秦文姬,黃國(guó)兵,彭易博
(西安工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院,西安710048)
基于ARM9的便攜式電子控制器檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)?
秦文姬,黃國(guó)兵,彭易博
(西安工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院,西安710048)
為確保飛機(jī)和機(jī)上人員的安全,其發(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制器的性能指標(biāo)和運(yùn)行狀態(tài)必須得到有效的監(jiān)控。介紹了一種基于ARM9的便攜式電子控制器的檢測(cè)方法,著重描述了該檢測(cè)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)的研究與設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用了AT91SAM9263 ARM9微控制器為核心搭建硬件平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了AO、DI、DO等過(guò)程通道,以太網(wǎng)通訊技術(shù)作為傳輸手段,實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的仿真參數(shù)的輸出和電子控制器運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)和控制。實(shí)驗(yàn)表明,該系統(tǒng)具有便攜、易操作、控制精度高和可靠性高等特點(diǎn)。
電子控制器;ARM 9處理器;過(guò)程通道;Linux移植;數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC7568
隨著電子控制器用戶使用數(shù)量的增加及產(chǎn)品出口的出現(xiàn),主機(jī)廠及用戶對(duì)便攜式檢測(cè)器的需求與日俱增。發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備,其電子控制器檢測(cè)設(shè)備的研發(fā)成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-3]。根據(jù)項(xiàng)目組實(shí)際調(diào)研,目前市場(chǎng)上發(fā)動(dòng)機(jī)控制器的通用測(cè)試方法多采用多臺(tái)儀器聯(lián)合檢測(cè)法[4-5]。由于該方法使用設(shè)備過(guò)于龐大、所需測(cè)試條件不便利等因素,導(dǎo)致電子控制器測(cè)試不宜于現(xiàn)場(chǎng)在線檢測(cè),必須在實(shí)驗(yàn)室完成,以致檢測(cè)過(guò)程繁瑣,效率低下,很多方面已經(jīng)不能滿足用戶的需求。
針對(duì)上述存在的問(wèn)題,開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一款基于ARM9的便攜式電子控制器檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能仿真發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生試車(chē)參數(shù),能夠在不使用發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下全面檢測(cè)控制器的控制功能,繪制檢測(cè)曲線,自動(dòng)記錄檢測(cè)數(shù)據(jù),存儲(chǔ)檢測(cè)數(shù)據(jù),并可以查看和打印檢測(cè)報(bào)告,有效幫助檢測(cè)人員分析判斷電子控制器是否存在故障。還可以下載電子控制器記錄的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)曲線,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)在線檢測(cè)。檢測(cè)時(shí)間短,準(zhǔn)確性高,能夠正確引導(dǎo)工作人員及時(shí)進(jìn)行調(diào)整和處理故障。
該檢測(cè)系統(tǒng)主要包括以下模塊:控制模塊(控制芯片AT91SAM9263)、D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊、UART串行通信模塊、以太網(wǎng)通訊模塊、USB模塊和LCD顯示器模塊等。
該系統(tǒng)以ARM微處理器AT91SAM9263芯片為核心專(zhuān)用計(jì)算機(jī),通過(guò)AO和MUX分時(shí)向多個(gè)通道發(fā)送發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的狀態(tài)參數(shù),同時(shí)采用AI和DI過(guò)程通道實(shí)時(shí)采樣、顯示和記錄發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的狀態(tài)參數(shù),以便判斷發(fā)動(dòng)機(jī)和電子控制器的工作狀態(tài)是否正常。同時(shí),該計(jì)算機(jī)還需要下載并顯示電子控制器記錄的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)曲線,向電子控制器下載控制程序,指定當(dāng)前運(yùn)行的控制程序。另外,使用DO過(guò)程通道實(shí)現(xiàn)信號(hào)選擇開(kāi)關(guān)、通訊自檢信號(hào)控制開(kāi)關(guān)、起動(dòng)按鈕等功能。AI/O,DI/O過(guò)程通道需根據(jù)信號(hào)特征和實(shí)時(shí)性指標(biāo)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)。而計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的異步串口、網(wǎng)口、USB、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、液晶顯示器等外設(shè)接口,采用開(kāi)發(fā)板提供的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方案即可。系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)總體框架圖
3.1ARM9 CPU板和周邊電路設(shè)計(jì)
作為整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心控制部分,該部分主要包括了CPU的選擇和配置以及設(shè)計(jì)周邊電路包括RS232接口、以太網(wǎng)接口、JTAG接口、USB接口擴(kuò)展等。介于篇幅有限,在這里重點(diǎn)介紹一下相對(duì)復(fù)雜的CPU的選擇和配置、RS232接口以及USB接口擴(kuò)展電路的設(shè)計(jì)。
3.1.1CPU核心板的選擇及接口電路
作為整個(gè)硬件平臺(tái)的核心,CPU的選擇至關(guān)重要?;诎裁坠綧DK9263核心板上擴(kuò)展了存儲(chǔ)器使得軟件系統(tǒng)可以直接運(yùn)行,這樣硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)就直接簡(jiǎn)化為外部通道擴(kuò)展設(shè)計(jì),大大節(jié)省了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。因此,為簡(jiǎn)化硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì),項(xiàng)目組采用該核心板作為硬件平臺(tái)的中央處理器。MDK9263核心板上載有ARM9處理器,64MB SDRAM,128MB NAND FLASH,10M/100M網(wǎng)絡(luò)以及豐富的Linux軟件資源,應(yīng)用擴(kuò)展非常方便[6]。該板上的ARM9處理器采用ATMEL公司AT91SAM9263芯片,片上載有USB HOST,USB Device,CAN,以太網(wǎng),EBI總線,3個(gè)USART,DBGU,SPI等豐富的資源,具有體積小、低功耗、低成本和高性能等優(yōu)點(diǎn)[7-11]。
MDK9263核心板通過(guò)兩個(gè)100針1.27間距的雙排連接器實(shí)現(xiàn)GPIO和外設(shè)控制器信號(hào)引出。根據(jù)應(yīng)用需要,模板使用其中的部分信號(hào),包括GPIO、SPI、網(wǎng)絡(luò)、TFT、JTAG等。與MDK9263核心板對(duì)接的連接器電路原理圖如圖2所示。
3.1.2RS232接口
為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)機(jī)信息下載和應(yīng)用軟件上傳,主板設(shè)計(jì)了一個(gè)RS232接口與目標(biāo)機(jī)通信。另外,為了實(shí)現(xiàn)Linux操作系統(tǒng)的超級(jí)終端接口,同時(shí)擴(kuò)展了另一路RS232接口,兩個(gè)接口可以并行工作。
RS232接口電路采用SP202E實(shí)現(xiàn),該芯片實(shí)現(xiàn)了2組收發(fā)信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換,正好可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)簡(jiǎn)化的RS232通道接口。
3.1.3USB接口擴(kuò)展
由于檢測(cè)系統(tǒng)的鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、打印機(jī)、U盤(pán)均需要USB接口連接,而AT91SAM9263自身只有兩個(gè)主方式USB接口,顯然不能滿足當(dāng)前需要,因此必須擴(kuò)展USB接口的數(shù)量。方法是通過(guò)一個(gè)USB HUB(1:2)電路擴(kuò)展出來(lái)兩個(gè)USB接口,這兩個(gè)接口用于連接鍵盤(pán)和鼠標(biāo)。
MDK9263核心板內(nèi)置兩路主方式的USB控制器,其中1路直接引出,另一路接USB HUB擴(kuò)展成兩路USB接口,用于外接U盤(pán)、鍵盤(pán)和鼠標(biāo)。
3.2電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)
整個(gè)檢測(cè)儀的電源設(shè)計(jì)分為外部供電設(shè)計(jì)和內(nèi)部電壓轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)。
外部供電方案:根據(jù)協(xié)作企業(yè)提供的工作電壓為+27V,為方便用戶在使用過(guò)程中更容易找到供給電源,計(jì)劃采取雙電源供電方案(AC220V和DC27V)來(lái)解決外部供電問(wèn)題。當(dāng)兩路電源都正常時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)取其中一路電源供電;當(dāng)主供電源異常時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)切換到備用電源工作。
內(nèi)部供電方案:檢測(cè)儀內(nèi)部共需+12V、+5V、+3.3V三種不同電壓,它們分別用于液晶顯示器供電、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊供電以及CPU供電。根據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部模塊的電源需求各不相同,計(jì)劃采用內(nèi)部電壓轉(zhuǎn)換模塊方案將+27V轉(zhuǎn)化為各個(gè)模塊所需電壓來(lái)解決內(nèi)部供電問(wèn)題。
圖2 與MDK9263核心板對(duì)接的連接器電路原理圖
根據(jù)上述電源設(shè)計(jì)方案,需要在機(jī)箱內(nèi)部安裝合適的電源模塊,但電源模塊體積較大,而機(jī)箱內(nèi)部空間有限會(huì)影響到主板的設(shè)計(jì)安裝。通過(guò)與用戶協(xié)商,最終采用AC220Vto27V電源適配器給檢測(cè)系統(tǒng)供電,這樣大大簡(jiǎn)化了供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
最終采用的電源設(shè)計(jì)方案為:機(jī)箱上安裝一個(gè)3P的航空插頭接入27V電源,如果接入AC220V電源,則需通過(guò)電源適配器連接,否則可直接連接27V電源。
3.3過(guò)程通道設(shè)計(jì)
檢測(cè)系統(tǒng)的過(guò)程通道包括AO、DI和DO三大部分。AO過(guò)程通道的主要功能是將已經(jīng)采集好的發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)參數(shù),通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換成電子控制器能接收的模擬量。DI過(guò)程通道的主要功能是接收電子控制器反饋的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息。DO過(guò)程通道主要用于人機(jī)交互時(shí)的狀態(tài)設(shè)置。下面分別介紹這三個(gè)過(guò)程通道的工作原理。
3.3.1AO過(guò)程通道
檢測(cè)系統(tǒng)要同時(shí)或分時(shí)產(chǎn)生4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和溫度曲線,而這個(gè)過(guò)程需要用AO過(guò)程通道實(shí)現(xiàn)。根據(jù)項(xiàng)目需要輸出9路模擬量信號(hào)和CPU的接口資源,因此需采用兩片模數(shù)轉(zhuǎn)換器DAC7568擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)。DAC7568內(nèi)部集成了8個(gè)獨(dú)立的12位DAC,滿足輸出精度要求。如果需要提高輸出精度,相同封裝的14位/16位DAC轉(zhuǎn)換器可以直接替代,設(shè)計(jì)冗余度大。這里以其中2路模擬信號(hào)輸出為例介紹AO過(guò)程通道的工作原理,如圖3所示。
DAC7568采用SPI同步外設(shè)總線與CPU連接,兩片DAC7568連接在同一條SPI總線上,采用片選信號(hào)進(jìn)行分時(shí)訪問(wèn)控制,圖3中的片選信號(hào)為PB15。SPI的時(shí)鐘線為SCLK(PB14),數(shù)據(jù)線MOSI為PB13。數(shù)據(jù)通信采用單工方式,即數(shù)據(jù)只從CPU發(fā)送到DAC7568。PB17為DA輸出清除控制線。
根據(jù)目標(biāo)機(jī)輸入信號(hào)或者發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn),這里使用運(yùn)算放大器對(duì)輸出信號(hào)的范圍進(jìn)行調(diào)整。DA輸出標(biāo)定時(shí)以DAC7568的滿碼值為準(zhǔn),其輸出范圍為0-5V,對(duì)應(yīng)目標(biāo)機(jī)的輸入范圍,采用分壓和比例縮小進(jìn)行量程范圍的調(diào)整。
3.3.2DI過(guò)程通道
發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是否正常以及是否要進(jìn)行切油工作或者進(jìn)入等待運(yùn)行狀態(tài),這些信號(hào)均由DI過(guò)程通道實(shí)現(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)需求,硬件平臺(tái)共需實(shí)現(xiàn)10路DI過(guò)程通道,用于采集監(jiān)視目標(biāo)機(jī)的輸出狀態(tài)。由于DI信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電平為27V,為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換,需采用光電耦合器將27V電源轉(zhuǎn)換到5V電源,并實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離,提高過(guò)程通道的抗干擾能力。
DI回路的限流電阻為3K,驅(qū)動(dòng)光耦的電流約為9mA,符合光耦驅(qū)動(dòng)電流的要求。回路中的電容和限流電阻構(gòu)成RC濾波電路,過(guò)濾回路中的干擾信號(hào)。反接二極管用于保護(hù)光耦的發(fā)光管,在出現(xiàn)過(guò)高的反向電壓時(shí),二極管導(dǎo)通,避免反向電壓加載光耦的發(fā)光管,造成光耦發(fā)光管的永久損壞?;芈分械拇胖橛糜谖崭哳l干擾信號(hào)。
輸出回路中的上拉電阻用于確定光耦的輸出狀態(tài),光耦內(nèi)光敏管導(dǎo)通時(shí)采集點(diǎn)處于低電平,截止時(shí)處于高電平。光耦輸出的數(shù)字信號(hào)直接連接到CPU的GPIO引腳,實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的采集訪問(wèn),DI過(guò)程通道實(shí)現(xiàn)原理如圖4所示。
圖3 AO過(guò)程通道工作原理圖
圖4 DI過(guò)程通道
3.3.3DO過(guò)程通道
DO過(guò)程通道主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互時(shí)的狀態(tài)設(shè)置。通常情況下,檢測(cè)系統(tǒng)上的狀態(tài)設(shè)置多采用按鍵、旋鈕和波段開(kāi)關(guān)設(shè)置。由于便攜式檢測(cè)系統(tǒng)上的空間很小,不適合安裝這些組件。于是,決定采用軟件界面設(shè)置,硬件上通過(guò)繼電器觸點(diǎn)給定設(shè)置狀態(tài)的方案解決此問(wèn)題。
DO過(guò)程通道采用DS1E-S-24V繼電器進(jìn)行觸點(diǎn)信號(hào)輸出,該繼電器的線包能承受30V輸入電壓,直接采用檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)的27V電源驅(qū)動(dòng)。電路中設(shè)計(jì)了一個(gè)200歐電阻進(jìn)行分壓,來(lái)降低線包兩側(cè)的電壓,用于將其控制在標(biāo)準(zhǔn)的24V。繼電器線包兩側(cè)反接的二極管為泄放二極管,在控制繼電器觸點(diǎn)打開(kāi)時(shí),放掉線包中儲(chǔ)存的電量,防止繼電器觸點(diǎn)不能分開(kāi)或延遲分開(kāi)。
為了推動(dòng)繼電器分合,這里采用PS2702帶達(dá)林頓輸出的光電耦合器,采用這種光耦設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)量過(guò)程驅(qū)動(dòng)通道可以大大簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。CPU通過(guò)GPIO管腳控制繼電器的分合操作。光耦驅(qū)動(dòng)采用74LVC125實(shí)現(xiàn),提高GPIO管腳的驅(qū)動(dòng)能力。DO通道的原理圖如圖5所示。
由于Linux免費(fèi)開(kāi)放源代碼,不僅顯著降低了嵌入式操作系統(tǒng)的使用成本,而且還能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜程序的處理,因此Linux正在成為越來(lái)越多公司的軟件平臺(tái)[12-14]。本檢測(cè)系統(tǒng)以嵌入式Linux操作系統(tǒng)為軟件平臺(tái),使用C和匯編語(yǔ)言編程。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)對(duì)功能、體積、資源等方面要求嚴(yán)格的特點(diǎn),檢測(cè)系統(tǒng)根據(jù)軟硬件的需求,對(duì)Linux內(nèi)核進(jìn)行定制,裁掉多余的功能模塊,降低成本的同時(shí)提高了執(zhí)行效率[15-16]。這里以編譯裁剪和移植為例,其過(guò)程如下:
(1)安裝虛擬機(jī),安裝Red Hat企業(yè)版5,下載相關(guān)軟件包。
(2)安裝工具鏈,根據(jù)工具鏈創(chuàng)建軟連接,輸入命令如圖6,連接結(jié)果如圖7所示。
(3)在系統(tǒng)路徑下添加工具鏈路徑:在bashrc文件中添加/9263/codesourcery/bin。
(4)為本開(kāi)發(fā)平臺(tái)安裝廠家提供的補(bǔ)丁包,只有安裝過(guò)補(bǔ)丁的系統(tǒng)才能正常工作。
(5)更改時(shí)鐘頻率(18.432MHz),編譯bootstrap。
(6)為了適應(yīng)控制器設(shè)備硬件平臺(tái),需要?jiǎng)h除原有配置,重新對(duì)Linux進(jìn)行相應(yīng)配置,并對(duì)相關(guān)功能進(jìn)行裁減。輸入如圖7所示的配置命令進(jìn)入配置環(huán)節(jié),選擇移植的硬件平臺(tái)Atmel AT91SAM9263,修改所需的其它配置及相關(guān)參數(shù),然后對(duì)其進(jìn)行編譯生成zImage。首次編譯比較耗時(shí),大約需要20分鐘。
圖5 DO過(guò)程通道電路原理圖
圖6 創(chuàng)建軟連接命令
圖7 配置命令
(7)在本平臺(tái)下需要將zImage編譯成uImage,復(fù)制mkimage到Linux對(duì)應(yīng)的boot目錄。
內(nèi)核經(jīng)裁剪后編譯形成鏡像文件,再通過(guò)超級(jí)終端將編譯好的系統(tǒng)鏡像燒錄到目標(biāo)機(jī)中。在完成Linux操作系統(tǒng)剪裁制作之后,裝入到所設(shè)計(jì)、生產(chǎn)好的硬件平臺(tái),Linux操作系統(tǒng)能正常引導(dǎo)運(yùn)行,超級(jí)終端顯示的信息正常。
該系統(tǒng)采用ARM9處理器集成SOPC系統(tǒng),很好地解決了電子控制器檢測(cè)系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)以及過(guò)程通道問(wèn)題,方便快捷地完成了電子控制器的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工作。下面給出了三個(gè)通道中最復(fù)雜的AO過(guò)程通道測(cè)試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
CPU采用SPI接口與DAC7568通信,將設(shè)定參數(shù)傳遞給DAC7568,通過(guò)DAC7568數(shù)模轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)模擬量輸出。對(duì)于SPI通信接口調(diào)試,采用邏輯跟蹤儀配合軟件開(kāi)發(fā)人員監(jiān)視通信時(shí)序,檢驗(yàn)軟件輸出波形的正確性,如圖8所示。軟件開(kāi)發(fā)人員借助于Linux自帶的SPI驅(qū)動(dòng)程序,向DAC7568發(fā)送輸出命令,控制DAC7568按指令輸出。在完成AO軟件設(shè)計(jì)之后,和軟件開(kāi)發(fā)人員協(xié)作,完成AO通道的標(biāo)定和曲線數(shù)據(jù)連續(xù)輸出測(cè)試。表1給出了一小部分標(biāo)定結(jié)果,根據(jù)結(jié)果可知,各數(shù)模轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)標(biāo)定測(cè)量值與標(biāo)定值的誤差在允許范圍之內(nèi)。圖9給出了連續(xù)測(cè)試曲線,輸出測(cè)試采用高精度Fluke測(cè)試儀,檢驗(yàn)輸出精度和響應(yīng)的實(shí)時(shí)性。
表1 AO過(guò)程通道標(biāo)定結(jié)果
圖8 邏輯跟蹤儀記錄的SPI通信時(shí)序圖
圖9 邏輯跟蹤儀記錄的SPI通信時(shí)序圖
實(shí)驗(yàn)表明,該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電子控制器參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸、顯示,較好地完成了電子控制器的檢測(cè)工作。該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了小型化和便攜化,而且能滿足檢測(cè)系統(tǒng)的分析性能要求,完全適用于電子控制器的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。
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Design of Portable Electronic Controller Detection System Based on ARM9
Qin Wenji,Huang Guobing,Peng Yibo
(Institute of Computer,Xi'an Polytechnical University,Xi'an 710048,China,China)
In order to ensure the safety of the aircrafts and the crews,the performance and operational status of the engine's electronic controller must be validly monitored.A portable electronic controller detection system based on ARM9 is introduced in this paper,and hardware platform design is emphatically described.Using the AT91SAM9263 ARM9 microcontroller as the core of the hardware platform and Ethernet communication technology for transmission,the system completes the AO,DI and DO processes channel and achieves output of the engine's running simulation parameters,and monitoring and controlling for the electronic controller operating status.The experiments show that the system has advantages such as portable and easy operating,high precision and reliability.
Electronic controller;ARM9 processor;Processes channel;Linux transplant;DAC7568
10.3969/j.issn.1002-2279.2016.05.019
TP368.1
A
1002-2279(2016)05-0078-06
?2016年陜西省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目
秦文姬(1981-),女,山西省臨縣人,講師/碩士,主研方向:計(jì)算機(jī)測(cè)控、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。
2015-12-22