紀超　王昆

摘要：原位檢測技術是一種無損檢測方法，可在設備運轉或基本不拆卸的情況下，對某些設備零件或部位進行檢查和測試。本文以飛機外掛物管理系統(tǒng)為研究對象，針對其設備的原位檢測問題進行研究，根據(jù)飛機外掛物管理系統(tǒng)設備的特點，設計有針對性的原位檢測系統(tǒng)。該檢測系統(tǒng)要求測試設備小型化、低功耗、便于攜帶和能夠滿足外場試驗檢測。本系統(tǒng)以微控制器STM32F103ZET6為核心，將高性能的ARM芯片、ZigBee無線通信技術以及模塊化的功能電路結合在一起，并最終在遠程監(jiān)控終端實現(xiàn)檢測參數(shù)的顯示。最后通過系統(tǒng)的軟硬件調試，實時的顯示出飛機外掛物管理系統(tǒng)設備的狀態(tài)信息，實現(xiàn)了系統(tǒng)的設計初衷。

關鍵詞：原位檢測；飛機外掛物管理系統(tǒng)；ZigBee；STM32F103ZET6

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A

1引言

外掛物管理系統(tǒng)是飛機綜合火控系統(tǒng)的一個組成部分，它通過外掛發(fā)射裝置與航空武器（機炮、導彈、火箭、炸彈）相連，具有監(jiān)控武器狀態(tài)，接收火控系統(tǒng)命令，向武器發(fā)送關鍵參數(shù)；結合飛行員的操作確定攻擊狀態(tài)、自動選擇武器、控制武器正常和應急發(fā)射等功能。在現(xiàn)代航空設備檢測技術手段中，原位檢測技術是其新的重要組成部分，由于該技術不對飛行器設備及其結構進行拆卸和分解，既能夠迅速、準確有效地檢測飛機、火箭、導彈等機載設備的性能，又可以杜絕因拆裝不當造成的人為故障和機件損傷。隨著科技的不斷發(fā)展，越來越多的企業(yè)和機構通過做無線通信和原位檢測技術相結合的嵌入式系統(tǒng)方式用于飛機定檢，也用于特檢和日常維護。

目前，比較流行的無線通信技術主要有藍牙、紅外、Wi-Fi和ZigBee等。其中ZigBee技術是一種近距離、低成本、低功耗、低速率的雙向無線通信技術，是基于IEEE802.15.4標準開發(fā)出來的關于組網(wǎng)、安全和應用方面的通信技術，特別適用于工業(yè)檢測、監(jiān)控和傳感器網(wǎng)絡等領域。

本文把ZigBee無線通信技術應用到飛機外掛物管理系統(tǒng)設備參數(shù)的原位檢測中，采取適合方法實現(xiàn)多數(shù)據(jù)的自動采集、傳輸和顯示，為工業(yè)參數(shù)在線檢測提供了一種全新的解決方案。在條件惡劣、不易布線、人員不易進入或需要對某運轉設備參數(shù)進行長期檢測等環(huán)境中，這種解決方案的優(yōu)勢尤其明顯。

2飛機外掛物檢測系統(tǒng)方案設計

2.1系統(tǒng)描述

飛機外掛物管理系統(tǒng)設備檢測系統(tǒng)的工作流程及原理如工作示意圖見圖1所示。

飛機外掛物管理系統(tǒng)設備檢測系統(tǒng)的工作流程是，首先用專用型號電纜將飛機外掛物管理系統(tǒng)設備和子設備連接，采集到相關信息后再通過Zig-Bee通信模塊將數(shù)據(jù)參數(shù)發(fā)送給遠程手持監(jiān)控終端，最后當遠程監(jiān)控終端接收到數(shù)據(jù)先進行校驗，校驗無誤后再通過軟件處理，最終將設備的動態(tài)信息顯示出來。

2.2系統(tǒng)組成與整體設計

由以上對飛機外掛物管理系統(tǒng)設備檢測系統(tǒng)的工作流程分析可以看出，飛機外掛物管理系統(tǒng)設備檢測系統(tǒng)一般是由數(shù)據(jù)采集設備和遠程監(jiān)控終端兩大部分構成，如圖2所示。

子設備將ARM微處理器、串行接口模塊以及遠程無線發(fā)送模塊集成與一體，主要完成數(shù)據(jù)的采集、處理和發(fā)送功能。遠程監(jiān)控終端則通過軟件進行數(shù)據(jù)的分析、處理及顯示。本文將無線通信技術與嵌入式系統(tǒng)融合在一起，提出一個基于ARM嵌入式系統(tǒng)與ZigBee通信技術的原位檢測硬件平臺的解決方案。其中ZigBee模塊與ARM嵌入式系統(tǒng)之間采用RS232接口通訊，將采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee通信傳送到遠程監(jiān)控終端并顯示。系統(tǒng)總體設計方案框圖如圖3所示。

其中無線通信模塊與基于ARM的機載檢測系統(tǒng)終端通過串口相連。遠程監(jiān)控終端與無線通信模塊通過USB相連，當遠程監(jiān)控終端接收到機載終端發(fā)送的設備參數(shù)信息后，便調用顯示程序將設備的動態(tài)信息實時的顯示在手持機的屏幕上。

3子設備硬件設計與實現(xiàn)

3.1硬件設計方案

子設備用來測試飛機外掛物管理系統(tǒng)設備的插座信號，其中模擬量信號5路，開關量信號14路?？紤]到測試的可靠和穩(wěn)定性，測試過程中監(jiān)視子設備的電池電壓采用1路模擬量采集。因此，共6路模擬量信號，14路開關量信號。

系統(tǒng)的設計目標與預期效果進行深入了解后，按照模塊化的電路設計思想，在以STM32F103ZET6微控制器為核心基礎上，設計出各功能模塊的原理電路。系統(tǒng)的總體硬件設計方案如圖4所示。

3.2硬件設計實現(xiàn)

1）STM32F103ZET6微處理器電路設計

對于STM32F103ZET6微處理器，復位電路采取上電自動復位的方式，系統(tǒng)時鐘的選擇是在啟動時進行，復位時內部8MHz的RC振蕩器被選為默認的CPU時鐘，隨后可以選擇外部的、具有失效監(jiān)控的4-16MHz時鐘；當檢測到外部時鐘失效時，它將被隔離，系統(tǒng)將自動地切換到內部的RC振蕩器，如果出現(xiàn)中斷，軟件可以接收到相應的中斷。同樣，在需要時可以采取對PLL時鐘完全的中斷管理（當一個間接使用的外部振蕩器失效時）。當HSI作為PLL時鐘的輸入時，最高的系統(tǒng)時鐘頻率只能達到64MHz；而當使用USB功能時，必須同時使用HSE和PLL，CPU的頻率必須是48MHz或72MHz，當需要ADC采樣時間為1μs時，APB2必須設置在14MHz、28MHz或56MHz。為了提高電壓測量精度，系統(tǒng)采樣時選用外部參考電壓源REF2930。

2）開關量信號設計

對于28V/懸空信號，將光耦的陰極接地，被測信號接人光耦的陽極。如當被測信號懸空時，IN0通過電阻下拉至GND；當被測信號為28V時，三極管導通，IN0為+3.3V，IN0由三極管的發(fā)射極輸入到STM32F103ZET6，STM32F103ZET6通過讀取IN0狀態(tài)實現(xiàn)對28V/懸空信號的測試。當被測信號為脈沖串時，STM32F103ZET6將脈沖數(shù)量記錄下來并上傳至ZigBee。

GND/懸空分為兩種類型：1、對于特殊的GND/懸空信號，如果被測設備插座中具有存在、聯(lián)鎖、聯(lián)鎖回線等在直流電源1未提供就存在的信號時，采用隔離的電源ISO-5V為光耦陽極提供電源，被測信號接人光耦的陰極；2、對于一般的GND/懸空信號，直流電源1存在，將光耦的陽極接被測插座直流電源1為光耦提供電源，被測信號接入光耦的陰極。當被測信號懸空時，IN24通過電阻下拉至GND。當被測信號為GND時，三極管導通，IN24為+3.3V，IN24由三極管的發(fā)射極輸入到STM32F103ZET6，STM32F103ZET6通過讀取IN24狀態(tài)實現(xiàn)對GND/懸空信號的測試。

3）模擬量信號設計

檢測中需采集測試設備自身電池電壓，以了解電池是否正常工作，對于電池電壓的測試，采取電阻分壓并經(jīng)運放緩沖后輸入到STM32F103ZET6。前級電源電路輸出+5V信號BAT_OUT通過C33以及C41電容進行濾波，其中電阻R112以及R113對BAT_OUT電源信號進行分壓。隨后經(jīng)過運放OP291GS緩沖后送給ADC進行采樣。

被測件交流電壓為飛機三相115V電源，對其采取采用電流型電壓互感器隔離輸入具有差動輸入的RMS-DC變換芯片并經(jīng)運放緩沖，輸入STM32F103ZET6的AD接口進行采集。電流型電壓互感器選用星格公司SPT204A，輸入額定電流為2mA，額定輸出電流為2mA，具有良好的線性（小于0.1%）但在使用時需要將電壓信號變換成電流信號并且將前級限流電阻R1、T1安裝在信號轉接盒中，可避免強電信號引入測試終端并減小測試終端體積。

4）電源電路設計

由前級電源板輸入子設備的電源有電池、電池變換后的+3.3V，以上電池、+3.3V供內部STM32F103ZET6、與STM32F103ZET6連接的調理電路使用，將電池進行升壓至+5V經(jīng)電源模塊隔離后供前端調理使用。其中涉及到的核心元件分別為LTC3203EDD-1和IB0505LT-W75。

4系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)

4.1子設備軟件結構

子設備的固件程序即STM32軟件的基本結構如圖5所示，該程序主要由初始化模塊、串口中斷及處理模塊、數(shù)據(jù)定時采集模塊、脈沖計數(shù)模塊、串口數(shù)據(jù)打包發(fā)送模塊以及看門狗構成，下面對程序的組成部分分別介紹。

4.2ZigBee無線通信模塊固件程序設計

ZigBee無線通信模塊實現(xiàn)無線串口通信功能。采用Jennic公司的新一代無線微處理器模塊JN5139系列ZigBee模塊，該系列的模塊化解決方案可以大大節(jié)省開發(fā)時問，易于集成到產(chǎn)品中。本測試系統(tǒng)中無需修改硬件線路將該系列模塊直接無縫引入子設備和手持機，直接進行固件程序開發(fā)即可。

該系列模塊開發(fā)套件提供豐富的開發(fā)例程，稍加修改即可移植到本次測試系統(tǒng)的設計中。綜合考慮各方便因素，本次開發(fā)采用Zigebee協(xié)議的基礎協(xié)議802.15.4。為了方便驗證設計和測試，系統(tǒng)網(wǎng)絡架構初期設計為點對點網(wǎng)絡，后期考慮設計為手持機為中心的星形網(wǎng)絡架構。

4.3手持機軟件設計

手持機通過Zigbee模塊實時接收子設備發(fā)送的數(shù)據(jù)，對接收到的數(shù)據(jù)解碼后，提取出被測件的各項測量值并顯示在軟件界面上，另外手持機還可以對各子設備進行復位、查詢等操作。手持機的上述功能是通過專門設計的手持機軟件實現(xiàn)的，手持機采用的操作系統(tǒng)為Windows Embedded CE6.0。

圖6為手持機軟件流程圖。其中，初始化模塊主要完成軟件界面初始化、串口通信初始化、創(chuàng)建讀串口線程等組成。串口數(shù)據(jù)處理線程模塊主要用來定時查詢串口。如果有數(shù)據(jù)則進行狀態(tài)機解碼，按照通信協(xié)議解析出的被測件有效數(shù)據(jù)，存儲在數(shù)據(jù)結構SUB2CE中，方便軟件存儲測試數(shù)據(jù)以及在界面上定時顯示。手持機可以對子設備進行查詢、復位等操作，點擊軟件界面上的復位或查詢子設備按鈕時，軟件生成符合通信協(xié)議的數(shù)據(jù)，存儲到數(shù)據(jù)結構CE2SUB中，通過串口發(fā)送出去，經(jīng)由ZigBee模塊組成的無線串口，到達子設備。

5系統(tǒng)調試與運行

5.1無線串口軟件仿真測試

在對子設備和手持機進行測試前，需測試無線串口軟件的功能是否符合要求。無線串口是由兩塊Jennic公司的JN5139系列ZigBee模塊構成的，兩模塊芯片內燒寫了上一章設計的ZigBee無線通信模塊固件程序，兩模塊上電后，可以自動連接，并且讀取各自的串口數(shù)據(jù)通過無線連接發(fā)送給對方。對無線串口軟件的測試如下：

兩塊ZigBee模塊通過USB轉串口線分別與兩臺計算機的USB接口連接，在兩臺計算機上分別運行串口調試助手軟件，設置好波特率數(shù)據(jù)位和停止位，打開相應的串口，輸入固定的數(shù)據(jù)，點擊定時發(fā)送。經(jīng)過長時間大數(shù)據(jù)量測試，檢查兩臺計算機上的串口調試助手可以發(fā)現(xiàn)，兩串口數(shù)據(jù)收發(fā)正常，較好的實現(xiàn)了無線串口軟件功能。

5.2子設備軟件仿真測試

將固件程序燒寫進STM32芯片中，上位機運行在PC端，程序采用LabWindows/CVI設計，如圖7所示，PC同ZigBee模塊使用USB轉串口線連接。子設備上電后，可以發(fā)現(xiàn)上位機程序收到了子設備的數(shù)據(jù)并顯示在界面上，STM32發(fā)送不斷增加，點擊上位機軟件界面中的復位按鈕，界面上STM32發(fā)送數(shù)據(jù)項回0，這說明子設備可以采集到所需的數(shù)據(jù)，并且通過無線串口和外界通信正常。

5.3手持機軟件仿真測試

采用Visual C++2008編寫完成手持機軟件后，可以使用SDK自帶的WinCE6.0模擬器進行軟件仿真測試。首先使用虛擬串口軟件給計算機添加一對串口，方便模擬器進行串口調試。然后模擬器映射使用其中一個串口，PC串口調試助手使用另一個即可進行互相收發(fā)數(shù)據(jù)，進行軟件功能仿真測試。串口調試助手按照通信協(xié)議格式發(fā)送數(shù)據(jù)55 AA 30 00 00 00 68 00 00 00 F9 9F D1 FE 00 20 B7 C7 A0 FF 00 04 41 1D 46 0C 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 C2 06 00 00 00 00 00 B7，手持機軟件界面收到數(shù)據(jù)并解析顯示，軟件界面點擊復位或查詢，串口調試助手收到符合通信協(xié)議格式的數(shù)據(jù)，仿真測試表明，手持機軟件可以滿足測試系統(tǒng)的要求。

6結束語

本系統(tǒng)的設計主要是為遠程監(jiān)控飛機外掛物管理系統(tǒng)設備所設計的，可將設備信號參數(shù)通過ZigBee無線通信的方式傳送到遠程手持監(jiān)控終端。從系統(tǒng)的設計目標出發(fā)，詳細介紹了系統(tǒng)硬件電路原理圖的設計。隨后，對系統(tǒng)子設備和手持機的軟件設計進行了專門的敘述，按照功能模塊的劃分設計了數(shù)據(jù)采集和發(fā)送和數(shù)據(jù)接收和顯示的程序。描述了子設備和遠程手持監(jiān)控終端中的軟件的實現(xiàn)過程。最終通過軟硬件的測試給出了測試參數(shù)，系統(tǒng)目前已經(jīng)基本實現(xiàn)了設計的預期目標，具有一定的實用價值。