信號(hào)微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)板卡故障定位儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

林勇奇，袁陽平，溫海桂

（南寧鐵路局南寧電務(wù)段，1.高級(jí)工程師；2.工程師，廣西 南寧 530001）

信號(hào)微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是鐵路行車安全的重要監(jiān)測(cè)設(shè)備。長(zhǎng)期以來，信號(hào)微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備的故障板件采用寄回廠家維修的方式，由此發(fā)生的維修費(fèi)用巨大，并因送修板卡維修周期及往返路程所需時(shí)間長(zhǎng)不能及時(shí)返回，造成信號(hào)微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的板卡出現(xiàn)故障后不能得到及時(shí)更換，嚴(yán)重影響了設(shè)備的正常使用，影響了信號(hào)維修人員對(duì)信號(hào)微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信任。要改變這種狀況必須建立自己的板卡維修基地，依靠自己的力量對(duì)信號(hào)微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行維修，以達(dá)到降低維修成本，提高設(shè)備運(yùn)用質(zhì)量，使信號(hào)微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成為信號(hào)設(shè)備維護(hù)的有力工具。

板卡維修的關(guān)鍵在于板卡故障的定位，但是現(xiàn)有的測(cè)試手段落后，信號(hào)微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)生產(chǎn)商提供的板卡檢測(cè)機(jī)柜，只能判斷板卡有無故障，而無法對(duì)具體的故障點(diǎn)進(jìn)行定位，在市場(chǎng)上也找不到類似功能的設(shè)備。因此，迫切需要研制一臺(tái)能對(duì)板卡故障點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位的信號(hào)微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)板卡故障定位儀，使不具備太多微電子電路知識(shí)的維修人員，經(jīng)過簡(jiǎn)短的培訓(xùn)后，利用儀器可以迅速準(zhǔn)確地對(duì)故障板卡的故障點(diǎn)進(jìn)行定位，找出故障芯片實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)維修。

1 儀器功能

故障定位儀應(yīng)能滿足板卡維修的實(shí)際需要，具有板卡檢測(cè)、板卡故障點(diǎn)定位及儀器的自保護(hù)功能。

1.1 板卡檢測(cè)功能 儀器能檢測(cè)信號(hào)微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集機(jī)柜中的CPU板、開入板、開出板、模入板、絕緣接口板和互感器板共六大類采集板卡，并確認(rèn)被測(cè)板卡是否存在故障。

1.2 故障定位功能 儀器對(duì)故障板卡通過控制檢測(cè)信號(hào)的加載，對(duì)板卡相應(yīng)的輸出信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障板卡的故障點(diǎn)進(jìn)行定位，確定故障芯片或元件。

1.3 過載保護(hù)功能 能檢測(cè)被測(cè)板卡是否存在電源短路故障，防止因被測(cè)板卡電源短路過載拉低系統(tǒng)的電壓或電流，出現(xiàn)儀器工作不穩(wěn)定的情況。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用主從式控制結(jié)構(gòu)，由1個(gè)上位機(jī)和3個(gè)下位機(jī)構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

上位機(jī)是系統(tǒng)的控制中心，下位機(jī)是控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，3個(gè)下位機(jī)分別是1#下位機(jī)“測(cè)試信號(hào)控制系統(tǒng)”、2#下位機(jī)“CAN通信和模擬量采集控制系統(tǒng)”、3#下位機(jī)“總線驅(qū)動(dòng)與芯片邏輯信號(hào)采集系統(tǒng)”，均采用51系列單片機(jī)控制。

2.1 上位機(jī) 采用三星公司的ARM 9嵌入式MCU S3C2440為核心的嵌入式平板電腦作為控制主機(jī)，是儀器的控制核心。該嵌入式平板電腦，處理器S3C2440主頻為400 MHz，板載64MB SDRAM、256 MB Nand Flash和2MB Nor Flash，LCD是一塊支持800×600分辨率的觸摸屏用作人機(jī)交互界面。此外，向用戶提供1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口和3個(gè)TTL串行口、1個(gè)100 M網(wǎng)卡接口、1個(gè)Jtag接口、1個(gè)USB接口以及一個(gè)自帶備用電池的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。上位機(jī)根據(jù)操作人員選擇的操作（檢測(cè)）項(xiàng)目，通過RS232串行口分別向3個(gè)下位機(jī)發(fā)出控制調(diào)度命令，并對(duì)下位機(jī)采集的信息進(jìn)行處理，得出結(jié)論，輸出結(jié)果。

2.2 1#下位機(jī)（測(cè)試信號(hào)控制系統(tǒng)） 采用1片STC11F32XE單片機(jī)進(jìn)行控制，用于控制測(cè)試信號(hào)的分配，根據(jù)測(cè)試板卡的不同和測(cè)試項(xiàng)目的不同，控制繼電器陣列向被測(cè)板卡提供不同的測(cè)試信號(hào)。1#機(jī)硬件電路見圖2。

圖2 1#下位機(jī)硬件框圖

2.3 2#下位機(jī)（CAN通信和模擬量采集控制系統(tǒng)）采用1片具有8路10位A/D轉(zhuǎn)換通道的單片機(jī)STC12C5A16AD進(jìn)行控制，用于對(duì)CPU板進(jìn)行CAN通信通道檢測(cè)，完成板卡測(cè)試過程中板卡電源短路檢測(cè)及對(duì)模擬量采集板卡檢測(cè)的A/D轉(zhuǎn)換任務(wù)。2#機(jī)硬件電路見圖3。

圖3 2#下位機(jī)硬件框圖

2.4 3#下位機(jī)（總線驅(qū)動(dòng)與芯片邏輯信號(hào)采集系統(tǒng)） 采用1片STC11F32XE單片機(jī)進(jìn)行控制，用于向被測(cè)板卡提供控制總線、地址總線和數(shù)據(jù)總線測(cè)試邏輯信號(hào)，并采樣芯片邏輯信號(hào)進(jìn)行分析處理。3#機(jī)硬件電路見圖4。

圖4 3#下位機(jī)硬件框圖

3 控制軟件

系統(tǒng)控制軟件由上位機(jī)控制軟件及下位機(jī)控制軟件構(gòu)成，系統(tǒng)采用集中調(diào)度、分散控制方式。上位機(jī)通過RS232總線與下位機(jī)進(jìn)行交互命令及數(shù)據(jù)通信，下位機(jī)根據(jù)上位機(jī)的控制命令及命令參數(shù)，分別完成各自不同的控制任務(wù)。

3.1 上位機(jī)控制軟件 上位機(jī)軟件工作平臺(tái)為W in CE5.0嵌入式操作系統(tǒng)，采用C++語言進(jìn)行編程。軟件系統(tǒng)采用事件觸發(fā)工作模式，操作人員對(duì)被測(cè)板卡的選擇、板卡檢測(cè)項(xiàng)目選擇等操作，均通過觸摸屏人機(jī)界面進(jìn)行導(dǎo)航。操作人員點(diǎn)觸人機(jī)交互按鈕操作引發(fā)按鈕事件，若是導(dǎo)航按鈕則根據(jù)選擇更新導(dǎo)航頁面窗口，若是項(xiàng)目檢測(cè)操作按鈕，將從檢測(cè)流程庫中得到一個(gè)檢測(cè)流程表。根據(jù)檢測(cè)流程表按一定的時(shí)序，分別向3個(gè)下位機(jī)發(fā)送控制命令和控制參數(shù)，并對(duì)下位機(jī)采集到的板卡芯片、信號(hào)通道的邏輯信號(hào)、模擬電壓等檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析和判斷，定位故障點(diǎn)，并將檢測(cè)結(jié)果顯示出來。上位機(jī)主控程序如圖5所示。

圖5 主控程序流程圖

3.2 下位機(jī)控制軟件 下位機(jī)采用C51語言進(jìn)行編程，系統(tǒng)采用事件觸發(fā)、命令驅(qū)動(dòng)工作方式。將串口中斷設(shè)置為最高級(jí)中斷，平時(shí)單片機(jī)工作于休眠狀態(tài)，當(dāng)單片機(jī)發(fā)生串口接收事件后，串口中斷將單片機(jī)從休眠狀態(tài)喚醒，核對(duì)系統(tǒng)特征之后，接收后續(xù)命令幀。對(duì)命令幀進(jìn)行命令的鑒別和處理：判斷是否為本機(jī)命令，若是則根據(jù)不同的命令及控制參數(shù)，執(zhí)行不同的控制任務(wù)；否則放棄當(dāng)前接收到的命令，等待下一個(gè)命令。下位機(jī)的控制程序如圖6所示。

圖6 下位機(jī)命令處理程序流程圖

4 主要特點(diǎn)

基于S3C2440為核心的嵌入式平板電腦的微機(jī)監(jiān)測(cè)板卡故障定位儀，實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)板卡故障的檢測(cè)與故障點(diǎn)定位，成為板卡維修的得力工具。

4.1 界面友好易于操作 觸摸屏人機(jī)界面參照專業(yè)微電子電路維修人員檢查電路故障的思路、方法、策略和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行導(dǎo)航，操作人員不需太多的微電子電路維修知識(shí)即可操作，儀器使用容易掌握。

4.2 自動(dòng)化程度高 板卡測(cè)試過程中，大部分測(cè)試信號(hào)的加載和測(cè)試數(shù)據(jù)的采集，均在程序控制下自動(dòng)完成。

4.3 故障定位準(zhǔn)確 對(duì)板卡的數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線芯片，采用芯片測(cè)試夾直接進(jìn)行邏輯采樣分析測(cè)試，確定故障芯片；對(duì)輸入輸出通道故障，通過向指定通道發(fā)送測(cè)試信號(hào)檢測(cè)通道中的電路節(jié)點(diǎn)，根據(jù)信號(hào)的變化狀態(tài)來定位故障點(diǎn)；對(duì)CPU板和絕緣接口板，則通過芯片引腳信號(hào)比對(duì)方式定位故障點(diǎn)。

4.4 具有較高的穩(wěn)定性和抗干擾能力 多嵌入式系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，各個(gè)嵌入式系統(tǒng)硬件緊湊，各司其職，互不干擾。所有單片機(jī)都工作在無外部總線的單片方式，且平時(shí)無命令執(zhí)行時(shí)處于休眠狀態(tài)，有效防止干擾信號(hào)從總線進(jìn)入。采用獨(dú)立硬件看門狗電路，防止程序跑飛，使系統(tǒng)具有良好的容錯(cuò)功能。

4.5 系統(tǒng)擴(kuò)展升級(jí)方便 建立了每一種類型板卡的檢測(cè)流程庫，設(shè)定每一個(gè)檢測(cè)流程的輸入、輸出命令表，根據(jù)命令表完成對(duì)故障板卡的檢測(cè)。當(dāng)增加新型板卡時(shí)，只需修改相應(yīng)的流程庫和命令表。建立了芯片邏輯檢測(cè)數(shù)據(jù)庫，通過對(duì)采集到的信號(hào)分析比對(duì)，定位故障點(diǎn)。若有新增的芯片需要檢測(cè)時(shí)，修改芯片邏輯檢測(cè)數(shù)據(jù)庫即可。

5 結(jié)束語

故障定位儀對(duì)信號(hào)微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備的六大類13種板卡均能進(jìn)行故障定位，儀器操作簡(jiǎn)單，人機(jī)界面友好。儀器于2009年12月投入使用，經(jīng)過近2年的使用證明，該板卡故障定位儀工作穩(wěn)定可靠，對(duì)板卡故障點(diǎn)的定位準(zhǔn)確，為對(duì)故障板卡進(jìn)行芯片級(jí)維修提供了準(zhǔn)確的依據(jù)，提高了板卡維修的效率與質(zhì)量，縮短了故障板卡的維修時(shí)間，極大地緩解了現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備因板卡故障造成待料維修的狀況。應(yīng)用該故障定位儀，可使電務(wù)段信號(hào)微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備由板卡級(jí)維護(hù)改進(jìn)為芯片級(jí)維護(hù)，降低維修成本，縮短修理時(shí)間，儀器完全滿足板卡維修的需要。該故障定位儀獲得南寧鐵路局2010年度科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。