基于嵌入式技術(shù)的測(cè)試設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集設(shè)備

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(海軍航空大學(xué) 岸防兵學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264001)

0 引言

導(dǎo)彈測(cè)試作為導(dǎo)彈技術(shù)保障的重要一環(huán)，直接關(guān)系到整個(gè)導(dǎo)彈技術(shù)準(zhǔn)備工作的成敗，嚴(yán)重影響導(dǎo)彈戰(zhàn)斗的使用。而導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備技術(shù)狀態(tài)的好壞則是導(dǎo)彈測(cè)試成敗的關(guān)鍵。近年來，信息化技術(shù)發(fā)展迅猛并在導(dǎo)彈武器中得到了應(yīng)用，導(dǎo)彈測(cè)試性水平不斷提高，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為遠(yuǎn)程測(cè)試和數(shù)據(jù)收集提供了必要條件，導(dǎo)彈測(cè)試技術(shù)開始向設(shè)計(jì)-試驗(yàn)-保障一體化發(fā)展[1]。

在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)代，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控與故障診斷預(yù)測(cè)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用十分普遍[2-5]?；贗nternet的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)因具有松耦合性、互操作性好、開發(fā)便利、異構(gòu)資源可共享等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用[6]。依托信息化手段，建立基于網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)彈測(cè)試信息的自動(dòng)收集、數(shù)據(jù)及時(shí)上報(bào)、集中存儲(chǔ)和管理等。

為滿足導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集需要，在不改變已有導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備技術(shù)狀態(tài)的前提下，基于嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)了一種導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集設(shè)備。它作為整個(gè)測(cè)試設(shè)備遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控管理系統(tǒng)前端信息采集處理設(shè)備，分布配置在導(dǎo)彈測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，用于獲取測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)信息，并上報(bào)到監(jiān)控中心。

1 總體設(shè)計(jì)方案

嵌入式技術(shù)是將計(jì)算機(jī)作為一個(gè)信息處理部件，嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中的一種技術(shù)，它將軟件固化集成到硬件系統(tǒng)中，將硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)一體化[7]。因其具有低功耗、時(shí)效性強(qiáng)、高精簡(jiǎn)型、高專用性、容易控制、資源占用率低等顯著優(yōu)勢(shì)，在遠(yuǎn)程監(jiān)控工作中得到了廣泛的應(yīng)用[8-10]。

導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集設(shè)備以嵌入式計(jì)算機(jī)為核心，作為整個(gè)測(cè)試設(shè)備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控管理系統(tǒng)前端信息采集處理設(shè)備，該裝置分布配置在各測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，用于獲取測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)信息，并上報(bào)到監(jiān)控中心，是監(jiān)控中心主要信息的來源。

該數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要由硬件設(shè)備及軟件平臺(tái)兩大部分組成，圖1所示為數(shù)據(jù)采集設(shè)備總體組成框圖。

圖1 數(shù)據(jù)采集設(shè)備總體組成框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主要功能及技術(shù)參數(shù)

數(shù)據(jù)采集設(shè)備的主要功能有：

1)設(shè)備具有供電轉(zhuǎn)接監(jiān)測(cè)功能；

2)設(shè)備具有溫濕度信息采集功能；

3)設(shè)備具有大氣壓力信息采集功能；

4)設(shè)備具有數(shù)據(jù)采集處理功能，對(duì)上報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；

5)設(shè)備具有數(shù)據(jù)上報(bào)功能，將測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)信息上報(bào)至監(jiān)控中心；

6)設(shè)備具有數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)功能；

7)設(shè)備具有擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)接口、音視頻接口等功能。

8)設(shè)備具有自檢功能，設(shè)備上電后或收到網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的自檢指令后自動(dòng)查詢所有設(shè)備的運(yùn)行狀況，自檢結(jié)果可上傳至服務(wù)器。

數(shù)據(jù)采集設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)如下：

1)溫度測(cè)量：

溫度測(cè)量范圍：-20～70℃

溫度測(cè)量精度：±1℃

2)濕度測(cè)量：

測(cè)度測(cè)量范圍：0～100%RH

濕度測(cè)量精度：±2%RH

3)大氣壓力測(cè)量：

大氣壓力測(cè)量范圍：50～120 kPa

大氣壓力測(cè)量精度：±2 kPa

4)380 V三相供電測(cè)量：

電流測(cè)量：0～37.5 A，精度5%。

2.2 硬件組成原理

數(shù)據(jù)采集設(shè)備硬件組成包括嵌入式服務(wù)器、ARM單片機(jī)板、測(cè)試設(shè)備供電轉(zhuǎn)接模塊以及12 V供電適配器等組成。其中，嵌入式服務(wù)器由嵌入式計(jì)算機(jī)、網(wǎng)關(guān)、液晶屏、硬盤及對(duì)外接口等組成；ARM單片機(jī)板由系統(tǒng)模塊、電流監(jiān)測(cè)模塊、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊和通訊模塊組成。數(shù)據(jù)采集設(shè)備硬件組成原理如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集設(shè)備組成原理框圖

2.2.1 嵌入式服務(wù)器

數(shù)據(jù)采集設(shè)備配置的嵌入式服務(wù)器由嵌入式計(jì)算機(jī)、網(wǎng)關(guān)、液晶屏、硬盤及對(duì)外接口等組成，用于對(duì)采集的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、上報(bào)，同時(shí)管理數(shù)據(jù)采集設(shè)備，其核心為嵌入式計(jì)算機(jī)并配備網(wǎng)關(guān)。

1)嵌入式計(jì)算機(jī)：數(shù)據(jù)采集設(shè)備配備的嵌入式計(jì)算機(jī)選擇緊湊系列X86架構(gòu)嵌入式計(jì)算機(jī)，支持Intel Atom N455 Dual Core1.66 GHz SoC，雙網(wǎng)口，雙串口， VGA，2個(gè)USB口，2個(gè)SATA II存儲(chǔ)接口。

2)網(wǎng)關(guān)模塊：網(wǎng)關(guān)選用Moxa 4端口嵌入式以太網(wǎng)交換機(jī)模塊EOM-104，主要是用于提供擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)接口。它具有4個(gè)以太網(wǎng)口，支持IEEE802.3/802.3u/802.3x 10/100M全/半雙工，MDI/MDI-X自適應(yīng)RJ45端口。

2.2.2 ARM單片機(jī)板

ARM單片機(jī)板由系統(tǒng)模塊、電流監(jiān)測(cè)模塊、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊及通訊模塊組成。

1)系統(tǒng)模塊：系統(tǒng)模塊選用LPC2138芯片作為處理器，它是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的ARM7TDMI-S內(nèi)核的32位ARM處理器[11]，并帶有512 KB片內(nèi)高速Flash和32 KB的片內(nèi)SRAM存儲(chǔ)器。系統(tǒng)模塊主要包括電源模塊、系統(tǒng)復(fù)位、JTAG調(diào)試接口等電路。

這里，電源模塊使用了兩個(gè)DC-DC模塊：一個(gè)是MJWI10-24S033電源模塊，將外部輸入的直流+12 V轉(zhuǎn)換為+3.3 V，供LPC2138等芯片用；另一個(gè)是MJWI10-24S12電源模塊，將外部輸入的直流+12 V轉(zhuǎn)換為-12 V，供霍爾電流傳感器SO1T25C25V6使用。

本系統(tǒng)采用11.0592 MHz的外部晶振，提高了串口波特率的精準(zhǔn)度。

2)電流監(jiān)測(cè)模塊：電流監(jiān)測(cè)模塊用于對(duì)測(cè)試設(shè)備220 V單相交流或380 V三相交流供電線路進(jìn)行電流信號(hào)采集。圖3所示為測(cè)試設(shè)備供電電流監(jiān)測(cè)原理框圖。

圖3 電流監(jiān)測(cè)原理框圖

測(cè)試設(shè)備供電轉(zhuǎn)接模塊在完成測(cè)試設(shè)備正常供電的同時(shí)，將輸入的380 V三相交流電通過電流監(jiān)測(cè)模塊的三個(gè)霍爾電流傳感器SO1T25C25V6進(jìn)行敏感?；魻栯娏鱾鞲衅髅舾须娏敵龅碾娏鲄?shù)經(jīng)ARM單片機(jī)板采集處理后通過串口傳輸?shù)角度胧接?jì)算機(jī)中。

3)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊：環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊包括溫濕度采集電路及氣壓采集電路。

溫濕度采集采用SENSIRION公司的數(shù)字溫濕度傳感器SHT15實(shí)現(xiàn)。SHT1x系列傳感器是一款集溫濕度測(cè)量功能于一身的多功能傳感器，將傳感元件和信號(hào)處理電路集成在一塊微型電路板上，輸出完全標(biāo)定的數(shù)字信號(hào)。這里采用默認(rèn)測(cè)量分辨率，即溫度14位，濕度12位。

SHT15主要技術(shù)參數(shù)如下：

1)供電電源：3.3 V，0.55 mA；

2)工作范圍：溫度-40～123.8℃，濕度0～100%RH；

3)精度：±0.3℃，±2%RH；

4)分辨率：0.01℃(14 bit),0.05%RH(12 bit)；

5)輸出接口：2線制數(shù)字接口。

大氣壓力傳感器選用市場(chǎng)上成熟的產(chǎn)品，產(chǎn)品型號(hào)BT5611。BT5611是一款采用MEMS技術(shù)將高線性壓力傳感器與一個(gè)低功耗的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(ADC)集成于一體的數(shù)字氣壓傳感器模塊。該產(chǎn)品支持SPI和I2C 總線傳輸協(xié)議，可與任何微處理器匹配工作。

BT5611主要技術(shù)參數(shù)如下：

1)供電電壓：1.8～3.6 V；

2)壓力測(cè)量范圍：10～1200 mbar；

3)ADC：24 bit；

4)分辨率：0.065/0.042/0.027/0.018/0.012 mbar；

5)精度：±1.5 mbar(25℃，750 mbar)；

6)接口形式：SPI和I2C 串行接口。

ARM單片機(jī)通過兩線制串行接口或I2C 總線與環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊的傳感器通信，并通過RS-232串口與嵌入式計(jì)算機(jī)通信及交換數(shù)據(jù)。

7)通訊模塊：通訊模塊通過RS-232串口與嵌入式計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊，將測(cè)試設(shè)備供電電流、環(huán)境參數(shù)等上傳給嵌入式計(jì)算機(jī)。通訊模塊使用了MAX232A進(jìn)行RS232電平轉(zhuǎn)換。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集設(shè)備各組成部分集成安裝于254 mm(W)×180(D)×45 mm(H)箱體之內(nèi)，各種輸入輸出接口，人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)在箱體兩側(cè)及上面板，適用于桌面安裝(水平)及壁掛安裝(垂直)使用方式。

上面板布置交流380 V三相四線電力輸出接口、LCD顯示屏及按鈕、指示燈、供電控制開關(guān)等。

左側(cè)面板主要布置市電輸入接口(采用航空插座形式)、音頻接口、本地網(wǎng)口、擴(kuò)展網(wǎng)口、電源輸入接口(12 VDC)、接地柱等。

右側(cè)面板布置220 V交流供電轉(zhuǎn)接輸出接口、信息采集接口、USB接口、COM口、VGA接口等。

數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用傳導(dǎo)散熱的方式，設(shè)計(jì)散熱片緊貼嵌入式計(jì)算機(jī)CPU，以散去其熱量，機(jī)箱頂部開通風(fēng)窗口，以散去機(jī)箱內(nèi)部熱量。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件體系結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集設(shè)備服務(wù)軟件體系結(jié)構(gòu)如圖4所示，分為UI界面層、應(yīng)用邏輯層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層。

UI界面層：負(fù)責(zé)系統(tǒng)與用戶的信息交流，并向用戶提供直觀、方便的用戶體驗(yàn)。

應(yīng)用邏輯層：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)上報(bào)、驅(qū)動(dòng)集成、管理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等各種邏輯功能。

服務(wù)層：提供任務(wù)調(diào)度服務(wù)、數(shù)據(jù)交互接口、網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)等。

數(shù)據(jù)層：提供數(shù)據(jù)庫、配置文件、數(shù)據(jù)文件等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

圖4 軟件體系結(jié)構(gòu)

3.2 軟件功能

數(shù)據(jù)采集設(shè)備軟件部署在嵌入式計(jì)算機(jī)內(nèi)的操作系統(tǒng)中，主要包括驅(qū)動(dòng)模塊、管理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)上報(bào)模塊等。軟件編程語言采用C++，軟件平臺(tái)總體組成如圖5所示。

1)驅(qū)動(dòng)模塊：驅(qū)動(dòng)模塊針對(duì)設(shè)備中配備的傳感器、控制電路、接口電路等硬件模塊的操作而設(shè)計(jì)，并作為上層應(yīng)用軟件開發(fā)的程序接口。驅(qū)動(dòng)模塊提供設(shè)備自檢程序接口，上位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送自檢命令，能夠?qū)?shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行自檢操作。

圖5 軟件平臺(tái)總體組成框圖

2)管理模塊：管理模塊在驅(qū)動(dòng)程序基礎(chǔ)上，統(tǒng)籌管理設(shè)備中配套的傳感器、控制電路、接口電路等硬件資源，提供操作、配置界面。管理功能包括傳感器管理、外設(shè)管理、測(cè)試數(shù)據(jù)管理、應(yīng)用服務(wù)管理等。

傳感器管理功能提供傳感器參數(shù)設(shè)置接口，提供傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)功能。

外設(shè)管理提供數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接外部設(shè)備時(shí)的接口管理功能，包括接口使能/禁止、接口參數(shù)配置等。

測(cè)試數(shù)據(jù)管理提供數(shù)據(jù)接收模塊收集、存儲(chǔ)的各類數(shù)據(jù)的管理功能，包括數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)手動(dòng)上傳、數(shù)據(jù)標(biāo)記、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、數(shù)據(jù)刪除等。

應(yīng)用服務(wù)管理提供數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)接收模塊及數(shù)據(jù)上報(bào)模塊等應(yīng)用服務(wù)程序功能參數(shù)配置接口。

3)數(shù)據(jù)采集模塊：數(shù)據(jù)采集模塊通過調(diào)用驅(qū)動(dòng)接口程序?qū)崟r(shí)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并由數(shù)據(jù)上報(bào)模塊在不同時(shí)機(jī)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)打包后上報(bào)到監(jiān)控中心。

4)數(shù)據(jù)接收模塊：數(shù)據(jù)接收模塊用于收集、存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)外來的各類數(shù)據(jù)，該類數(shù)據(jù)在合適的時(shí)機(jī)通過數(shù)據(jù)上報(bào)模塊上報(bào)到監(jiān)控中心進(jìn)行統(tǒng)一管理、分析和處理。

5)數(shù)據(jù)上報(bào)模塊：上報(bào)數(shù)據(jù)的時(shí)機(jī)包括由事件觸發(fā)上報(bào)和固定時(shí)間周期上報(bào)兩種。其中，觸發(fā)事件可包括測(cè)試設(shè)備采集到的邏輯量發(fā)生變化或模擬量變化越過預(yù)設(shè)臨界值。

3.3 軟件對(duì)外接口描述

采集服務(wù)軟件對(duì)外接口主要有以下6種接口：

1)數(shù)據(jù)上報(bào)接口：采集服務(wù)軟件將采集到的數(shù)據(jù)上報(bào)至監(jiān)控中心；

2)指令接收接口：接收監(jiān)控中心指令數(shù)據(jù)；

3)數(shù)據(jù)文件讀取接口：根據(jù)需要讀取事先存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)文件；

4)數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)接口：根據(jù)需求存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；

5)采集端采集接口：監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接收；

6)采集端配置下裝接口：配置數(shù)據(jù)下裝。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)方法

下面基于監(jiān)控中心某測(cè)試設(shè)備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控管理系統(tǒng)，在不改變已有導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備技術(shù)狀態(tài)的前提下，利用該數(shù)據(jù)采集設(shè)備作為整個(gè)測(cè)試設(shè)備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控管理系統(tǒng)前端信息采集處理設(shè)備，對(duì)某型導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程信息采集與狀態(tài)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)原理框圖如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)原理框圖

該數(shù)據(jù)采集設(shè)備提供了顯示屏、按鈕等人機(jī)交互設(shè)備。設(shè)備運(yùn)行過程中，顯示屏顯示內(nèi)容包括操作菜單、數(shù)據(jù)顯示及狀態(tài)顯示。其中，顯示屏的數(shù)據(jù)顯示區(qū)域用于實(shí)時(shí)顯示采集的參數(shù)數(shù)據(jù)包括供電參數(shù)、溫濕度值、大氣壓力值、上傳數(shù)據(jù)、測(cè)試數(shù)據(jù)等信息，如圖7所示。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

監(jiān)控中心測(cè)試設(shè)備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控管理系統(tǒng)的采集服務(wù)軟件從采集終端采集某導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并根據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、存儲(chǔ)、管理，并根據(jù)定制的上報(bào)時(shí)機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)接口將數(shù)據(jù)上報(bào)至監(jiān)控中心服務(wù)器。監(jiān)控管理系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控界面包括采集終端圖形展示、終端列表、報(bào)警信息、全部點(diǎn)位等功能，并將采集終端采集到的測(cè)試設(shè)備周圍溫度、濕度、氣壓以及工作狀態(tài)等信息實(shí)時(shí)顯示出來，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 狀態(tài)監(jiān)控顯示主界面

經(jīng)過多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該數(shù)據(jù)采集設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，能夠完成導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備供電轉(zhuǎn)接監(jiān)測(cè)功能，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確采集測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)溫濕度、大氣壓力信息，并將采集到的信息進(jìn)行處理后及時(shí)準(zhǔn)確地上報(bào)至監(jiān)控中心，符合設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

5 結(jié)論

導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集設(shè)備以嵌入式計(jì)算機(jī)為核心，作為整個(gè)測(cè)試設(shè)備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控管理系統(tǒng)前端信息采集處理設(shè)備，該裝置分布配置在各測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，用于獲取測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)信息，并上報(bào)到監(jiān)控中心，是監(jiān)控中心主要信息的來源。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該數(shù)據(jù)采集設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便、功能強(qiáng)大、運(yùn)行穩(wěn)定，易于擴(kuò)展，能夠完成導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集功能。