嵌入式工程裝備故障診斷系統方案設計

摘要：提出一種工程裝備在線監(jiān)測與故障診斷的無線嵌入式系統方案，各檢測終端固化于工程裝備上，主機與各檢測終端通過無線網絡通訊，從而免去了主機與各終端間的連接電纜，使系統實現了智能化和小型化；同時介紹了系統的軟硬件組成和工作原理。

關鍵詞：工程裝備；故障診斷；無線嵌入式系統

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044(2008)22-828-02

Embedded Engineering Equipment Design Fault Diagnosis System

ZHANG Peng

(National University of Defense Technical，Commanding officers based Institute of Education，Changsha 410037，China)

Abstract: This paper presents an engineering equipment on-line monitoring and fault diagnosis of wireless embedded systems programmes， the terminal detection equipment on the curing of the project， the host and the detection terminal through a wireless network communications， thus replacing the mainframe terminals with the Connecting cables， allowing the system to achieve the intelligent and small; at the same time introduced a system of hardware and software components and principle.

Key words: engineering equipment; fault diagnosis; wireless embedded systems

1 引言

實時數據分析實現故障預警和故障診斷， 以及對裝備歷史使用數據進行存儲及處理， 發(fā)現裝備故障規(guī)律和故障深層次原因對裝備的技術工藝改進和日常保養(yǎng)具有重要意義。為此我們提出了一種基于ARM (Advanced RISC Machines) 嵌入式的無線故障診斷系統， 用一個低成本網絡設備系統和工程裝備固化在一起， 把要監(jiān)視的傳感器信號存儲起來， 或通過嵌入式無線網絡發(fā)送到上位機上顯示和處理， 構成在線實時或歷史數據監(jiān)測、報警和診斷分析于一體的嵌入式無線遠程監(jiān)控系統， 提供裝備壽命周期內的技術服務和維修保障服務， 實現工程裝備檢修的智能化。

2 系統組成

系統選用三星公司S3C2410嵌入式開發(fā)系統，具有高性能、低功耗、低成本和體積小等優(yōu)點，內嵌ARM920T核和一只64Mb NAND Flash 存儲器， 帶有全性能的MMU 和8個GPIO (通用I/O端口)，其擴展板囊括了USB、UART、GPIO (通用I/O端口)，其擴展板囊括了USB、UART、SD、PCMCIA 和10 Mbps以太網接口，具有16/32位雙指令集，三級流水線指令結構使系統具有較高的執(zhí)行速度，最高可達202 M。與工業(yè)控制計算機相比，采用ARM嵌入式系統不僅能滿足系統的運算速度、數據采集和網絡功能要求，而且將ARM嵌入式系統固化在工程裝備上可以實現裝備狀態(tài)的實時檢測與記錄，并向小型化和智能化邁進了一步，并且在檢測點增多的情況下易于系統下位機(無線嵌入式檢測系統)的擴展。

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圖1 系統硬件組成

該系統由上位機、下位機、信號轉接與調理電路和傳感器電路等組成， 如圖1 所示。上位機是處理能力比較強并附無線網卡的臺式機或便攜式計算機，下位機就是附無線網卡的嵌入式計算機系統，針對系統的實際需要，我們對S3C2410擴展板進行了調整，去除那些不需要的部分，保留了下載程序用的JTAG接口、一個串口用于調試程序和PCMCIA無線網卡通信模塊，增加了I/O光隔電路和AD轉換電路。為了防止外部輸入的模擬信號干擾嵌入式下位機的運行，在擴展板上增加了AD轉換電路，采用德州儀器公司的AD轉換芯片TLC2543，它具有11個輸入通道12位轉換精度10μs的典型轉換時間，以SPI總線格式與嵌入式核心板進行數據通信；在擴展I/O接口電路時，采用了VISHAY半導體公司的ILD615系統的光隔芯片，提高了系統的抗干擾能力與可靠性。

系統硬件主要集中于下位機設計與檢測點信號的引入方面。由于系統具有在線檢測的功能，為了不影響裝備的操作性能，采用并聯的方式將信號引出，比如在實際電纜的插頭和插座之間加入一對轉接插座和插頭，而檢測信號就從這對轉接頭中引出。為了不影響實際的電信號參數，系統采取了高輸入阻抗探針型接入方式，既能將工作過程的各類信號有效引出，又能實時監(jiān)測武器裝備控制系統的運行狀態(tài)，并且不影響整個裝備的正常工作，還能更好地實現檢測儀與裝備的隔離，為在線監(jiān)測的實現奠定基礎。

2.1 工作原理

嵌入式系統最基本的工作單元是傳感器，固化在裝備上各傳感器將相應檢測點的液壓、機械和電信號等狀態(tài)轉換成相應的數模信號，經由信號轉接與調理電路，連接到嵌入式系統的相關接口電路，從而實現裝備相關狀態(tài)信息的采集。上位機與下位機之間通過無線網絡實現命令發(fā)送和采樣數據信息回復等數據交換。具體工作流程為：系統啟動后，在實時情況下，上位主機將根據檢測流程實時地向各下位機發(fā)出要求檢測數據的命令，下位機接收到命令后對相應點位進行測量，并將測試數據上傳至上位主機，命令和數據的傳輸均采用無線通訊方式，上位主機對數據進行分析處理后一方面將相關信息向用戶實時顯示，同時在各種檢測算法的支持下給出檢測診斷結論與故障信息。

系統采用二級分布式計算機智能檢測和無線數據傳輸等新技術，針對裝備的電-液控制系統I/ O、模擬和開關信號多，還有大量執(zhí)行機構和控制繼電器的工作狀態(tài)需要檢測，單個嵌入式系統無法滿足實際檢測需要，為此可采用三個以上的嵌入式系統，它們各自有獨立的IP地址，以服務器與客戶端模式建立上下位機的通信，在數據通訊量不是太大的情況下可以滿足數據實時傳輸的要求。為了盡量減少上下位機網絡通信的數據傳輸量，提高單次傳輸數據的有效信息量，降低下位機的負載和能耗，根據裝備結構和各信號采集點的實際分布，結合裝備操作過程中的各信號邏輯關系，對信號進行了分組，盡量將那些需要同時檢測概率較大的采集信號安排由同一下位機采集。

2.2 監(jiān)測終端軟件設計

下位機的核心就是嵌入式S3C2410開發(fā)系統，其采用的是linux2.4.18內核，根據實際需要可對內核代碼進行重新編譯，從啟動加載選項中去除那些不需要的驅動程序，如IDE、SD卡等驅動，從而減小了內核運行時占用的空間。

①I/O、SPI和中斷驅動程序的開發(fā)。在系統內部，I/O設備的存取通過一組固定的入口點完成與外部的通信，常用的字符型設備驅動程序入口點函數有open、read、write、ioctl和close等入口點函數，驅動開發(fā)的主要工作是如何實現這些函數，對這部分函數的調用使程序運行環(huán)境由用戶態(tài)進入核心態(tài)。這里要注意的是因為S3C2410使用了MMU的地址映射功能，所以在訪問核心板的GPIO時， 應該去訪問GPIO的相對應的虛擬地址，而非實際的物理地址。為了便于程序的調試，需開發(fā)模塊化的驅動程序，這樣可以通過insmod drv.o和rmmod drv.o命令，通過NFS (網絡文件系統)動態(tài)地加缷載驅動程序，從而降低程序調試的工作量。

②采集數據的存儲和網絡數據傳輸程序的開發(fā)。在上位機沒有要求將采集數據實時發(fā)送的情況下，下位機要將采集的數據存儲起來以備將來調用。但K9F1208UOM芯片是以頁和塊為基本單位的存儲結構，其64M共分4096塊×32頁×528字節(jié)，最小寫入單元為一頁，即512字節(jié)(另外16字節(jié)用以存儲數據校驗、標識等信息)，為了將每次采集的數據區(qū)別開，對每次采集的數據以特定的格式加以編碼：標識頭+一次采集數據，因此在N Flash中存儲的數據內容應該為：AA +數據+AA +數據，如此持續(xù)。為了防止頻繁的寫入數據而消耗大量的系統時間，我們不將每次采集到的數據立即存儲，而是在系統中開辟一16頁大小的緩沖區(qū)，只有當采集數據累積達到16×512 bytes時，系統才存儲一次， 這樣利用較小的系統空間節(jié)約大量的系統時間，從而提高了系統效能。在與上位機實時通訊的情況下，與前述同樣的數據格式進行編碼，只是當采集數據累積達到16×512 bytes時，下位機把數據發(fā)送出去，上位機通過接收信息的標識來辨識該信息來自哪個下機位及該信息類型，然后依據不同信息的處理要求進行相應處理。

2.3 上位機軟件設計

上位機程序是整個系統軟件的主體，包括Delphi開發(fā)的程序和數據分析處理程序兩部分。Delphi 程序的任務是完成通過無線網絡選擇性控制某個下位機的數據采集，接收、辨識和存儲，這一系列動作，并通過可視化界面以曲線的方式將某些裝備信息動態(tài)的顯示給用戶。數據分析處理程序可利用Matlab等專用數學分析處理軟件編寫的，任務是對前者接收到的采集信息進行分析處理。在對該裝備工作原理進行深入分析的基礎上，結合模式識別和神經網絡的分析方法，建立該裝備所有操作工作步驟的數學模型，通過對檢測到的各種特征量與模型進行分析比較，應用神經網絡的分類功能， 判斷當前工作步驟及狀態(tài)，并將處理結果通過可視化界面向用戶顯示出來。

3 結束語

無線嵌入式系統運用到工程裝備的故障診斷，使工程裝備故障檢測實現智能化和小型化，降低故障診斷系統的外在復雜程度，從而提高診斷系統的可靠性，通過對大量檢測數據的分析處理，結合工程裝備的信息數據庫，能發(fā)現裝備運行中潛在的問題和及時給出維修解決方案，同時為裝備的自身技術升級改進奠定基礎。

參考文獻：

[1] 沈文斌. 嵌入式硬件系統設計與開發(fā)實例詳解[M].北京: 電子工業(yè)出版社， 2005.

[2] 孫天澤. 嵌入式設計及Linux驅動開發(fā)指南[M].北京: 電子工業(yè)出版社， 2005.

[3] Hollabaugh C.嵌入式Linux—硬件、軟件與接口[M].陳雷，譯. 北京， 電子工業(yè)出版社， 2005.

[4] 李佑軍. 嵌入式系統綜述[J].現代電子技術，2003 (6):91292 ，98

[5] 劉文珂. 嵌入式處理器與嵌入式軟件研究[J]. 計算機應用，2001 (11):56258.