高曉冬，李 祺，劉彥君，李 旺

(1.海裝駐北京地區(qū)第三軍事代表室，北京 100074; 2.北京機(jī)電工程研究所，北京 100074;3.成都菁匯科技有限公司，成都 611731)

0 引言

裝備全壽命周期健康管理是裝備綜合保障工程的一項(xiàng)主要工作，可以有效提高裝備的可靠性、維修性和保障性。裝備在使用、運(yùn)輸和貯存條件下所處的環(huán)境對(duì)裝備的健康狀態(tài)有直接且關(guān)鍵的影響，這些環(huán)境因素主要包括：溫度、濕度、大氣壓力、振動(dòng)等[1-4]。為更加準(zhǔn)確地研究環(huán)境因素對(duì)裝備壽命的影響，必須積累原始的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)以支撐裝備全壽命周期健康模型中環(huán)境參數(shù)因子的建立研究工作。研制一種能夠全天候、不間斷、超長(zhǎng)續(xù)航、可守時(shí)的環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊，可以在長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人值守的狀態(tài)下，自主對(duì)裝備的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)，為裝備全壽命周期健康模型中環(huán)境參數(shù)因子的建立提供原始基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

超低功耗自守時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊將傳感器電路[5-6]采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸給主控電路，由主控電路進(jìn)行分析、處理后再送入存儲(chǔ)電路或者通過(guò)通信接口向外傳輸。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊可在軟件程序的控制下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間自主工作在不同功耗模式下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。自主工作時(shí)可關(guān)閉空閑的傳感器電路以及其他功能電路以達(dá)到超低功耗的目的。同時(shí)，搭載北斗芯片的環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊具有優(yōu)異的捕獲靈敏度和優(yōu)秀的跟蹤靈敏度，可以在信號(hào)極弱的情況下任然捕獲和跟蹤到多顆衛(wèi)星，為授時(shí)和定位打下良好的基礎(chǔ)。模塊具有單星授時(shí)功能，可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的工作在單星情況下，大幅度提升模擬授時(shí)的整體穩(wěn)定性[7-9]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

裝備在使用、運(yùn)輸和貯存時(shí)將面臨復(fù)雜的環(huán)境特點(diǎn)，為保證環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊在不同使用條件下保持系統(tǒng)穩(wěn)定、高效的自主工作，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)不同的功能單元?jiǎng)澐指鱾€(gè)電路。環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊主要包含5個(gè)部分：存儲(chǔ)電路、主控電路、授時(shí)電路、傳感器電路和電源電路。其中主控電路負(fù)責(zé)處理傳感器電路采集到的溫濕度、氣壓、振動(dòng)數(shù)據(jù)，并控制存儲(chǔ)電路和顯示接口以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、交互和顯示，電源電路負(fù)責(zé)為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源電壓，并在主控電路的指令下完成不同工作模式下各電路的電源供給，本節(jié)將具體闡述各電路的功能作用及工作原理，同時(shí)列出模塊設(shè)計(jì)參數(shù)如下所示：

1)數(shù)據(jù)傳輸速度：100 MB/s；

2)溫度測(cè)量范圍：-40～60 ℃，精度：±1 ℃；

3)濕度測(cè)量范圍：0～100%，精度：±2%；

4)氣壓測(cè)量范圍：0.3～1.1 bar，精度：±100 mbar；

5)振動(dòng)測(cè)量范圍：-16～+16 g，精度：±0.1 g；

6)電池充滿電的狀態(tài)下,設(shè)備連續(xù)工作時(shí)間：在采樣周期為1 800 s時(shí)，可保持12個(gè)月連續(xù)工作，在采樣周期為3 600 s時(shí)，可保持24個(gè)月連續(xù)工作。

系統(tǒng)硬件框架如圖2所示。

圖2 硬件框架圖

2.1 主控電路

主控電路作為環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊的控制中樞，不僅需要快速、高效的數(shù)據(jù)處理能力，而且應(yīng)具有豐富的外設(shè)接口滿足同時(shí)掛載眾多不同的傳感器以及其他功能接口。在此前提下，本系統(tǒng)采用華大HC32L196系列MCU作為主控芯片，其基于ARM 32-bit Cortex-M0+嵌入式內(nèi)核，時(shí)鐘速率高達(dá)48 MHz，并且擁有4路UART標(biāo)準(zhǔn)通訊接口、可工作于深度休眠模式下的2路LPUART低功耗通訊接口、2路SPI標(biāo)準(zhǔn)通訊接口以及2路I2C標(biāo)準(zhǔn)通訊接口。除此之外，該控制芯片內(nèi)部集成高精度的SARADC，工作時(shí)可確保對(duì)裝備所處環(huán)境中振動(dòng)信號(hào)的精確采集。同時(shí)其具有靈活的功耗管理能力，超低的功耗性能，可以在以下6種功耗模式中切換。

1)0.6 μA@3 V深度休眠模式：所有時(shí)鐘關(guān)閉，上電復(fù)位有效，IO狀態(tài)保持，IO中斷有效，所有寄存器、RAM和CPU數(shù)據(jù)保存狀態(tài)時(shí)的功耗；

2)1.0 μA@3 V深度休眠模式+RTC工作；

3)8 μA@32.768 kHz低速工作模式：CPU運(yùn)行，外設(shè)關(guān)閉，從Flash運(yùn)行程序；

4)30 μA/MHz@3 V@24 MHz休眠模式：CPU停止，外設(shè)關(guān)閉，主時(shí)鐘運(yùn)行；

5)130 μA/MHz@3 V@24 MHz工作模式：CPU運(yùn)行，外設(shè)關(guān)閉，從Flash運(yùn)行程序；

6)4 μA超低功耗喚醒時(shí)間，使模式切換更加靈活高效，系統(tǒng)反應(yīng)更為敏捷。

環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊在全天候、不間斷的工作環(huán)境中根據(jù)模塊工作要求選擇相應(yīng)的功耗模式是實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)續(xù)航的關(guān)鍵要素之一。

2.2 傳感器電路

傳感器電路是作為環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊最前端的功能模塊，負(fù)責(zé)裝備所處環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，因此傳感器電路的選擇尤為重要，另一方面?zhèn)鞲衅髯陨硇阅芎艽蟪潭葲Q定了環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊整體的精度和穩(wěn)定性。

2.2.1 溫濕度傳感器

裝備所處環(huán)境由于天氣、季節(jié)、地點(diǎn)等多方面因素的影響，模塊需要完成較寬溫度范圍和濕度范圍的高精度測(cè)量[10-12]。模塊選擇的溫濕度傳感器AHT20可測(cè)量溫度范圍達(dá)-40～+85 ℃，可測(cè)量濕度范圍為0～100%RH，并且配有一個(gè)全新設(shè)計(jì)的ASIC專用芯片、一個(gè)經(jīng)過(guò)改進(jìn)的MEMS半導(dǎo)體電容式濕度傳感元件和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的片上溫度傳感器，其性能已經(jīng)大大提升甚至超過(guò)了前一代傳感器的性能水平。新一代的溫濕度傳感器，經(jīng)過(guò)改進(jìn)使其在惡劣環(huán)境下的性能更加穩(wěn)定。它嵌入適于回流焊的雙列扁平無(wú)引腳的SMD封裝，體積小，輸出為標(biāo)準(zhǔn)的I2C格式數(shù)字信號(hào)。

2.2.2 氣壓傳感器

氣壓傳感器負(fù)責(zé)完成裝備在不同海拔環(huán)境下的氣壓參數(shù)采集。為了滿足不同條件下裝備所處環(huán)境氣壓數(shù)據(jù)的精確采集，模塊使用了一種小型化數(shù)字氣壓傳感器SPL13-001，該傳感器具有高精度和低電流消耗的特點(diǎn)。該氣壓傳感器基于電容傳感原理[13]，保證了溫度變化范圍內(nèi)的高度精度測(cè)量。工作時(shí)，氣壓傳感器將輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為24位的數(shù)字測(cè)量結(jié)果，每個(gè)壓力傳感器都已單獨(dú)校準(zhǔn)，并包含校準(zhǔn)系數(shù)，應(yīng)用中使用系數(shù)將測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換為真實(shí)壓力值。同時(shí)，氣壓傳感器可以存儲(chǔ)最新的32個(gè)測(cè)量值，通過(guò)使用FIFO,主機(jī)處理器可以在兩次讀取之間保持較長(zhǎng)時(shí)間的睡眠模式，減少系統(tǒng)總功耗。

2.2.3 加速度傳感器

裝備在運(yùn)輸、使用、貯存過(guò)程中不同程度的振動(dòng)可能導(dǎo)致裝備機(jī)械結(jié)構(gòu)損壞、精度變差、甚至使裝備無(wú)法正常工作等一系列問(wèn)題。

在振動(dòng)測(cè)量方面，傳統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)量法可采用電測(cè)法、光測(cè)法、機(jī)械法進(jìn)行測(cè)量[14-15]。但隨著對(duì)傾斜測(cè)量、姿態(tài)測(cè)量、沖擊和振動(dòng)測(cè)量要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)測(cè)量方法顯然不能夠滿足要求。三軸加速度傳感器QMA7981不僅體積小，而且具有寬電壓輸入范圍，在典型供電電壓時(shí)，測(cè)量模式下功耗低于25 μA，待機(jī)模式下低至1 μA；另外具有14位高分辨率有利于運(yùn)動(dòng)和傾斜檢測(cè)，測(cè)量范圍達(dá)±32 g，完全覆蓋模塊所設(shè)計(jì)的±16 g振動(dòng)測(cè)量。通訊接口上可通過(guò)SPI或者I2C數(shù)字接口訪問(wèn)。

2.3 存儲(chǔ)電路

環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊采集到的各類傳感器數(shù)據(jù)需要進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)緩存，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集周期從1～3 600 s可設(shè)置，采樣周期為1 800 s時(shí)，需保持12個(gè)月連續(xù)工作，在采樣周期為3 600 s時(shí)，至少保持24個(gè)月連續(xù)工作。模塊選用SPI接口閃存(Flash)芯片完成傳感器數(shù)據(jù)和通電時(shí)間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。同時(shí)，存儲(chǔ)電路還包括一片EEPROM芯片進(jìn)行本地信息、設(shè)置參數(shù)和總計(jì)通電時(shí)長(zhǎng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。Flash芯片容量為512 Mbits，共計(jì)可存儲(chǔ)64 MByte數(shù)據(jù)。其中分配24 Mbyte空間用于存儲(chǔ)溫度、濕度和氣壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，24 Mbyte空間用于存儲(chǔ)電源參數(shù)，8 Mbyte空間用于存儲(chǔ)電源超限事件，6 MByte空間用于存儲(chǔ)振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，2 MByte空間用于存儲(chǔ)通電時(shí)長(zhǎng)記錄數(shù)據(jù)。圖3為Flash空間分配圖。

圖3 Flash存儲(chǔ)空間分配

振動(dòng)數(shù)據(jù)只在檢測(cè)到發(fā)生振動(dòng)時(shí)進(jìn)行保存，不計(jì)入定時(shí)采樣檢測(cè)的范圍。溫度、濕度和氣壓測(cè)量按1 800 s采樣周期，連續(xù)工作12個(gè)月計(jì)算，所需存儲(chǔ)容量為172 800 byte。按3 600 s采樣周期，連續(xù)工作24個(gè)月計(jì)算，所需存儲(chǔ)容量為172 800 byte。

通電時(shí)間長(zhǎng)度按秒為單位進(jìn)行記錄，記錄數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為32位，與時(shí)間戳一起保存時(shí)，單次通電時(shí)間長(zhǎng)度需要占用8 byte存儲(chǔ)容量。

根據(jù)前述計(jì)算結(jié)果，30 Mbyte存儲(chǔ)空間可在1 800 s采樣間隔的條件下存儲(chǔ)約182年。按最長(zhǎng)1年的存儲(chǔ)記錄計(jì)算，最小采樣間隔可達(dá)12.5 min。

可連續(xù)記錄的電源參數(shù)數(shù)據(jù)條數(shù)可達(dá)196萬(wàn)條。

可連續(xù)記錄的電源超限事件數(shù)據(jù)條數(shù)可達(dá)13.1萬(wàn)條。

可連續(xù)記錄的振動(dòng)數(shù)據(jù)條數(shù)可達(dá)21萬(wàn)條。

可連續(xù)記錄的通電時(shí)間數(shù)據(jù)條數(shù)可達(dá)13.1萬(wàn)條。

同時(shí)，為了保證Flash的寫入壽命，所有記錄數(shù)據(jù)采用連續(xù)滾動(dòng)方式寫入Flash。

2.4 低功耗電源電路

設(shè)備采用28 V直流電源供電，需設(shè)計(jì)供電電池向設(shè)備供電。供電電池采用直流3.7 V輸出，需將直流28 V電源轉(zhuǎn)換為+5 V電源供電，再由5 V轉(zhuǎn)換為設(shè)備所需的3.3 V直流電源。因?yàn)殡娫茨K分化成微單元，每一路電源輸出都可以在開關(guān)的控制下進(jìn)行輸出與斷開。設(shè)備電源網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4 設(shè)備電源網(wǎng)絡(luò)示意圖

直流電源設(shè)備選用URF2405LP-20WR3，該電源設(shè)備輸入范圍為9～36 V，最大輸出電流4 A。為了提供設(shè)備的安全性，在直流電源28 V的輸入端設(shè)計(jì)自恢復(fù)保險(xiǎn)絲及防反接電路。此5 V電源同時(shí)用作鋰電池充電和設(shè)備功能電路供電。

使用專用的單芯鋰離子電池充電管理芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池的充放電管理，該芯片可以在5 V輸入條件下達(dá)到約90%的轉(zhuǎn)換效率，可以最大3 A的電流為電池充電。芯片自帶電源管理功能，可同時(shí)為后級(jí)電路提供3.5～4.6 V的直流電源輸出。

充電管理芯片輸出的3.5～4.6 V直流電源通過(guò)DC/DC電源芯片轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的3.3 V直流電源為主控單元、傳感器單元、存儲(chǔ)單元供電。

電路中包含一片獨(dú)立的雙輸出LDO芯片，此芯片用于將直流電源設(shè)備輸出的5 V電源降壓為3.3 V和1.8 V電源，此兩路電源為網(wǎng)絡(luò)接口和管理接口相關(guān)電路供電。故在無(wú)外部28 V電源輸入時(shí)，網(wǎng)絡(luò)接口和管理接口相關(guān)電路不能工作。

根據(jù)模塊各功能電路的設(shè)計(jì)，對(duì)整機(jī)在電池供電模式下的功耗進(jìn)行估計(jì)，估計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 電路功耗估計(jì)表

電池供電時(shí)，按照振動(dòng)監(jiān)測(cè)持續(xù)工作，溫濕度、氣壓監(jiān)測(cè)間隔1 800 s，每次工作5 s預(yù)估。BD授時(shí)按每10天工作1次，每次工作10分鐘預(yù)估。以太網(wǎng)和RS422接口關(guān)閉。

2.5 授時(shí)電路

環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊在長(zhǎng)時(shí)間無(wú)網(wǎng)絡(luò)連接的環(huán)境中持續(xù)工作時(shí)，時(shí)鐘基準(zhǔn)由設(shè)備自身的晶體振蕩器提供。但晶體振蕩器隨著工作時(shí)間的推移會(huì)產(chǎn)生累積誤差。為了消除時(shí)間累積誤差，模塊集成了北斗授時(shí)電路，為模塊的本地時(shí)鐘提供精準(zhǔn)的校準(zhǔn)時(shí)鐘基準(zhǔn)。模塊采用的授時(shí)電路具有靈活的模式選擇，可以工作在GPS、北斗和GPS/北斗聯(lián)合授時(shí)3種模式下，同時(shí)該電路不僅具有優(yōu)異的PPS波動(dòng)指標(biāo)，可達(dá)到<10 ns的量級(jí)，而且可輸出專用閏秒，時(shí)時(shí)刻刻關(guān)注閏秒的變化情況，在剛開機(jī)時(shí)刻可用來(lái)判斷初始化時(shí)間的有效性。在硬件設(shè)計(jì)上采用TTL電平的UART通訊模式，可直接與MCU的UART接口相連，一定程度上簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)上的復(fù)雜度。圖5為北斗設(shè)備接口原理圖。

圖5 BD授時(shí)設(shè)備接口原理

2.6 接口電路

如圖6和圖7所示，環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊具備以太網(wǎng)和RS422接口，主要包括1路10 M/100 Mbps網(wǎng)絡(luò)接口[16]、RS422串口和LED數(shù)碼管顯示接口；其中以太網(wǎng)和RS422通訊接口[18]用于接收外部控制器的操作指令并依據(jù)操作指令完成相應(yīng)的功能控制和處理。顯示方面，模塊自身提供本次上電時(shí)間和累計(jì)上電時(shí)間顯示，因?yàn)槠滹@示內(nèi)容全為數(shù)字形式，故而選擇經(jīng)濟(jì)且成熟的LED數(shù)碼管顯示方案。顯示接口在工作時(shí)，LED數(shù)碼管交替顯示本次通電時(shí)間和總計(jì)通電時(shí)間信息，用戶可以通過(guò)LED數(shù)碼管下方的獨(dú)立通電時(shí)間指示燈判斷當(dāng)前顯示的是本次通電時(shí)間還是總計(jì)通電時(shí)間。通電時(shí)間顯示僅有外部28 V直流供電時(shí)提供。

圖6 以太網(wǎng)接口電路

圖7 RS-422接口電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件主要功能結(jié)構(gòu)

環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊的軟件為基于MCU的嵌入式軟件，軟件功能結(jié)構(gòu)如圖8所示。硬件管理通過(guò)調(diào)用硬件邏輯層的硬件接口訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備層的訪問(wèn)，包括硬件設(shè)備的初始化、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)發(fā)送與接收等，完成所有硬件設(shè)備的自檢測(cè)試并回報(bào)自檢結(jié)果碼，供上位機(jī)解析完成故障狀態(tài)顯示。硬件管理單元依據(jù)設(shè)備RTC數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄上、下電工作時(shí)間，統(tǒng)計(jì)本次上電工作時(shí)間與累計(jì)上電工作時(shí)間，并通過(guò)顯示電路完成信息顯示。

圖8 軟件功能結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)管理層完成設(shè)備工作時(shí)間參數(shù)的設(shè)置與狀態(tài)管理，設(shè)置設(shè)備的默認(rèn)參數(shù)，包括采樣周期、工作狀態(tài)等。外部控制器通過(guò)RS422接口連接到設(shè)備后，以太網(wǎng)通訊狀態(tài)會(huì)自動(dòng)切換為不響應(yīng)狀態(tài)，直到外部控制器發(fā)送控制指令并斷開與RS422接口的連接。外部控制器通過(guò)RS422接口對(duì)設(shè)備的參數(shù)與工作狀態(tài)進(jìn)行控制，主要包括在初始化狀態(tài)下設(shè)置環(huán)境監(jiān)測(cè)采樣周期等參數(shù)和通過(guò)以太網(wǎng)/RS422接口裝訂、啟動(dòng)、切換待機(jī)狀態(tài)和采樣狀態(tài)，啟動(dòng)進(jìn)入?yún)?shù)采集狀態(tài)后設(shè)置參數(shù)不可再進(jìn)行更改，直到采集工作結(jié)束/管理員密碼訪問(wèn)人工停止后才能重新更改狀態(tài)和設(shè)置。

3.2 軟件主要功能描述

軟件主要包含以下幾種功能：

1)設(shè)備自檢功能：模塊上電完成自檢測(cè)試并記錄自檢結(jié)果。環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊還可通過(guò)以太網(wǎng)或RS422接口接收自檢指令并完成自檢測(cè)試并回報(bào)自檢結(jié)果碼。

2)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)功能：可對(duì)被監(jiān)測(cè)設(shè)備存貯、使用和運(yùn)輸狀態(tài)的環(huán)境溫度、濕度、大氣壓、振動(dòng)等數(shù)據(jù)按照設(shè)定的采樣周期定時(shí)監(jiān)測(cè)并同時(shí)與監(jiān)測(cè)時(shí)間保存在環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊中。

3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能：模塊通過(guò)內(nèi)置存儲(chǔ)器存儲(chǔ)采樣數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)可根據(jù)指令進(jìn)行清除，也可以在上次記錄數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上循環(huán)記錄。

4)數(shù)據(jù)傳輸功能：所有已保存的測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)或RS422接口迅速傳輸?shù)酵獠吭O(shè)備。

5)通電時(shí)間記錄功能：通過(guò)MCU的RTC獲得絕對(duì)時(shí)間，通過(guò)北斗授時(shí)設(shè)備完成授時(shí)操作，依據(jù)上、下電工作時(shí)間記錄并顯示本次通電時(shí)間和累計(jì)通電時(shí)間。

6)授時(shí)功能：通過(guò)與北斗授時(shí)電路的通訊完成環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊的授時(shí)，即依據(jù)北斗授時(shí)電路的時(shí)間數(shù)據(jù)更新MCU的RTC時(shí)鐘。通過(guò)以太網(wǎng)接口對(duì)外提供授時(shí)數(shù)據(jù)信息，完成對(duì)其他設(shè)備的授時(shí)操作。

7)系統(tǒng)管理功能：提供模塊的參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)切換與管理。

3.3 軟件實(shí)現(xiàn)流程圖

軟件采用多線程的方式進(jìn)行調(diào)度，完成環(huán)境參數(shù)測(cè)量、環(huán)境參數(shù)存儲(chǔ)、環(huán)境參數(shù)發(fā)送、管理接口指令響應(yīng)、網(wǎng)絡(luò)通訊接口響應(yīng)等操作。

當(dāng)環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊采用外部供電模式工作時(shí)，保持模塊原有設(shè)置，同時(shí)為自帶鋰電池充電。模塊首次使用時(shí)，通過(guò)以太網(wǎng)接口訪問(wèn)模塊，進(jìn)行初始狀態(tài)與參數(shù)設(shè)置，然后啟動(dòng)工作。設(shè)備非首次使用時(shí)，模塊保持已設(shè)置工作狀態(tài)，完成環(huán)境參數(shù)測(cè)量并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，通過(guò)以太網(wǎng)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。圖9為軟件工作流程圖，上電完成硬件初始化后記錄一次上電時(shí)間，當(dāng)硬件自檢正常后讀取和設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，開始系統(tǒng)調(diào)度工作。

圖9 軟件工作流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本設(shè)計(jì)環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊在專業(yè)環(huán)境實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了溫濕度測(cè)量、大氣壓力測(cè)量、加速度測(cè)量、北斗授時(shí)精度測(cè)試等性能試驗(yàn)，測(cè)試環(huán)境如圖10所示。

圖10 溫濕度測(cè)試環(huán)境

溫度測(cè)量試驗(yàn)步驟及測(cè)試數(shù)據(jù)如下所示：

1)實(shí)驗(yàn)前在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下對(duì)樣品外觀、結(jié)構(gòu)進(jìn)行目視檢查，并檢測(cè)功能性能。

2)將樣品放置線性快速溫度變化試驗(yàn)箱、高低溫濕熱試驗(yàn)箱內(nèi)，按照指標(biāo)要求對(duì)樣品施加規(guī)定的高低溫實(shí)驗(yàn)應(yīng)力。記錄數(shù)據(jù)如表2和表3所示。

表2 溫度測(cè)試數(shù)據(jù) ℃

表3 濕度測(cè)試數(shù)據(jù) %

大氣壓力測(cè)量試驗(yàn)步驟及測(cè)試數(shù)據(jù)如下所示：

1)實(shí)驗(yàn)前在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下對(duì)樣品外觀、結(jié)構(gòu)進(jìn)行目視檢查，并檢測(cè)功能性能。

2)將樣品放置在如圖11所示的高低溫低氣壓試驗(yàn)箱內(nèi)，按照指標(biāo)要求對(duì)樣品施加規(guī)定的低氣壓試驗(yàn)應(yīng)力。記錄數(shù)據(jù)如表4所示。

圖11 低氣壓測(cè)試環(huán)境

表4 壓強(qiáng)測(cè)試數(shù)據(jù)

加速度測(cè)量試驗(yàn)步驟及測(cè)試數(shù)據(jù)如下所示：

1)實(shí)驗(yàn)前在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下對(duì)樣品外觀、結(jié)構(gòu)進(jìn)行目視檢查，并檢測(cè)功能性能。

2)將樣品放置在如圖12所示的離心式恒加速度試驗(yàn)臺(tái)上，按照指標(biāo)要求對(duì)樣品施加規(guī)定的加速度試驗(yàn)應(yīng)力。記錄數(shù)據(jù)如表5所示。

圖12 振動(dòng)測(cè)試環(huán)境

表5 振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù) g

北斗衛(wèi)星授時(shí)時(shí)間精度測(cè)試：本測(cè)試實(shí)驗(yàn)步驟較為簡(jiǎn)單，將模塊的本地時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)北京時(shí)間對(duì)比求出誤差即可。

表6 北斗衛(wèi)星測(cè)試數(shù)據(jù)

電池實(shí)際功耗測(cè)試：將模塊監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集周期設(shè)置為1 800 s，斷開外部28 V供電。連續(xù)12個(gè)月持續(xù)檢測(cè)內(nèi)部電池電壓下降數(shù)據(jù)，并通過(guò)電壓/電量換算公式計(jì)算得到內(nèi)部電池電量消耗情況如圖13所示。

圖13 電池電量消耗曲線圖

從以上試驗(yàn)的測(cè)試數(shù)據(jù)和測(cè)試結(jié)果可以看出，本設(shè)計(jì)環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)要求，可以實(shí)現(xiàn)自主長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文論述了超低功耗自守時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊的系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，通過(guò)微處理器作為核心控制器對(duì)各類傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)和傳輸。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)武器裝備和保障設(shè)備在使用、運(yùn)輸、貯存中所處環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)。該設(shè)備可使用在多個(gè)方面，具有較高的應(yīng)用價(jià)值，為裝備所處環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了一種成熟方案。