李 翔,劉廷勇,李煥良,孫 琰,楊雪松

(解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

基于ARM的軍用工程機(jī)械監(jiān)測終端設(shè)計(jì)

李 翔,劉廷勇,李煥良,孫 琰,楊雪松

(解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

針對(duì)軍用工程機(jī)械現(xiàn)有監(jiān)測儀表的缺陷，采用嵌入式技術(shù)與數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)，完成了基于ARM的軍用工程機(jī)械監(jiān)測終端硬件部分的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了終端軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理、顯示報(bào)警、通信存儲(chǔ)等功能模塊的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了終端對(duì)軍用工程機(jī)械的信息化改造，使軍用工程機(jī)械具備了實(shí)時(shí)定位、信息記錄、顯示報(bào)警、數(shù)據(jù)通信的數(shù)字化作業(yè)功能。

軍用工程機(jī)械；ARM；狀態(tài)監(jiān)測

軍用工程機(jī)械平時(shí)使用頻率高、強(qiáng)度大、專業(yè)性強(qiáng)，在可靠性、維修性和保障性等方面的信息化程度要求越來越高。美國軍隊(duì)大部分工程裝備已經(jīng)加裝了CMS監(jiān)測，方便戰(zhàn)時(shí)及時(shí)作出指揮調(diào)度。在我國，天津工程機(jī)械研究所為了實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械參數(shù)的報(bào)警和顯示，采用電子邏輯控制和信息顯示報(bào)警相結(jié)合，研制了新一代EMS型監(jiān)測儀[1]。雖然很多成果在國內(nèi)民用領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，但是結(jié)合部隊(duì)實(shí)際特點(diǎn)的成果還很少[2]。目前，軍用工程機(jī)械信息輸出仍以指針式儀表為主，單純依靠裝備自身現(xiàn)有的異常狀況超限報(bào)警來進(jìn)行監(jiān)測已經(jīng)不能滿足裝備狀態(tài)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測的需求，目前由于缺乏對(duì)軍用工程機(jī)械作業(yè)狀態(tài)的記錄和作業(yè)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)，無法對(duì)軍用工程機(jī)械進(jìn)行精細(xì)的健康度評(píng)估，只能根據(jù)其使用時(shí)間確定維修保養(yǎng)計(jì)劃，一方面造成了維護(hù)、維修成本的浪費(fèi)，另一方面某些需要維修維護(hù)的工程機(jī)械得不到及時(shí)的維修[3]。為此，本文以數(shù)字化儀表盤為支撐，以ARM為核心，綜合運(yùn)用電子傳感、LCD數(shù)顯、北斗定位通信等技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了新一代工程機(jī)械終端。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)通過基于ARM的監(jiān)測終端替換原有軍用工程機(jī)械的儀表盤，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝備狀態(tài)信息的監(jiān)測，結(jié)合監(jiān)測管理內(nèi)容，終端設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

1)裝備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測與顯示。監(jiān)測終端最重要的一個(gè)功能是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測與顯示，以便操作手和指揮員及時(shí)掌握裝備狀態(tài)信息，終端通過數(shù)據(jù)采集與處理模塊進(jìn)行裝備狀態(tài)信息參數(shù)的采樣監(jiān)測，利用LCD顯示模塊直觀地進(jìn)行顯示，方便操作手掌握情況。

2)異常狀況報(bào)警。為了保證裝備正常合理地使用，防止不安全事故的發(fā)生，當(dāng)發(fā)現(xiàn)監(jiān)測參數(shù)異常時(shí)，監(jiān)測終端通過LED報(bào)警模塊進(jìn)行報(bào)警提示。

3)裝備實(shí)時(shí)定位。為了及時(shí)掌握裝備動(dòng)態(tài)，終端通過北斗定位模塊接收坐標(biāo)信息，確定裝備所處位置。

4)數(shù)據(jù)傳輸。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測管理，終端通過通信模塊的串口連接數(shù)傳電臺(tái)，將采集到的裝備狀態(tài)信息和位置信息傳輸給指揮管理人員。

5)裝備信息存儲(chǔ)記錄。通過終端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊進(jìn)行工程機(jī)械的狀態(tài)參數(shù)存儲(chǔ)和作業(yè)時(shí)間精確記錄，為裝備的故障分析、維護(hù)保養(yǎng)提供數(shù)據(jù)資料。

2 系統(tǒng)主要硬件模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

按照模塊化的設(shè)計(jì)原則，軍用工程機(jī)械監(jiān)測終端硬件部分主要包括了基于ARM的核心控制單元、供電模塊、信號(hào)采集與處理模塊、顯示功能模塊、存儲(chǔ)模塊以及通信接口模塊等，系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

本文采用多處理器協(xié)同處理技術(shù)，以ARM9嵌入式處理器S3C2440為主處理器，以LPC2478單片機(jī)為輔助處理器，處理器分工協(xié)作。供電模塊為終端各部分提供電源，將車載24V直流電轉(zhuǎn)換成12V、5V、3.3V等不同電壓的直流電源輸出；終端信息采集與處理模塊由17路處理電路、17路ADC檢測、脈沖處理電路和4種類型的傳感器組成，負(fù)責(zé)將傳感器采集到的監(jiān)測參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，處理成單片機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)；顯示功能由8.4寸LCD顯示屏和LED背光板實(shí)現(xiàn)，通過主處理器控制LCD信號(hào)實(shí)現(xiàn)終端顯示屏的圖形圖像顯示，由輔助處理器控制8路LED指示燈進(jìn)行異常車況參數(shù)報(bào)警顯示；車載終端存儲(chǔ)部分由SD卡、USB卡、FLASH和SDRAM組成，負(fù)責(zé)車載終端各類信息的管理存儲(chǔ)和讀??；車載終端的通信接口部分包括RS232通信接口、USB通信接口、視頻通信接口和CAN通信電路，是實(shí)現(xiàn)車載終端與外部信息交互、接收北斗模塊定位信息、連接數(shù)傳電臺(tái)與管理控制軟件進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾糠帧?/p>

車載終端開關(guān)信號(hào)采樣共有17路，本文選擇了ADG725多路開關(guān)芯片，將17路信號(hào)依次輸出并進(jìn)行快速采樣。控制順序和時(shí)間由處理器決定，ADG725芯片除了進(jìn)行信號(hào)選擇外，還能將電流信號(hào)進(jìn)行隔離，再使用濾波保護(hù)電路進(jìn)行濾波和過壓保護(hù)，防止噪聲信號(hào)給系統(tǒng)采樣帶來干擾信號(hào)，開關(guān)信號(hào)的采樣處理模塊原理設(shè)計(jì)如圖3所示。

終端電流信號(hào)采樣共有17路，電流信號(hào)的采樣調(diào)理與開關(guān)量采樣調(diào)理相似。為了得到輔助處理器能夠采樣的電平信號(hào)，電流信號(hào)在進(jìn)入輔助處理器AD轉(zhuǎn)換前應(yīng)進(jìn)行濾波保護(hù)、信號(hào)放大，電流信號(hào)處理電路采用LMV751放大器將有效電壓信號(hào)進(jìn)行放大處理，在有效信號(hào)檢測范圍內(nèi)最大限度提高電流信號(hào)的檢測精度。電流信號(hào)處理電路如圖4所示。

系統(tǒng)共需采集4路脈沖信號(hào)，脈沖采樣電路利用光耦芯片進(jìn)行光電隔離，使用速率高、反向耐壓值高的PS2501芯片，使脈沖信號(hào)幅值不超過S3C2440A工作電壓范圍，為增強(qiáng)輸出信號(hào)的抗干擾能力，提高噪聲容限，在輸出端增加上拉電阻。脈沖信號(hào)采集調(diào)理電路如圖5所示。

從表1可以看出，被調(diào)研的17所圖書館的“新生入館教育平臺(tái)”中，有12所高校采用了“新生專欄”為平臺(tái)的名稱。平臺(tái)內(nèi)設(shè)有新生指南，呈現(xiàn)方式多種多樣，有直接以網(wǎng)頁格式呈現(xiàn)，有以PDF格式呈現(xiàn)，有以DOC格式呈現(xiàn)，承載著新生讀者比較關(guān)注的入館須知、館藏布局及開放時(shí)間、規(guī)章制度、借還書流程、紙質(zhì)圖書檢索方法以及電子文獻(xiàn)信息利用等內(nèi)容。其中，華東師范大學(xué)圖書館的新生指南起的名稱極有特色，命名為 “我的秘密花園” ，PDF設(shè)計(jì)色彩明朗，比較符合新生的品味。

車載終端對(duì)電瓶電壓信號(hào)是通過引用電瓶電壓信號(hào)線直接采樣。為提高信號(hào)的檢測精度，設(shè)計(jì)放大電路，選用兩級(jí)高線性度運(yùn)算放大器AD824[4]，一級(jí)緩沖，二級(jí)放大，將輸出信號(hào)電壓幅值調(diào)節(jié)至合適范圍，以便后續(xù)電路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換處理。電壓信號(hào)采樣調(diào)理電路如圖6所示。

通過Altium Designer Winter9軟件進(jìn)行硬件原理圖設(shè)計(jì)，生成PCB電路板圖，在印制電路板上焊接元器件，完成了系統(tǒng)硬件的實(shí)現(xiàn)。

3 系統(tǒng)軟件的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

終端硬件是在軟件程序的控制下完成各項(xiàng)任務(wù)的。雖然移植常規(guī)的Linux和ucOS操作系統(tǒng)開發(fā)較簡單，但是其程序本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，程序可讀性與簡潔性也較復(fù)雜，不利于終端高效運(yùn)行，因此本文采用C語言進(jìn)行底層操作系統(tǒng)自主開發(fā)，可對(duì)硬件進(jìn)行操作，運(yùn)算符與數(shù)據(jù)類型豐富，表達(dá)和運(yùn)算能力較強(qiáng)，具有軟件結(jié)構(gòu)簡潔緊湊、靈活方便、可移植性好、開發(fā)效率高等特點(diǎn)[5]。

主處理器流程設(shè)計(jì)是終端系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，為了實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的裝備監(jiān)測管理功能，系統(tǒng)共分為5種模式，分別是：

1)工作模式。進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證，驗(yàn)證成功則保持在工作狀態(tài)，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)顯示當(dāng)前界面，根據(jù)不同的按鍵值切換顯示界面或者系統(tǒng)模式；系統(tǒng)驗(yàn)證失敗則轉(zhuǎn)入鎖定模式。

2)鎖定模式。進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證，驗(yàn)證成功則轉(zhuǎn)入工作模式，否則保持在鎖定模式。

3)設(shè)置模式。判定退出條件，如果滿足條件則轉(zhuǎn)入工作模式，否則保持在設(shè)置模式，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

5)下載模式。系統(tǒng)密碼驗(yàn)證，密碼正確則進(jìn)行系統(tǒng)版本更新，并顯示更新結(jié)果，轉(zhuǎn)入工作模式，密碼錯(cuò)誤則保持在下載模式。

在終端系統(tǒng)上電后待時(shí)鐘穩(wěn)定，開始進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，包含基本的硬件(如：RTC、LCD等)和基本系統(tǒng)參數(shù)的初始化。初始化完畢后循環(huán)執(zhí)行5種模式中的一種，根據(jù)系統(tǒng)的特定參數(shù)進(jìn)入一種系統(tǒng)模式進(jìn)行工作，具體流程圖如圖7所示。

在終端系統(tǒng)上電啟動(dòng)等待時(shí)鐘穩(wěn)定后，輔助處理器開始進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，包括基本的硬件(如：按鍵、LED等)和基本系統(tǒng)參數(shù)的初始化。初始化完畢后開始循環(huán)執(zhí)行按鍵檢測，系統(tǒng)參數(shù)檢測、采集和系統(tǒng)通信。系統(tǒng)參數(shù)檢測、采集包括由ADC驅(qū)動(dòng)模塊檢測、采集傳感器處理后的電壓信號(hào)，以及PWM驅(qū)動(dòng)模塊采集處理的外部脈沖信號(hào)，最后將這些檢測采集的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理、系統(tǒng)通信，將數(shù)據(jù)傳給主處理器處理，具體流程圖如圖8所示。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)工程機(jī)械工況參數(shù)的準(zhǔn)確監(jiān)測，提高終端的可靠性，本文采用了數(shù)字濾波以及矯正算法進(jìn)行終端軟件的信息采集處理。

本文利用布拉克曼窗函數(shù)法，采用卷積法進(jìn)行濾波處理，如式(1)所示：

式中：h(k)為濾波參數(shù)；x(n-k)是輸出的傳感器信號(hào)；y(n)為FIR濾波后輸出信號(hào)。傳感器輸出信號(hào)是由真實(shí)信號(hào)與噪聲疊加而成，F(xiàn)IR濾波器可設(shè)計(jì)成具有線性相位，從而獲得乘法運(yùn)算次數(shù)較少的結(jié)構(gòu)，本文采用的濾波算法過程如圖9所示，在確保運(yùn)算效果的同時(shí)，大大提高了計(jì)算效率。

采用自適應(yīng)動(dòng)態(tài)校正法對(duì)采樣傳感器進(jìn)行校正，利用零極點(diǎn)配置傳感器原有傳遞函數(shù)的倒數(shù)為正環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，利用前一采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)修正，保證傳遞函數(shù)為1，并不斷修正相應(yīng)的校正函數(shù)，其原理如圖10所示，其中Hb(z)是校正傳遞函數(shù)，H(z)是傳感器傳遞函數(shù)。

通過軟件的可靠性設(shè)計(jì)，經(jīng)過濾波和動(dòng)態(tài)校正，能夠很好地消除原有信號(hào)中的隨機(jī)信號(hào)與噪聲，提高了終端的采樣效率與準(zhǔn)確性，在MDK4.12編譯開發(fā)環(huán)境下編寫了系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)了圖形化顯示，軟件系統(tǒng)界面如圖11所示。

4 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的監(jiān)測終端，具有實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、數(shù)據(jù)精度高、系統(tǒng)擴(kuò)展方便等特點(diǎn)，滿足了軍用工程機(jī)械野戰(zhàn)條件下的實(shí)時(shí)監(jiān)測、報(bào)警和數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ)等需求，提高了軍用工程機(jī)械的戰(zhàn)場保障能力。

[1] 韓軍，張德恩，楊宏，等．軍用工程機(jī)械原理與技術(shù)學(xué)[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2011：1-5.

[2] 鄭柳萍，梁列．工程機(jī)械遠(yuǎn)程監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)[J]．工程機(jī)械，2007(7):4-7.

[3] 劉學(xué)勇，楊承先，李煥良，等．基于CORBA技術(shù)的機(jī)群化工程機(jī)械監(jiān)測系統(tǒng)模型[J]．建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2006(3)：76-80.

[4] 桂電-豐寶聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室.基于LPC2400系列處理器和IAR開發(fā)環(huán)境[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2008：64-68.

[5] 司慧玲．基于Protel_DXP的單片機(jī)最小系統(tǒng)原理電路的設(shè)計(jì)[J]．中國科技信息，2009(7)：129-130.

The design of ARM-based condition monitoring system for military engineering machinery

LI Xiang, LIU Tingyong, LI Huanliang, SUN Yan, YANG Xuesong

(The Field Engineering College, PLA University of Science and Technology, Jiangsu Nanjing, 210007, China)

In view of the shortage of existing monitoring equipment for military engineering machinery, it uses the embedded technology and data acquisition technology to develop the hardware platform of condition monitoring system based on ARM, establishes the function modules of the system for data processing, designs the display alarm and data storage. This method realizes information integration system, achieves effective digitized operation of military engineering machinery.

military engineering machinery; ARM; condition monitoring;

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.05.008

2015-03-10

江蘇省青年科研基金資助項(xiàng)目(BK2012061)

李翔(1989—)，男，河北南宮人，解放軍理工大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)檐娛卵b備技術(shù)、機(jī)電一體化。

U270

A

2095-509X(2015)05-0033-05