基于ARM9的便攜式電子控制器檢測系統(tǒng)設(shè)計?

秦文姬，黃國兵，彭易博

（西安工程大學(xué)計算機(jī)科學(xué)學(xué)院，西安710048）

基于ARM9的便攜式電子控制器檢測系統(tǒng)設(shè)計?

秦文姬，黃國兵，彭易博

（西安工程大學(xué)計算機(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)動機(jī)的電子控制器的性能指標(biāo)和運行狀態(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方法，著重描述了該檢測系統(tǒng)的硬件平臺的研究與設(shè)計。系統(tǒng)采用了AT91SAM9263 ARM9微控制器為核心搭建硬件平臺，實現(xiàn)了AO、DI、DO等過程通道，以太網(wǎng)通訊技術(shù)作為傳輸手段，實現(xiàn)發(fā)動機(jī)運行的仿真參數(shù)的輸出和電子控制器運行狀態(tài)檢測和控制。實驗表明，該系統(tǒng)具有便攜、易操作、控制精度高和可靠性高等特點。

電子控制器；ARM 9處理器；過程通道；Linux移植；數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC7568

1　引　言

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)廠及用戶對便攜式檢測器的需求與日俱增。發(fā)動機(jī)作為飛機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備，其電子控制器檢測設(shè)備的研發(fā)成為該領(lǐng)域的研究熱點［1－3］。根據(jù)項目組實際調(diào)研，目前市場上發(fā)動機(jī)控制器的通用測試方法多采用多臺儀器聯(lián)合檢測法［4－5］。由于該方法使用設(shè)備過于龐大、所需測試條件不便利等因素，導(dǎo)致電子控制器測試不宜于現(xiàn)場在線檢測，必須在實驗室完成，以致檢測過程繁瑣，效率低下，很多方面已經(jīng)不能滿足用戶的需求。

針對上述存在的問題，開發(fā)設(shè)計了一款基于ARM9的便攜式電子控制器檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能仿真發(fā)動機(jī)產(chǎn)生試車參數(shù)，能夠在不使用發(fā)動機(jī)的情況下全面檢測控制器的控制功能，繪制檢測曲線，自動記錄檢測數(shù)據(jù)，存儲檢測數(shù)據(jù)，并可以查看和打印檢測報告，有效幫助檢測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)動機(jī)運行狀態(tài)曲線，對發(fā)動機(jī)的運行狀態(tài)進(jìn)行及時在線檢測。檢測時間短，準(zhǔn)確性高，能夠正確引導(dǎo)工作人員及時進(jìn)行調(diào)整和處理故障。

2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

該檢測系統(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芯片為核心專用計算機(jī)，通過AO和MUX分時向多個通道發(fā)送發(fā)動機(jī)啟動過程中的狀態(tài)參數(shù)，同時采用AI和DI過程通道實時采樣、顯示和記錄發(fā)動機(jī)啟動過程中的狀態(tài)參數(shù)，以便判斷發(fā)動機(jī)和電子控制器的工作狀態(tài)是否正常。同時，該計算機(jī)還需要下載并顯示電子控制器記錄的發(fā)動機(jī)運行狀態(tài)曲線，向電子控制器下載控制程序，指定當(dāng)前運行的控制程序。另外，使用DO過程通道實現(xiàn)信號選擇開關(guān)、通訊自檢信號控制開關(guān)、起動按鈕等功能。AI／O，DI／O過程通道需根據(jù)信號特征和實時性指標(biāo)專門設(shè)計。而計算機(jī)系統(tǒng)的異步串口、網(wǎng)口、USB、鍵盤、鼠標(biāo)、液晶顯示器等外設(shè)接口，采用開發(fā)板提供的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計方案即可。系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體框架圖

3　硬件電路設(shè)計

3．1ARM9 CPU板和周邊電路設(shè)計

作為整個硬件系統(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，在這里重點介紹一下相對復(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。

3．1．1CPU核心板的選擇及接口電路

作為整個硬件平臺的核心，CPU的選擇至關(guān)重要。基于安米公司MDK9263核心板上擴(kuò)展了存儲器使得軟件系統(tǒng)可以直接運行，這樣硬件平臺的設(shè)計就直接簡化為外部通道擴(kuò)展設(shè)計，大大節(jié)省了產(chǎn)品設(shè)計周期。因此，為簡化硬件系統(tǒng)設(shè)計，項目組采用該核心板作為硬件平臺的中央處理器。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［7－11］。

MDK9263核心板通過兩個100針1．27間距的雙排連接器實現(xiàn)GPIO和外設(shè)控制器信號引出。根據(jù)應(yīng)用需要，模板使用其中的部分信號，包括GPIO、SPI、網(wǎng)絡(luò)、TFT、JTAG等。與MDK9263核心板對接的連接器電路原理圖如圖2所示。

3．1．2RS232接口

為了實現(xiàn)目標(biāo)機(jī)信息下載和應(yīng)用軟件上傳，主板設(shè)計了一個RS232接口與目標(biāo)機(jī)通信。另外，為了實現(xiàn)Linux操作系統(tǒng)的超級終端接口，同時擴(kuò)展了另一路RS232接口，兩個接口可以并行工作。

RS232接口電路采用SP202E實現(xiàn)，該芯片實現(xiàn)了2組收發(fā)信號的電平轉(zhuǎn)換，正好可以實現(xiàn)兩個簡化的RS232通道接口。

3．1．3USB接口擴(kuò)展

由于檢測系統(tǒng)的鼠標(biāo)、鍵盤、打印機(jī)、U盤均需要USB接口連接，而AT91SAM9263自身只有兩個主方式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。方法是通過一個USB HUB（1：2）電路擴(kuò)展出來兩個USB接口，這兩個接口用于連接鍵盤和鼠標(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、鍵盤和鼠標(biāo)。

3．2電源系統(tǒng)設(shè)計

整個檢測儀的電源設(shè)計分為外部供電設(shè)計和內(nèi)部電壓轉(zhuǎn)換設(shè)計。

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程中更容易找到供給電源，計劃采取雙電源供電方案（AC220V和DC27V）來解決外部供電問題。當(dāng)兩路電源都正常時，系統(tǒng)自動取其中一路電源供電；當(dāng)主供電源異常時，系統(tǒng)自動切換到備用電源工作。

內(nèi)部供電方案：檢測儀內(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)檢測系統(tǒng)內(nèi)部模塊的電源需求各不相同，計劃采用內(nèi)部電壓轉(zhuǎn)換模塊方案將＋27V轉(zhuǎn)化為各個模塊所需電壓來解決內(nèi)部供電問題。

圖2　與MDK9263核心板對接的連接器電路原理圖

根據(jù)上述電源設(shè)計方案，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)部空間有限會影響到主板的設(shè)計安裝。通過與用戶協(xié)商，最終采用AC220Vto27V電源適配器給檢測系統(tǒng)供電，這樣大大簡化了供電系統(tǒng)的設(shè)計。

最終采用的電源設(shè)計方案為：機(jī)箱上安裝一個3P的航空插頭接入27V電源，如果接入AC220V電源，則需通過電源適配器連接，否則可直接連接27V電源。

3．3過程通道設(shè)計

檢測系統(tǒng)的過程通道包括AO、DI和DO三大部分。AO過程通道的主要功能是將已經(jīng)采集好的發(fā)動機(jī)狀態(tài)參數(shù)，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成電子控制器能接收的模擬量。DI過程通道的主要功能是接收電子控制器反饋的發(fā)動機(jī)運行狀態(tài)信息。DO過程通道主要用于人機(jī)交互時的狀態(tài)設(shè)置。下面分別介紹這三個過程通道的工作原理。

3．3．1AO過程通道

檢測系統(tǒng)要同時或分時產(chǎn)生4臺發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速和溫度曲線，而這個過程需要用AO過程通道實現(xiàn)。根據(jù)項目需要輸出9路模擬量信號和CPU的接口資源，因此需采用兩片模數(shù)轉(zhuǎn)換器DAC7568擴(kuò)展實現(xiàn)。DAC7568內(nèi)部集成了8個獨立的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)計冗余度大。這里以其中2路模擬信號輸出為例介紹AO過程通道的工作原理，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，采用片選信號進(jìn)行分時訪問控制，圖3中的片選信號為PB15。SPI的時鐘線為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)輸入信號或者發(fā)動機(jī)傳感器輸出信號的特點，這里使用運算放大器對輸出信號的范圍進(jìn)行調(diào)整。DA輸出標(biāo)定時以DAC7568的滿碼值為準(zhǔn)，其輸出范圍為0－5V，對應(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過程通道

發(fā)動機(jī)的運動狀態(tài)是否正常以及是否要進(jìn)行切油工作或者進(jìn)入等待運行狀態(tài)，這些信號均由DI過程通道實現(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)需求，硬件平臺共需實現(xiàn)10路DI過程通道，用于采集監(jiān)視目標(biāo)機(jī)的輸出狀態(tài)。由于DI信號的驅(qū)動電平為27V，為了實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換，需采用光電耦合器將27V電源轉(zhuǎn)換到5V電源，并實現(xiàn)信號隔離，提高過程通道的抗干擾能力。

DI回路的限流電阻為3K，驅(qū)動光耦的電流約為9mA，符合光耦驅(qū)動電流的要求?；芈分械碾娙莺拖蘖麟娮铇?gòu)成RC濾波電路，過濾回路中的干擾信號。反接二極管用于保護(hù)光耦的發(fā)光管，在出現(xiàn)過高的反向電壓時，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。

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)通時采集點處于低電平，截止時處于高電平。光耦輸出的數(shù)字信號直接連接到CPU的GPIO引腳，實現(xiàn)輸入信號的采集訪問，DI過程通道實現(xiàn)原理如圖4所示。

圖3　AO過程通道工作原理圖

圖4　DI過程通道

3．3．3DO過程通道

DO過程通道主要實現(xiàn)人機(jī)交互時的狀態(tài)設(shè)置。通常情況下，檢測系統(tǒng)上的狀態(tài)設(shè)置多采用按鍵、旋鈕和波段開關(guān)設(shè)置。由于便攜式檢測系統(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，硬件上通過繼電器觸點給定設(shè)置狀態(tài)的方案解決此問題。

DO過程通道采用DS1E－S－24V繼電器進(jìn)行觸點信號輸出，該繼電器的線包能承受30V輸入電壓，直接采用檢測系統(tǒng)內(nèi)的27V電源驅(qū)動。電路中設(shè)計了一個200歐電阻進(jìn)行分壓，來降低線包兩側(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，在控制繼電器觸點打開時，放掉線包中儲存的電量，防止繼電器觸點不能分開或延遲分開。

為了推動繼電器分合，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)計開關(guān)量過程驅(qū)動通道可以大大簡化電路設(shè)計。CPU通過GPIO管腳控制繼電器的分合操作。光耦驅(qū)動采用74LVC125實現(xiàn)，提高GPIO管腳的驅(qū)動能力。DO通道的原理圖如圖5所示。

4　軟件設(shè)計

由于Linux免費開放源代碼，不僅顯著降低了嵌入式操作系統(tǒng)的使用成本，而且還能實現(xiàn)復(fù)雜程序的處理，因此Linux正在成為越來越多公司的軟件平臺［12－14］。本檢測系統(tǒng)以嵌入式Linux操作系統(tǒng)為軟件平臺，使用C和匯編語言編程。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)對功能、體積、資源等方面要求嚴(yán)格的特點，檢測系統(tǒng)根據(jù)軟硬件的需求，對Linux內(nèi)核進(jìn)行定制，裁掉多余的功能模塊，降低成本的同時提高了執(zhí)行效率［15－16］。這里以編譯裁剪和移植為例，其過程如下：

（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）為本開發(fā)平臺安裝廠家提供的補(bǔ)丁包，只有安裝過補(bǔ)丁的系統(tǒng)才能正常工作。

（5）更改時鐘頻率（18．432MHz），編譯bootstrap。

（6）為了適應(yīng)控制器設(shè)備硬件平臺，需要刪除原有配置，重新對Linux進(jìn)行相應(yīng)配置，并對相關(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Atmel AT91SAM9263，修改所需的其它配置及相關(guān)參數(shù)，然后對其進(jìn)行編譯生成zImage。首次編譯比較耗時，大約需要20分鐘。

圖5　DO過程通道電路原理圖

圖6　創(chuàng)建軟連接命令

圖7　配置命令

（7）在本平臺下需要將zImage編譯成uImage，復(fù)制mkimage到Linux對應(yīng)的boot目錄。

內(nèi)核經(jīng)裁剪后編譯形成鏡像文件，再通過超級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、生產(chǎn)好的硬件平臺，Linux操作系統(tǒng)能正常引導(dǎo)運行，超級終端顯示的信息正常。

5　測試和結(jié)論

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系統(tǒng)的電源設(shè)計以及過程通道問題，方便快捷地完成了電子控制器的現(xiàn)場檢測工作。下面給出了三個通道中最復(fù)雜的AO過程通道測試的實驗結(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DAC7568數(shù)模轉(zhuǎn)換實現(xiàn)模擬量輸出。對于SPI通信接口調(diào)試，采用邏輯跟蹤儀配合軟件開發(fā)人員監(jiān)視通信時序，檢驗軟件輸出波形的正確性，如圖8所示。軟件開發(fā)人員借助于Linux自帶的SPI驅(qū)動程序，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)計之后，和軟件開發(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)測試曲線，輸出測試采用高精度Fluke測試儀，檢驗輸出精度和響應(yīng)的實時性。

表1　AO過程通道標(biāo)定結(jié)果

圖8　邏輯跟蹤儀記錄的SPI通信時序圖

圖9　邏輯跟蹤儀記錄的SPI通信時序圖

6　結(jié)束語

實驗表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電子控制器參數(shù)的實時采集、傳輸、顯示，較好地完成了電子控制器的檢測工作。該系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了小型化和便攜化，而且能滿足檢測系統(tǒng)的分析性能要求，完全適用于電子控制器的現(xiàn)場檢測。

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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)練計劃項目

秦文姬（1981－），女，山西省臨縣人，講師／碩士，主研方向：計算機(jī)測控、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。

2015－12－22