基于Arduino的裝備維修示教系統(tǒng)研制

崔新友++吳勇++李林濤

摘要：為了解決復(fù)雜電子裝備維修教學(xué)過程中，成本過高，效果不好的問題，研究了基于Arduino的裝備維修示教系統(tǒng)。通過對目標(biāo)裝備電路板仿真與重新設(shè)計(jì)，在保持電路基本功能和電路板外部特性進(jìn)行不變的基礎(chǔ)上，以Arduino Mega2560微控制板為核心，以Greatal液晶觸摸顯示屏為交互設(shè)備，設(shè)計(jì)了信號調(diào)理電路、故障設(shè)置電路，實(shí)現(xiàn)了故障植入、關(guān)鍵點(diǎn)信號監(jiān)測等功能。

關(guān)鍵詞：裝備維修；示教系統(tǒng)

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）32-0043-02

1概述

在對復(fù)雜電子裝備進(jìn)行維修教學(xué)的過程中，主要培養(yǎng)學(xué)員根據(jù)故障現(xiàn)象，分析故障原因，檢測關(guān)鍵點(diǎn)的參數(shù)，查找故障點(diǎn)的能力。在學(xué)員訓(xùn)練過程中，如果使用實(shí)裝進(jìn)行維修訓(xùn)練，主要存在以下問題：1）訓(xùn)練過程中損壞情況比較嚴(yán)重，降低了裝備的壽命；2）實(shí)裝內(nèi)部比較狹小，不方便檢測；3）實(shí)裝價(jià)格昂貴，開設(shè)多組同時(shí)進(jìn)行訓(xùn)練，成本過高。

我們研制的某型裝備維修示教系統(tǒng)采用電路仿真技術(shù)，對原電路進(jìn)行仿真與重新設(shè)計(jì)，在保持電路基本功能和電路板外部特性進(jìn)行不變的基礎(chǔ)上，以Arduino控制板為核心，增加故障植入[1]與關(guān)鍵點(diǎn)信號監(jiān)控功能。教學(xué)過程中，教員可以通過跳線或動(dòng)態(tài)植入的方法預(yù)先設(shè)置電路故障，學(xué)員在進(jìn)行維修過程中，可以通過屏幕實(shí)時(shí)的查看關(guān)鍵點(diǎn)信號參數(shù)，便于學(xué)員進(jìn)行檢測和維修訓(xùn)練。

2研究方案

2.1 系統(tǒng)硬件總體框架

系統(tǒng)硬件總體框架如圖1所示，以Arduino Mega2560微控制板為核心，其他模塊主要包括：信號調(diào)理電路、故障設(shè)置電路、Greatal液晶觸摸顯示屏、電源模塊等。

目標(biāo)電路被重新設(shè)計(jì)，在保持其關(guān)鍵點(diǎn)特征的前提下，將故障設(shè)置電路和信號調(diào)理電路與其進(jìn)行連接。Arduino Mega2560微控制板通過數(shù)字接口控制故障設(shè)置電路繼電器接通和斷開，通過A/D接口采集信號調(diào)理電路的波形，通過串口對Greatal液晶觸摸顯示屏進(jìn)行雙向互動(dòng)。Arduino Mega2560微控制板主要完成四方面的工作：一是控制故障設(shè)置電路根據(jù)需要實(shí)時(shí)的設(shè)置電路故障；二是通過A/D口和數(shù)字接口，從信號調(diào)理電路實(shí)時(shí)測量關(guān)鍵點(diǎn)信號；三是對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和處理；四是通過串口控制液晶顯示器顯示測量結(jié)果，接收液晶屏傳輸?shù)男盘枴?/p>

圖1 系統(tǒng)硬件總體框架

2.2微控制器的選擇

Arduino是一個(gè)開放源代碼的硬件項(xiàng)目平臺，該平臺包括一塊具備基本I/O功能的電路板和一套程序開發(fā)環(huán)境[2]。為了針對不同領(lǐng)域的應(yīng)用，目前Arduino設(shè)計(jì)出很多不同的型號的電路板。根據(jù)項(xiàng)目A/D模塊、D/A模塊、顯示模塊的需要，我們選擇的電路板是Arduino Mega2560。Arduino Mega2560具有54個(gè)數(shù)字I/O口，16個(gè)模擬I/O扣，4對串行數(shù)據(jù)通信口，一個(gè)復(fù)位開關(guān)，一個(gè)ICSP下載口，支持USB接口和直流電源供電。

使用Arduino控制板主要進(jìn)行模擬電壓的讀取、顯示屏的控制，使用的主要函數(shù)如下：

1） pinMode（pin，mode）

pinMode函數(shù)用于配置引腳為輸出或輸入模式[2]。

2）analogReference（type）

analogReference函數(shù)的作用是配置模擬引腳的參考電壓。在嵌入式應(yīng)用中，引腳獲取模擬電壓值之后，將根據(jù)參考電壓將模擬值轉(zhuǎn)換到0～1023[2]。

3）analogRead（pin）

analogRead函數(shù)用于讀取引腳的模擬量電壓值，每讀一次需要花100?s的時(shí)間。返回值為int型，表示引腳的模擬量電壓值，參數(shù)范圍0～1023[2]。

4）digitalWrite（pin，value）

digitalWrite函數(shù)用于設(shè)置引腳的輸出電壓為高電平或低電平[2]。

2.3液晶模塊的選擇

相對于傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)1602液晶顯示模塊，我們采用的Greatal可編程智能LCD（Programmable Smart LCD，簡稱PS-LCD）具有更大的優(yōu)勢：1）直觀的界面設(shè)計(jì)，無需圖形編程知識，如圖2所示，可直接使用配套的組態(tài)式編輯軟件Designer進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)，并能進(jìn)行模擬運(yùn)行；2）采用串口通信，通信格式簡單，編程使用javascript腳本語言，更加靈活；3）屏幕尺寸多樣，分辨率高，具備觸摸、連接鼠標(biāo)等功能。

系統(tǒng)的界面如圖2所示，主要包括信號監(jiān)控區(qū)和故障設(shè)置區(qū)，信號監(jiān)控區(qū)可以監(jiān)控一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)波形和6個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)電壓。

3解決的關(guān)鍵問題

3.1關(guān)鍵點(diǎn)電壓監(jiān)測

電壓測量電路是典型的調(diào)理電路，其電路如圖3所示。被測信號經(jīng)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)、電壓跟隨器、限幅電路和濾波電路后送A/D電路測量。

圖3 電壓測量電路

R1和R2組成的分壓電路，用于對輸入信號進(jìn)行分壓，以保證最后送入A/D接口的電壓不超過其測量范圍；運(yùn)算放大器通過將輸出端與反向輸入端相連接，由于運(yùn)算放大器輸入端具有的虛短效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電壓跟隨的效果，即輸入電壓和輸出電壓大小差別不大；R3為限流電阻；V1和V2兩個(gè)穩(wěn)壓二極管反向相連構(gòu)成限幅電路，用于對A/D輸入雙向限幅，確保A/D輸入電壓不會超出，電容C1起濾波作用。

在對Arduino單片機(jī)進(jìn)行編程時(shí)，按如圖4所示流程進(jìn)行：其中，第1步用analogRead函數(shù)讀取電壓整數(shù)值；第2步將電壓整數(shù)轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)數(shù)，然后根據(jù)R1和R2的阻值，計(jì)算對應(yīng)的模擬電壓；第3步用dtostrf（）函數(shù)將模擬電壓轉(zhuǎn)換成字符串；第4步用sprintf（）函數(shù)將格式化液晶控制字符串。之所以通過兩步完成字符串的格式化，主要是因?yàn)槭褂胹printf（）函數(shù)不能直接格式化浮點(diǎn)數(shù)，必須使用dtostrf（）。

3.2 動(dòng)態(tài)控制繼電器

由圖2可以看出，故障設(shè)置和關(guān)鍵點(diǎn)波形的監(jiān)控，需要使用液晶顯示屏上的控件進(jìn)行交互，其主要步驟如圖5所示。

4總結(jié)

我們基于ArduinoMega2560開發(fā)的裝備維修示教系統(tǒng)具有界面友好、可以動(dòng)態(tài)設(shè)置故障、目標(biāo)電路外部特性和原電路相同的優(yōu)點(diǎn)，非常適合復(fù)雜裝備維修教學(xué)。雖然使用Arduino降低了系統(tǒng)開發(fā)難度，但開發(fā)難度依然較大，特別是對目標(biāo)電路仿真與重新設(shè)計(jì)需要對原電路工作原理理解透徹的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1] 崔新友. 電路板故障植入與知識自動(dòng)獲取研究[J].電腦知識與技術(shù)，2016（7）.

[2] 程晨.Arduino開發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.