后能够生成专家性报告。应用效果表明，该系统对元素分析仪器的功能板调试及故障检测有很强的实用意义。

关键词：故障检测；专家经验；功能板调试

中图分类号：TP273 文献标识码： A

嵌入式设备的调试及故障检测是一种极具专业性的工作，尤其像元素分析仪器这种大型精密设备，需要拥有大量的软硬件知识及相关工作经验才能完成[1]，同时需要耗费大量的时间和精力，对于缺乏专家经验的人员来说，可能会造成系统的漏判及误判，导致功能板上机后造成严重的故障，造成不可挽回的损失，因此板级的故障诊断专家系统的设计是十分有必要的[2]。

电路板级故障诊断及调试需要充分了解电路板的各个工作模块及功能，故障诊断系统的设计中，为了避免各个模块之间相互影响，调试时首先需要对功能进行拆分测试，对于各种功能现象进行专业性判断，发现功能板在生产或工作中出现的问题进行精准定位并结合专家经验给出专家性建议[3]。

1 基于stm32元素分析仪功能模块分析

大型元素分析仪器的功能板块分为主控上位机、原子化器模块、气控模块、元素灯模块及单色仪模块，通过CAN总线进行连接，各个模块需要调试及故障检测的主要设备功能分为：步进电机的正常工作，步进电机的细分工作，各路AD转换通道，各路DA转换通道，各路阀门开关控制量，以及各元素灯的开关驱动。

通过功能电路分析需要将各个板卡功能模块进行拆分，以互不影响，单个调试为原则进行设计。

2 硬件测试板的设计

设计硬件测试板首先需要对功能板卡的外接接口进行接口分析，其中原子化器模块电路板需要完成11路光耦开关的检测，五路继电器开关量输出的检测，六个步进电机工作状态检测，石墨炉温度控制DA转换通路的检测，氢化器输出DA通路的检测以及三路反馈AD通路的检测；气控模块需要完成14路气控阀的开关量检测，两路DA通道的检测以及六路气压AD通路的检测；元素灯测试部分需要完成三路光耦开关的检测，两路DA通道的检测，三路开关元素灯开关量输出检测，以及8路元素灯电流驱动通路的检测；单色仪测试部分需要完成两路数字量开关的测试和一路DA通道的检测。

在硬件测试板的设计中，针对元素分析仪板卡的被测量，提出相关设计方案。其中，步进电机的测试引出板卡的步进电机接口，外接测试电机；光耦开关的测试使用拨码开关对光耦开关进行开关量模拟操作；数字开关量输出采用LED灯显示的方法确定；对于DA转换通路的测试引出测试引脚用于外部测量，对于AD转换通路引出测试电源接口用于测试输入；元素灯的电流测试使用大功率电阻进行电流到电压的转换，用测试电阻电压值表示元素灯电流值。如图1所示，为设计好的测试板实物图，其中包括所有元素分析仪功能板卡的接口以及与上位机的CAN接口总线。

3 系统软件设计

系统软件设计分为下位机STM32软件程序的编写以及上位机C#程序的编写，两者通过USB转CAN总线进行通信。

CAN通信协议使用扩展帧格式，其中29位扩展帧ID遵循该设备本身的协议格式，帧内容包括源节点地址、目的节点地址、功能码等信息，定义功能码192为测试码，上位机软件发送192功能码调用下位机单片机测试程序。在数据帧中对不同电路板进行区分，CAN总线协议中一个报文含有8字节数据，规定第一字节数据为测试板卡区分，0x00为原子化器，0x01为气控，0x02为元素灯，0x03为单色仪。第二个字节数据为测试功能区分，剩余的6个字节用于承载DA或AD数据信息。

下位机单片机程序设计需要遵循不影响设备主功能的原则，将所有的测试代码进行函数封装，调用其响应功能函数进行設计，测试阶段一律遵循上位机主动请求，下位机被动应答的方式，以防止测试程序对功能模块功能本身的影响，上位机程序设计中包含专家经验，如图2所示，使用过程中通过点击窗体按钮，实现测试功能，之后勾选测试现象，点击故障点分析按钮，如图3所示上位机通过现象的分析以及对其中上位机程序中专家经验的比对生成专家性分析报告，标记出可能存在的故障点。

4 结论

通过专家经验不断更新该系统专家经验知识库，系统具有元素分析仪器板级调试和故障检测的专家推理能力。通过不断测试，证实了该诊断系统知识库是基本合理的，推理机制是高效的，具备了较高的诊断能力，在元素分析仪设备的生产调试以及使用过程中的维修诊断有很高的实用价值和现实意义。

参考文献：

[1]鄂加强，龚金科，王耀南，刘孟祥，成至明.特种车辆柴油发动机故障诊断专家系统实现问题[J].应用基础与工程科学学报，2005，4（13）：373-379.

[2]王礼军.模糊神经网络专家系统在故障诊断中的应用[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2012，3（31）：470-472.

[3]王宏见.嵌入式故障诊断专家系统[D].西安：西安工业大学，2015.17-19.