基于型號(hào)裝備的數(shù)據(jù)終端設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王 丁，諸雪征，王宇光

(防化學(xué)院 防化裝備系,北京 102205)

基于型號(hào)裝備的數(shù)據(jù)終端設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王 丁，諸雪征，王宇光

(防化學(xué)院 防化裝備系,北京 102205)

文章結(jié)合某型防化裝備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以裝備信息采集、傳輸、處理和應(yīng)用需求為牽引，基于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，完成了防化裝備數(shù)據(jù)終端的軟硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，該終端能夠?qū)ρb備自檢數(shù)據(jù)、工作數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)和報(bào)警數(shù)據(jù)等進(jìn)行信息采集存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測，測試驗(yàn)證了其對某型裝備信息采集傳輸存儲(chǔ)的準(zhǔn)確性，能夠有效指導(dǎo)防化裝備研制改進(jìn)和供管修訓(xùn)等活動(dòng)，創(chuàng)新性地為后續(xù)應(yīng)用開發(fā)提供了基礎(chǔ)化、標(biāo)準(zhǔn)化的信息源。

嵌入式系統(tǒng);型號(hào)裝備; 數(shù)據(jù)終端；采集存儲(chǔ)

0 引言

圖1 嵌入式數(shù)據(jù)終端整體框架設(shè)計(jì)

某型車輛類防化裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，復(fù)合功能強(qiáng)，每個(gè)功能系統(tǒng)包含幾個(gè)到幾十個(gè)功能子系統(tǒng)并產(chǎn)生諸如工作參數(shù)、裝備狀態(tài)參數(shù)、故障參數(shù)等系統(tǒng)信號(hào)，裝備在使用訓(xùn)練、管理維修過程中對專業(yè)配套檢測維護(hù)設(shè)備依賴性強(qiáng)，對使用分隊(duì)、管理部門和維修機(jī)構(gòu)人員要求高。隨著微處理器技術(shù)的不斷發(fā)展，極大加速了嵌入式系統(tǒng)在裝備系統(tǒng)中的各項(xiàng)應(yīng)用。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)對防化裝備工作數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)和報(bào)警數(shù)據(jù)等及時(shí)采集傳輸并存儲(chǔ)的嵌入式數(shù)據(jù)終端，為上位機(jī)信息管理與分析系統(tǒng)提供基礎(chǔ)性和標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)，對于增強(qiáng)防化裝備使用效能、降低使用維護(hù)費(fèi)用、提高裝備管理效率具有重大意義。

1 系統(tǒng)框架及工作原理

設(shè)計(jì)該型號(hào)防化裝備數(shù)據(jù)終端框架，分析系統(tǒng)組成及其工作原理，為功能模塊的具體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

1.1 系統(tǒng)框架

該終端由信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集單元、嵌入式處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、總線通訊單元和嵌入式處理軟件組成。其信息采集對象主要是防化裝備使用訓(xùn)練、裝備管理和維修過程中的：1)工作信息，如車載輻射儀的輻射數(shù)據(jù)和報(bào)警數(shù)據(jù)，生物報(bào)警儀的監(jiān)測的濃度數(shù)值和溫度數(shù)值，毒劑報(bào)警器和拉曼光譜儀的化驗(yàn)數(shù)據(jù)及毒劑種類和所測概率濃度等；2)自檢信息，如偵察裝備探頭檢測數(shù)據(jù)，洗消裝備電壓檢測數(shù)據(jù)、其它核心部件的自檢數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)開關(guān)機(jī)時(shí)間等；3)狀態(tài)信息，如洗消裝備消耗器材的消耗量、潛水泵轉(zhuǎn)速、車輛行使里程、各部件的持續(xù)運(yùn)行時(shí)間、工況溫度等；4)故障信息，如裝備發(fā)生故障的部件部位、時(shí)間和故障碼等。

為使數(shù)據(jù)終端監(jiān)測和采集裝備信息時(shí)不會(huì)對裝備原有信號(hào)產(chǎn)生影響，需按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行各類接口設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)電磁兼容性，保證系統(tǒng)工作可靠性。同時(shí)針對防化裝備信息輸出特點(diǎn)，設(shè)計(jì)信息采集方式和通用信號(hào)調(diào)理部分，保證對多種信息源的適用性、兼容性和擴(kuò)展性，整體框架設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.2 工作原理

防化裝備信息參數(shù)的信號(hào)種類基本上可分為電壓、電流、壓力、流量、溫度、轉(zhuǎn)速以及頻率等，嵌入式數(shù)據(jù)終端通過連接裝備控制系統(tǒng)或在其相應(yīng)部位加裝傳感器，采集CAN、RS232或RS485總線信號(hào)便可獲取有關(guān)裝備數(shù)據(jù)信息。

根據(jù)裝備通用性要求，結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)，本數(shù)據(jù)終端采用基于板級(jí)的處理器，主要實(shí)現(xiàn)防化裝備各類信息的信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通訊和分類存儲(chǔ)等功能，信號(hào)調(diào)理單元對輸入信號(hào)通過矩陣輸入單元進(jìn)行切換，實(shí)現(xiàn)隔離、調(diào)理功能，以做到前端信號(hào)采集通用化；數(shù)據(jù)采集單元使用微處理器完成數(shù)據(jù)采集處理工作，通過專用總線連接各個(gè)采集模塊，將采集的信息進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將數(shù)字信號(hào)傳送給嵌入式處理器模塊；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元配合嵌入式軟件定期把數(shù)據(jù)按照協(xié)議格式進(jìn)行分類存儲(chǔ)，以備后期數(shù)據(jù)處理和分析使用；處理器模塊配合軟件實(shí)現(xiàn)對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)解析、處理、計(jì)算和分析等功能；總線通訊模塊實(shí)現(xiàn)對裝備數(shù)據(jù)總線的信息監(jiān)測和接收功能；嵌入式軟件控制各硬件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集分析、分類存儲(chǔ)、故障報(bào)警與顯示等功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

該防化裝備數(shù)據(jù)終端硬件設(shè)計(jì)主要包括外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模塊設(shè)計(jì)。

2.1 外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 前面板接口設(shè)計(jì)說明

前面板包括狀態(tài)指示燈、網(wǎng)口和USB接口。狀態(tài)指示燈可顯示電源狀態(tài)、故障指示及預(yù)警等信息狀態(tài)；網(wǎng)口可與上位機(jī)連接，能在線實(shí)時(shí)監(jiān)測防化裝備工作信息和狀態(tài)信息；USB接口與U盤或上位機(jī)連接以導(dǎo)出存儲(chǔ)的工作信息、自檢信息、故障信息、故障發(fā)生時(shí)刻狀態(tài)信息以及歷史狀態(tài)信息。

2.1.2 后面板接口設(shè)計(jì)說明

后面板接口包括電源輸入接口、通訊接口、信號(hào)輸入接口、電源輸出接口、保險(xiǎn)和電源開關(guān)。電源輸入接口用于連接外部供電電源，為數(shù)據(jù)終端提供24 V直流電源；預(yù)留了一個(gè)電源輸出接口，可以輸出直流電壓，用于給加裝的傳感器供電；通訊接口包含RS232、RS485、CAN總線，用于和防化裝備控制總線連接；信號(hào)輸入接口則可以和加裝傳感器或防化裝備預(yù)留檢測口連接，用于信號(hào)檢測；保險(xiǎn)可保護(hù)內(nèi)部電路，出現(xiàn)短路、斷路、欠壓或者過壓等故障時(shí)保險(xiǎn)可方便更換；電源開關(guān)打開或關(guān)閉數(shù)據(jù)終端外部供電電源。

2.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)終端內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)終端內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理框圖

內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用功能模塊化設(shè)計(jì)，模塊之間通過專用總線建立連接，整體結(jié)構(gòu)由底板電路、信號(hào)調(diào)理卡、數(shù)據(jù)采集卡、總線通訊卡、預(yù)留槽位和嵌入式處理器模塊等組成，此架構(gòu)可提高數(shù)據(jù)終端的功能擴(kuò)展、維修維護(hù)和故障診斷等能力。數(shù)據(jù)采集卡和嵌入式處理器模塊之間通過SPI總線連接；總線通訊卡與處理器模塊之間通過底板通訊總線連接，由于本版本數(shù)據(jù)終端屬于原型機(jī)，主要用于系統(tǒng)測試，因此將總線通訊卡集成于MCU板上，改進(jìn)版本將單獨(dú)做卡；預(yù)留槽位與處理器模塊之間通過底板I2C總線連接；嵌入式處理器模塊根據(jù)其自身的資源定義與底板建立連接；各功能模塊可以通過兩邊加固架按照槽位從上往下插入和固定。

2.3 模塊設(shè)計(jì)

2.3.1 信號(hào)調(diào)理模塊

信號(hào)調(diào)理模塊主要實(shí)現(xiàn)對模擬信號(hào)進(jìn)行調(diào)理、數(shù)字IO隔離、電壓電平隔離等功能，可以將信號(hào)調(diào)理模塊按照功能分組方式設(shè)計(jì)成一塊功能板，通過專用數(shù)據(jù)總線連接到底板。

1)模擬信號(hào)調(diào)理單元。

外部輸入的模擬信號(hào)先要經(jīng)過分壓處理，分壓到AD采集的范圍內(nèi)。由于輸入信號(hào)在測試電纜傳輸過程中會(huì)引入一些高頻噪聲，這些噪聲信號(hào)可能會(huì)引起測試信號(hào)的誤判，嚴(yán)重時(shí)還可能影響整個(gè)信號(hào)調(diào)理電路的工作。輸入信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示，該電路為典型低通濾波電路，可有限抑制高頻干擾信號(hào)?？筛鶕?jù)測試信號(hào)的頻率選取濾波電容值，通過調(diào)整反饋電阻調(diào)整電路的放大增益。

圖3 模擬信號(hào)輸入調(diào)理電路

2)數(shù)字IO隔離單元。

數(shù)字IO信號(hào)采集資源都是3.3 V LVTTL接口，采用光耦進(jìn)行隔離，通過光耦隔離電路將不同幅值的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為TTL電平信號(hào)，并將設(shè)備輸出的TTL信號(hào)轉(zhuǎn)換為與被測部件兼容的電平信號(hào)，保護(hù)采集模塊數(shù)字IO接口的同時(shí)增強(qiáng)了數(shù)字IO信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力，信號(hào)隔離電路如圖4所示。

圖4 輸入輸出信號(hào)隔離電路

3)電壓電平隔離單元。

該單元用于對直流電壓信號(hào)的隔離、轉(zhuǎn)換及放大，采用磁電隔離混合電路，輸入信號(hào)經(jīng)過低通濾波器濾波后進(jìn)入模擬信號(hào)隔離放大器，可達(dá)到5 KV直流絕緣電壓，實(shí)現(xiàn)對模擬信號(hào)地線干擾抑制及數(shù)據(jù)的隔離和采集。該信號(hào)調(diào)理單元使用非常方便，不需要零點(diǎn)和增益調(diào)節(jié)，隔離電路如圖5所示。

圖5 電壓隔離模塊電路

2.3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊將調(diào)理后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并傳送到處理器模塊進(jìn)行識(shí)別處理，為了滿足采樣精度和測試需求，采用高精度模擬前端和ADC采集芯片，轉(zhuǎn)換精度能夠達(dá)到16位，單通道最大采樣速率可達(dá)500 kHz。處理器通過SPI總線系統(tǒng)與模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片以串行方式進(jìn)行通信，從而獲取傳感器數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)流關(guān)系如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集原理圖

2.3.3 嵌入式處理器模塊

依據(jù)該數(shù)據(jù)終端功能需求和環(huán)境要求，選用Freescale基于四核ARM Cortex-A9的i.MX 6Quad應(yīng)用處理器，采用40 nm工藝，單核心主頻高達(dá)1 GHz，擁有1 GB容量的DDR3內(nèi)存和1 MB二級(jí)緩存，多路通訊口能夠滿足裝備信息的傳輸需求，接口可支持HDMI1.4，USB2.0和千兆以太網(wǎng)卡，具備性能強(qiáng)勁的硬件配置和豐富的應(yīng)用接口，其工作溫度范圍為-25℃～45℃，存放溫度范圍是-40℃～80℃，可滿足工業(yè)和軍品的環(huán)境適應(yīng)性要求。

2.3.4 信息存儲(chǔ)模塊

綜合考慮信息存儲(chǔ)速率、信息存儲(chǔ)容量及性價(jià)比等因素，選用8 GB Flash存儲(chǔ)器可以滿足其存儲(chǔ)需求，可直接集成到嵌入式處理器模塊中。

2.3.5 總線通訊模塊

該模塊作用是將RS232、RS485、CAN總線通訊功能集成到一塊功能板上，通過底板通訊總線連接到嵌入式處理器模塊，設(shè)計(jì)上將RS232、RS485、CAN功能模塊化，可以根據(jù)需要靈活增加和裁剪，例如嵌入式處理器有多路RS232通訊接口，可以利用專用控制器將RS232接口轉(zhuǎn)換成RS485接口。此外，為了滿足CAN總線測試需求，設(shè)計(jì)了CAN總線通訊接口電路，支持兩個(gè)端口獨(dú)立操作CAN網(wǎng)絡(luò)或橋接，CAN控制器采用SJA1000，其可提供總線仲裁和錯(cuò)誤檢測功能，并能夠在檢測到錯(cuò)誤時(shí)自動(dòng)更正并重新發(fā)送，如圖7所示。

圖7 CAN控制器設(shè)計(jì)電路

3 軟件設(shè)計(jì)

嵌入式處理軟件包括操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，通過系統(tǒng)各軟件模塊組成和數(shù)據(jù)流處理完成防化裝備信息采集和處理功能。

3.1 開發(fā)環(huán)境和功能描述

嵌入式操作系統(tǒng)選用Linux/Android系統(tǒng)內(nèi)核，根據(jù)功能要求進(jìn)行定制，基于ADS平臺(tái)開發(fā)應(yīng)用軟件，負(fù)責(zé)管理和控制設(shè)備硬件，實(shí)現(xiàn)信息采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)判斷、信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通訊、故障預(yù)警、信息導(dǎo)出和終端處理等功能。

信息采集軟件實(shí)現(xiàn)由嵌入式處理器通過SPI總線或CAN總線按照一定頻率從數(shù)據(jù)采集卡或防化裝備總線通訊卡獲取相關(guān)信息數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理軟件將經(jīng)過信號(hào)調(diào)理模塊調(diào)理之后獲取的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的物理量如電壓、頻率或者進(jìn)一步加工處理，以備有關(guān)程序調(diào)用。

數(shù)據(jù)判斷軟件對獲取的防化裝備工作和狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)與系統(tǒng)設(shè)定的參數(shù)閾值進(jìn)行分析比較和數(shù)值判斷，如不在正常值范圍則判定系統(tǒng)部組件存在故障，然后將判斷結(jié)果傳送給故障預(yù)警模塊。

信息存儲(chǔ)軟件將經(jīng)過信息采集、數(shù)據(jù)處理和判斷之后的裝備信息按照規(guī)定的協(xié)議格式分類存放到信息存儲(chǔ)單元，如數(shù)據(jù)判斷軟件判定系統(tǒng)部組件或傳感器存在故障，則產(chǎn)生相應(yīng)的故障碼，并將故障碼和發(fā)生故障時(shí)刻裝備狀態(tài)信息存儲(chǔ)至信息存儲(chǔ)單元。

故障預(yù)警軟件主要根據(jù)數(shù)據(jù)判斷軟件判定的結(jié)果，發(fā)出指令并控制相應(yīng)狀態(tài)指示燈的顯示顏色。

數(shù)據(jù)通訊軟件將數(shù)據(jù)處理的結(jié)果通過終端后端網(wǎng)口連接上位機(jī)，發(fā)送給上位機(jī)裝備信息管理與處理分析系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)測與分析防化裝備運(yùn)行工作參數(shù)。

信息導(dǎo)出軟件通過終端USB端口與上位機(jī)裝備信息管理與處理分析系統(tǒng)的信息傳輸模塊進(jìn)行通訊，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)的防化裝備工作信息、狀態(tài)信息、故障信息和報(bào)警信息一起導(dǎo)出給上位機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。

終端處理軟件主要接收裝備信息管理與處理分析系統(tǒng)發(fā)送的終端設(shè)置命令并進(jìn)行響應(yīng)的處理和結(jié)果反饋功能。

3.2 數(shù)據(jù)處理流程

嵌入式應(yīng)用軟件采用數(shù)據(jù)流方式處理傳感器或采集電路的數(shù)據(jù)信號(hào)，采集的裝備信息經(jīng)過處理后判斷是否和上位機(jī)系統(tǒng)發(fā)生數(shù)據(jù)通訊，沒有則進(jìn)行數(shù)據(jù)判斷，存在故障則進(jìn)行預(yù)警并存儲(chǔ)故障碼及當(dāng)前裝備狀態(tài)信息，需要時(shí)可將防化裝備歷史信息導(dǎo)出。各模塊數(shù)據(jù)處理流程如圖8所示。

圖8 嵌入式軟件數(shù)據(jù)處理流程圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

基于型號(hào)裝備的數(shù)據(jù)終端設(shè)計(jì)完成后，在多輛某型防化裝備上進(jìn)行了安裝試用，裝備發(fā)生故障時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)聲光報(bào)警，對裝備的自檢、工作、狀態(tài)、故障等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集傳輸和分類存儲(chǔ)，其導(dǎo)出至上位機(jī)系統(tǒng)的某裝備部分信息如表1所示。

通過和該型裝備控制系統(tǒng)獲取的參數(shù)信息相比對，試驗(yàn)表明該終端能夠?qū)崿F(xiàn)防化裝備相關(guān)信息的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分析、分類存儲(chǔ)等功能，并實(shí)現(xiàn)防化裝備核心部件的故障判斷、故障報(bào)警、故障指示、故障碼記錄、偶發(fā)故障處理等功能，能通過網(wǎng)口連接上位機(jī)，對防化裝備各類信息參數(shù)實(shí)施在線監(jiān)測，能通過USB連接上位機(jī)，導(dǎo)出存儲(chǔ)的裝備歷史信息進(jìn)行離線數(shù)據(jù)處理和分析應(yīng)用。

表1 存儲(chǔ)并傳輸?shù)哪承脱b備部分參數(shù)信息

5 結(jié)束語

本文從數(shù)據(jù)終端整體框架設(shè)計(jì)出發(fā)，分別從硬件和軟件方面對該終端設(shè)計(jì)及應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)論述，通過試驗(yàn)驗(yàn)證，該終端能夠獲取防化裝備運(yùn)行過程中關(guān)于使用、訓(xùn)練、管理和維修應(yīng)用方面的數(shù)據(jù)信息，創(chuàng)新性地解決了防化裝備數(shù)據(jù)信息記錄不規(guī)范、無分類、易人工篡改等問題，為上位機(jī)裝備信息管理和分析系統(tǒng)提供基礎(chǔ)化、標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)源，對防化裝備供管修訓(xùn)提供科學(xué)的決策依據(jù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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Design and Application of Data Terminal Based on a certain Type of NBC Defense Equipment

Wang Ding，Zhu Xuezheng，Wang Yuguang

(Department of NBC Defense Equipment，Institute of NBC Defense, Beijing 102205，China)

Combining the structural characteristics of a certain type of NBC defense equipment，taking equipment information collection, transmission, processing and application requirements for the traction，based on embedded system design program，this paper completes the software design and implementation of NBC defense equipment data terminal hardware. This data terminal equipment can collect and store self-test data, operational data, status data, fault data and alarm data and other information，as well as monitor real-time status of NBC defense equipment. Finally，it is tested to verify its accuracy for information acquisition，transmission and storage of a certain type of equipment and it can effectively guide the development of NBC defense equipment and supplement, management, maintenance and training activity, providing a basic, standardized information base for extended follow-up application development.

embedded systems; model equipment; data terminal； acquisition and storage

2016-08-23；

2016-11-02。

王 丁(1987-)，男，陜西渭南人，碩士，助理工程師，主要從事裝備保障信息化與仿真方向的研究 。

1671-4598(2017)03-0115-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.03.032

TP274

A