基于型號裝備的數據終端設計與應用

王 丁，諸雪征，王宇光

(防化學院 防化裝備系,北京 102205)

基于型號裝備的數據終端設計與應用

王 丁，諸雪征，王宇光

(防化學院 防化裝備系,北京 102205)

文章結合某型防化裝備結構特點，以裝備信息采集、傳輸、處理和應用需求為牽引，基于嵌入式系統設計方案，完成了防化裝備數據終端的軟硬件設計和實現，該終端能夠對裝備自檢數據、工作數據、狀態數據、故障數據和報警數據等進行信息采集存儲和實時狀態監測，測試驗證了其對某型裝備信息采集傳輸存儲的準確性，能夠有效指導防化裝備研制改進和供管修訓等活動，創新性地為后續應用開發提供了基礎化、標準化的信息源。

嵌入式系統;型號裝備; 數據終端；采集存儲

0 引言

圖1 嵌入式數據終端整體框架設計

某型車輛類防化裝備結構復雜，復合功能強，每個功能系統包含幾個到幾十個功能子系統并產生諸如工作參數、裝備狀態參數、故障參數等系統信號，裝備在使用訓練、管理維修過程中對專業配套檢測維護設備依賴性強，對使用分隊、管理部門和維修機構人員要求高。隨著微處理器技術的不斷發展，極大加速了嵌入式系統在裝備系統中的各項應用。設計并實現對防化裝備工作數據、狀態數據、故障數據和報警數據等及時采集傳輸并存儲的嵌入式數據終端，為上位機信息管理與分析系統提供基礎性和標準化的數據，對于增強防化裝備使用效能、降低使用維護費用、提高裝備管理效率具有重大意義。

1 系統框架及工作原理

設計該型號防化裝備數據終端框架，分析系統組成及其工作原理，為功能模塊的具體設計和實現奠定基礎。

1.1 系統框架

該終端由信號調理模塊、數據采集單元、嵌入式處理器、數據存儲單元、總線通訊單元和嵌入式處理軟件組成。其信息采集對象主要是防化裝備使用訓練、裝備管理和維修過程中的：1)工作信息，如車載輻射儀的輻射數據和報警數據，生物報警儀的監測的濃度數值和溫度數值，毒劑報警器和拉曼光譜儀的化驗數據及毒劑種類和所測概率濃度等；2)自檢信息，如偵察裝備探頭檢測數據，洗消裝備電壓檢測數據、其它核心部件的自檢數據以及系統開關機時間等；3)狀態信息，如洗消裝備消耗器材的消耗量、潛水泵轉速、車輛行使里程、各部件的持續運行時間、工況溫度等；4)故障信息，如裝備發生故障的部件部位、時間和故障碼等。

為使數據終端監測和采集裝備信息時不會對裝備原有信號產生影響，需按有關標準進行各類接口設計，提高系統電磁兼容性，保證系統工作可靠性。同時針對防化裝備信息輸出特點，設計信息采集方式和通用信號調理部分，保證對多種信息源的適用性、兼容性和擴展性，整體框架設計如圖1所示。

1.2 工作原理

防化裝備信息參數的信號種類基本上可分為電壓、電流、壓力、流量、溫度、轉速以及頻率等，嵌入式數據終端通過連接裝備控制系統或在其相應部位加裝傳感器，采集CAN、RS232或RS485總線信號便可獲取有關裝備數據信息。

根據裝備通用性要求，結合國內外現有技術，本數據終端采用基于板級的處理器，主要實現防化裝備各類信息的信號調理、數據采集、數據通訊和分類存儲等功能，信號調理單元對輸入信號通過矩陣輸入單元進行切換，實現隔離、調理功能，以做到前端信號采集通用化；數據采集單元使用微處理器完成數據采集處理工作，通過專用總線連接各個采集模塊，將采集的信息進行模數轉換，并將數字信號傳送給嵌入式處理器模塊；數據存儲單元配合嵌入式軟件定期把數據按照協議格式進行分類存儲，以備后期數據處理和分析使用；處理器模塊配合軟件實現對實時數據解析、處理、計算和分析等功能；總線通訊模塊實現對裝備數據總線的信息監測和接收功能；嵌入式軟件控制各硬件實現數據采集分析、分類存儲、故障報警與顯示等功能。

2 硬件設計

該防化裝備數據終端硬件設計主要包括外部結構設計、內部結構設計和模塊設計。

2.1 外部結構設計

2.1.1 前面板接口設計說明

前面板包括狀態指示燈、網口和USB接口。狀態指示燈可顯示電源狀態、故障指示及預警等信息狀態；網口可與上位機連接，能在線實時監測防化裝備工作信息和狀態信息；USB接口與U盤或上位機連接以導出存儲的工作信息、自檢信息、故障信息、故障發生時刻狀態信息以及歷史狀態信息。

2.1.2 后面板接口設計說明

后面板接口包括電源輸入接口、通訊接口、信號輸入接口、電源輸出接口、保險和電源開關。電源輸入接口用于連接外部供電電源，為數據終端提供24 V直流電源；預留了一個電源輸出接口，可以輸出直流電壓，用于給加裝的傳感器供電；通訊接口包含RS232、RS485、CAN總線，用于和防化裝備控制總線連接；信號輸入接口則可以和加裝傳感器或防化裝備預留檢測口連接，用于信號檢測；保險可保護內部電路，出現短路、斷路、欠壓或者過壓等故障時保險可方便更換；電源開關打開或關閉數據終端外部供電電源。

2.2 內部結構設計

數據終端內部結構如圖2所示。

圖2 數據終端內部結構原理框圖

內部結構采用功能模塊化設計，模塊之間通過專用總線建立連接，整體結構由底板電路、信號調理卡、數據采集卡、總線通訊卡、預留槽位和嵌入式處理器模塊等組成，此架構可提高數據終端的功能擴展、維修維護和故障診斷等能力。數據采集卡和嵌入式處理器模塊之間通過SPI總線連接；總線通訊卡與處理器模塊之間通過底板通訊總線連接，由于本版本數據終端屬于原型機，主要用于系統測試，因此將總線通訊卡集成于MCU板上，改進版本將單獨做卡；預留槽位與處理器模塊之間通過底板I2C總線連接；嵌入式處理器模塊根據其自身的資源定義與底板建立連接；各功能模塊可以通過兩邊加固架按照槽位從上往下插入和固定。

2.3 模塊設計

2.3.1 信號調理模塊

信號調理模塊主要實現對模擬信號進行調理、數字IO隔離、電壓電平隔離等功能，可以將信號調理模塊按照功能分組方式設計成一塊功能板，通過專用數據總線連接到底板。

1)模擬信號調理單元。

外部輸入的模擬信號先要經過分壓處理，分壓到AD采集的范圍內。由于輸入信號在測試電纜傳輸過程中會引入一些高頻噪聲，這些噪聲信號可能會引起測試信號的誤判，嚴重時還可能影響整個信號調理電路的工作。輸入信號調理電路如圖3所示，該電路為典型低通濾波電路，可有限抑制高頻干擾信號。可根據測試信號的頻率選取濾波電容值，通過調整反饋電阻調整電路的放大增益。

圖3 模擬信號輸入調理電路

2)數字IO隔離單元。

數字IO信號采集資源都是3.3 V LVTTL接口，采用光耦進行隔離，通過光耦隔離電路將不同幅值的輸入信號轉換為TTL電平信號，并將設備輸出的TTL信號轉換為與被測部件兼容的電平信號，保護采集模塊數字IO接口的同時增強了數字IO信號驅動能力，信號隔離電路如圖4所示。

圖4 輸入輸出信號隔離電路

3)電壓電平隔離單元。

該單元用于對直流電壓信號的隔離、轉換及放大，采用磁電隔離混合電路，輸入信號經過低通濾波器濾波后進入模擬信號隔離放大器，可達到5 KV直流絕緣電壓，實現對模擬信號地線干擾抑制及數據的隔離和采集。該信號調理單元使用非常方便，不需要零點和增益調節，隔離電路如圖5所示。

圖5 電壓隔離模塊電路

2.3.2 數據采集模塊

數據采集模塊將調理后的模擬信號轉換成數字信號并傳送到處理器模塊進行識別處理，為了滿足采樣精度和測試需求，采用高精度模擬前端和ADC采集芯片，轉換精度能夠達到16位，單通道最大采樣速率可達500 kHz。處理器通過SPI總線系統與模數轉換芯片以串行方式進行通信，從而獲取傳感器數據。其數據流關系如圖6所示。

圖6 數據采集原理圖

2.3.3 嵌入式處理器模塊

依據該數據終端功能需求和環境要求，選用Freescale基于四核ARM Cortex-A9的i.MX 6Quad應用處理器，采用40 nm工藝，單核心主頻高達1 GHz，擁有1 GB容量的DDR3內存和1 MB二級緩存，多路通訊口能夠滿足裝備信息的傳輸需求，接口可支持HDMI1.4，USB2.0和千兆以太網卡，具備性能強勁的硬件配置和豐富的應用接口，其工作溫度范圍為-25℃～45℃，存放溫度范圍是-40℃～80℃，可滿足工業和軍品的環境適應性要求。

2.3.4 信息存儲模塊

綜合考慮信息存儲速率、信息存儲容量及性價比等因素，選用8 GB Flash存儲器可以滿足其存儲需求，可直接集成到嵌入式處理器模塊中。

2.3.5 總線通訊模塊

該模塊作用是將RS232、RS485、CAN總線通訊功能集成到一塊功能板上，通過底板通訊總線連接到嵌入式處理器模塊，設計上將RS232、RS485、CAN功能模塊化，可以根據需要靈活增加和裁剪，例如嵌入式處理器有多路RS232通訊接口，可以利用專用控制器將RS232接口轉換成RS485接口。此外，為了滿足CAN總線測試需求，設計了CAN總線通訊接口電路，支持兩個端口獨立操作CAN網絡或橋接，CAN控制器采用SJA1000，其可提供總線仲裁和錯誤檢測功能，并能夠在檢測到錯誤時自動更正并重新發送，如圖7所示。

圖7 CAN控制器設計電路

3 軟件設計

嵌入式處理軟件包括操作系統和應用軟件，通過系統各軟件模塊組成和數據流處理完成防化裝備信息采集和處理功能。

3.1 開發環境和功能描述

嵌入式操作系統選用Linux/Android系統內核，根據功能要求進行定制，基于ADS平臺開發應用軟件，負責管理和控制設備硬件，實現信息采集、數據處理、數據判斷、信息存儲、數據通訊、故障預警、信息導出和終端處理等功能。

信息采集軟件實現由嵌入式處理器通過SPI總線或CAN總線按照一定頻率從數據采集卡或防化裝備總線通訊卡獲取相關信息數據。

數據處理軟件將經過信號調理模塊調理之后獲取的信號數據進行計算，并轉換成相應的物理量如電壓、頻率或者進一步加工處理，以備有關程序調用。

數據判斷軟件對獲取的防化裝備工作和狀態參數數據與系統設定的參數閾值進行分析比較和數值判斷，如不在正常值范圍則判定系統部組件存在故障，然后將判斷結果傳送給故障預警模塊。

信息存儲軟件將經過信息采集、數據處理和判斷之后的裝備信息按照規定的協議格式分類存放到信息存儲單元，如數據判斷軟件判定系統部組件或傳感器存在故障，則產生相應的故障碼，并將故障碼和發生故障時刻裝備狀態信息存儲至信息存儲單元。

故障預警軟件主要根據數據判斷軟件判定的結果，發出指令并控制相應狀態指示燈的顯示顏色。

數據通訊軟件將數據處理的結果通過終端后端網口連接上位機，發送給上位機裝備信息管理與處理分析系統的運行狀態監控模塊，實時監測與分析防化裝備運行工作參數。

信息導出軟件通過終端USB端口與上位機裝備信息管理與處理分析系統的信息傳輸模塊進行通訊，將數據存儲單元存儲的防化裝備工作信息、狀態信息、故障信息和報警信息一起導出給上位機系統數據庫。

終端處理軟件主要接收裝備信息管理與處理分析系統發送的終端設置命令并進行響應的處理和結果反饋功能。

3.2 數據處理流程

嵌入式應用軟件采用數據流方式處理傳感器或采集電路的數據信號，采集的裝備信息經過處理后判斷是否和上位機系統發生數據通訊，沒有則進行數據判斷，存在故障則進行預警并存儲故障碼及當前裝備狀態信息，需要時可將防化裝備歷史信息導出。各模塊數據處理流程如圖8所示。

圖8 嵌入式軟件數據處理流程圖

4 試驗驗證

基于型號裝備的數據終端設計完成后，在多輛某型防化裝備上進行了安裝試用，裝備發生故障時，能夠實現聲光報警，對裝備的自檢、工作、狀態、故障等數據進行采集傳輸和分類存儲，其導出至上位機系統的某裝備部分信息如表1所示。

通過和該型裝備控制系統獲取的參數信息相比對，試驗表明該終端能夠實現防化裝備相關信息的數據采集、數據轉換、數據分析、分類存儲等功能，并實現防化裝備核心部件的故障判斷、故障報警、故障指示、故障碼記錄、偶發故障處理等功能，能通過網口連接上位機，對防化裝備各類信息參數實施在線監測，能通過USB連接上位機，導出存儲的裝備歷史信息進行離線數據處理和分析應用。

表1 存儲并傳輸的某型裝備部分參數信息

5 結束語

本文從數據終端整體框架設計出發，分別從硬件和軟件方面對該終端設計及應用進行了詳細論述，通過試驗驗證，該終端能夠獲取防化裝備運行過程中關于使用、訓練、管理和維修應用方面的數據信息，創新性地解決了防化裝備數據信息記錄不規范、無分類、易人工篡改等問題，為上位機裝備信息管理和分析系統提供基礎化、標準化的數據源，對防化裝備供管修訓提供科學的決策依據，具有廣闊的應用前景。

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Design and Application of Data Terminal Based on a certain Type of NBC Defense Equipment

Wang Ding，Zhu Xuezheng，Wang Yuguang

(Department of NBC Defense Equipment，Institute of NBC Defense, Beijing 102205，China)

Combining the structural characteristics of a certain type of NBC defense equipment，taking equipment information collection, transmission, processing and application requirements for the traction，based on embedded system design program，this paper completes the software design and implementation of NBC defense equipment data terminal hardware. This data terminal equipment can collect and store self-test data, operational data, status data, fault data and alarm data and other information，as well as monitor real-time status of NBC defense equipment. Finally，it is tested to verify its accuracy for information acquisition，transmission and storage of a certain type of equipment and it can effectively guide the development of NBC defense equipment and supplement, management, maintenance and training activity, providing a basic, standardized information base for extended follow-up application development.

embedded systems; model equipment; data terminal； acquisition and storage

2016-08-23；

2016-11-02。

王 丁(1987-)，男，陜西渭南人，碩士，助理工程師，主要從事裝備保障信息化與仿真方向的研究 。

1671-4598(2017)03-0115-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.03.032

TP274

A