基于嵌入式Linux的傳感器模擬測試儀設(shè)計

文｜于晶晶 巢佳 張靜 姜盼

鐵路防災(zāi)安全監(jiān)控作為安全生產(chǎn)重點行業(yè)和領(lǐng)域，對提高運營效率、保證行車安全具有重大意義。目前鐵路防災(zāi)安全監(jiān)控與減災(zāi)指揮調(diào)度系統(tǒng)領(lǐng)域正逐漸往信息化、自動化、集成化、智能化等方向發(fā)展。為此，本文設(shè)計開發(fā)了一款可用于檢測鐵路防災(zāi)設(shè)備的便攜式傳感器模擬測試儀。該測試儀由ARM 處理器、STM32 單片機、5G通信模塊等部分組成，具有人機交互、數(shù)據(jù)輸入、輸出模擬等功能。此外，該測試儀還內(nèi)置小型鋰電池，在方便攜帶的同時還具備對外供電的功能，能更好地滿足鐵路線路上的故障診斷及數(shù)據(jù)傳輸模塊供電需求。

鐵路列車是日常生活中必不可少的公共交通設(shè)施，具有分布有序、覆蓋廣泛、速度快捷、便利生活等特點。作為安全生產(chǎn)重點行業(yè)和領(lǐng)域，安全穩(wěn)定是鐵路高質(zhì)量發(fā)展的核心內(nèi)容。據(jù)鐵路局集團公司防災(zāi)系統(tǒng)運用管理部門調(diào)查顯示，鐵路防災(zāi)系統(tǒng)故障報警主要集中在UPS電源故障、數(shù)據(jù)采集設(shè)備故障、通信網(wǎng)絡(luò)不通以及接口防護不到位導(dǎo)致線路受損等方面。因此，為了滿足鐵路路網(wǎng)規(guī)模快速擴充和高質(zhì)量發(fā)展的要求，實現(xiàn)有效的鐵路專線防災(zāi)監(jiān)測是確保安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在此背景下，本文設(shè)計了一款便攜式傳感器模擬測試儀，該儀器具備對V200A、SHM30、WXT520等地鐵防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)中常用傳感器進行數(shù)據(jù)輸入檢測以及輸出模擬的功能。軟件部分為基于嵌入式Linux系統(tǒng)的UI交互程序編寫和主程序邏輯編寫，界面功能清晰，交互便捷。儀器內(nèi)部還預(yù)留USB接口、TF卡槽等，可方便工作人員或用戶擴展其他定制型應(yīng)用。

一、系統(tǒng)總體框架設(shè)計

本設(shè)計具有對高速線路防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)中常用傳感器進行數(shù)據(jù)輸入檢測、輸出模擬、遠程數(shù)據(jù)傳輸記錄等功能。具體功能描述如下：

1.可通過RS485或電流環(huán)接口接入常用傳感器，借助傳感器數(shù)據(jù)輸入功能，通過液晶屏顯示的數(shù)據(jù)來實時監(jiān)測現(xiàn)場傳感器狀態(tài)；

2.將儀器接入現(xiàn)場遠傳設(shè)備，可模擬傳感器數(shù)據(jù)以此來測試傳輸線路的通斷與否，或通過設(shè)定傳感器數(shù)值檢測當前防災(zāi)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸實時性及報警功能的完整性。

3.通過儀器將現(xiàn)場的實時狀態(tài)傳輸至基站，供工作人員異地查看設(shè)備與數(shù)據(jù)詳情。

根據(jù)功能需求，本設(shè)計以移動應(yīng)用處理器為核心，搭配STM32芯片，外圍增加7寸可觸摸液晶屏、遠傳輸入通信模塊、RS485通訊模塊、5G模塊等。用戶可通過液晶屏上的功能鍵來實現(xiàn)數(shù)據(jù)模擬、收發(fā)等功能，同時設(shè)備內(nèi)置大容量鋰電池，方便用戶隨身攜帶的同時也便于戶外長時間測試與使用。

二、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

本系統(tǒng)需要具備顯示、存儲及外接多模塊的功能，所以在核心芯片上選用了F1C200S和STM32F042F6P6兩種處理器來分工使用。

（一）F1C200S處理器

F1C200S基于ARM 9架構(gòu)，支持高清視頻解碼，內(nèi)置DDR1內(nèi)存，是一款開發(fā)簡單，性價比較高的處理器。其作為主控芯片，與常用ST系列單片機結(jié)構(gòu)類似，包含復(fù)位電路、晶振電路等模塊。其中復(fù)位電路采用軟件復(fù)位模式；晶振電路則由一個24 MHz無源晶振和兩個10PF匹配電容組成；并且引出TF卡引腳、USB、LCD、GPIO端口等以供后續(xù)使用。

（二）RS485通信

本儀器的通信電路主要針對地鐵防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)中的SHM30、WXT520等常用傳感器進行設(shè)計。RS485通信選用SP3485芯片，供電電源為3.3V，具有8個引腳，一般將RE和DE接在一起。單片機向外發(fā)送數(shù)據(jù)時，將R3_UART_DIR置位1，單片機接收外界數(shù)據(jù)時，將R3_UART_DIR置位0。由于鐵路配套設(shè)備多用于戶外，受戶外天氣、線路狀況等不確定因素影響較多，且通信類元件抗雷電過電壓能力較差，所以在設(shè)計時需要考慮配備防浪涌保護措施，所選組合元件必須具備響應(yīng)快和有一定的通流容量等特性。因此在RS485模塊的設(shè)計電路中，接口輸入端增加了EMC防護電路，氣體放電管同流能力最強，被放置于防雷電路前端用于吸收大電流沖擊，通過PTC去耦后連接TVS二極管，可以有效抑制氣體放電管吸收后的殘壓。

（三）電流環(huán)通信

電流環(huán)可以將電平信號轉(zhuǎn)換為電流信號，以電流作為數(shù)據(jù)傳輸載體，此方法一方面可以增強信號在有噪聲前提下的最大容限，另一方面可以提高信號的抗衰減能力。故通常被用于在惡劣的工業(yè)生產(chǎn)場景或戶外環(huán)境下進行遠距離信號傳輸。

為了保證現(xiàn)場數(shù)據(jù)與基站信號之間的傳輸，本儀器也提供了電流環(huán)通信接口。輸入端通過EMC防護電路及光耦芯片隔離后接收串行數(shù)據(jù)RMT_PKG，數(shù)據(jù)再經(jīng)過緩沖器整形后送入F1C200S處理器進行處理。

（四）5G通信

本設(shè)計中的5G模塊采用中移MF309模組，模組提供兩路通信接口，分別為主串口和調(diào)試串口。其中主串口支持默認波特率為115200 bps，用于數(shù)據(jù)傳輸和AT命令傳送。調(diào)試串口支持波特率為115200 bps，用于部分日志輸出。在電路上，因為模組串口電平為1.8 V，所以與單片機進行通信時需要進行電平轉(zhuǎn)換。因此設(shè)計中采用TI公司的TXS0108EPWR芯片進行轉(zhuǎn)換，以保證正常通信。

（五）TF卡存儲

TF卡作為本系統(tǒng)的啟動介質(zhì)，集成了UBOOT引導(dǎo)功能以及Linux內(nèi)核和基礎(chǔ)文件系統(tǒng)。設(shè)計采用的TF卡為貼片式MicroSD卡（TF卡），其中SD0_CMD、SD0_CLK和四根數(shù)據(jù)線SD0_D0～SD0_D3，均接10 kΩ的上拉電阻。

（六）對外供電功能

本設(shè)計內(nèi)部自帶的鋰電池可用于對外部設(shè)備供電，提供的電壓為24 V，但是24 V為電池電壓，此電壓存在波動范圍，由于電池放電后內(nèi)阻由小變大，其輸出電壓也會發(fā)生變化，但是額定值是24 V。另外，輸出電源的負載能力是1 A，超過額定負載能力可能觸發(fā)保險絲動作。

三、系統(tǒng)軟件控制流程設(shè)計

本設(shè)計軟件分為基于嵌入式Linux系統(tǒng)的UI交互程序編寫和主程序邏輯編寫。系統(tǒng)軟件整體控制流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)軟件整體控制流程圖

UI交互程序編寫使用Linux上運行Qt的方式。對于跨平臺開發(fā)環(huán)境來說，Qt是一種目前非常流行的方式，像現(xiàn)在廣泛使用的WPS Office以及Google Earth等都是采用Qt來開發(fā)的。在本設(shè)計中，Qt集成開發(fā)環(huán)境安裝完成后需要下載Qt源代碼對GUI圖形庫進行交叉編譯，將編譯完成的Qt庫移植到F1C200S的文件系統(tǒng)中，啟動后將會通過應(yīng)用加載Qt界面實現(xiàn)人機交互。

主程序邏輯編寫則采用C++語言程序編寫，GUI人機交互界面的設(shè)計與開發(fā)采用QtCreator進行應(yīng)用程序交叉編譯，完成后移植到ARM主機上運行，對于傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，則使用STM32單片機進行輔助。

（一）傳感器數(shù)據(jù)輸入流程

傳感器數(shù)據(jù)輸入功能用于掛接已有的傳感器并進行傳感器功能測試，當確認外部硬件設(shè)備連線正確無誤后，則可以進行操作。點擊液晶面板上的“傳感器輸入檢測”選項卡，在通訊設(shè)置區(qū)輸入對應(yīng)參數(shù)后，將UI界面讀取的通信參數(shù)寫入struct termios結(jié)構(gòu)體，啟動open函數(shù)打開串口來獲取傳感器數(shù)據(jù)包。經(jīng)字符串匹配后，使用Qt setNum函數(shù)將獲取的氣象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)值類型，通過UI控件顯示到相應(yīng)的參數(shù)框里。

（二）傳感器數(shù)據(jù)輸出流程

傳感器數(shù)據(jù)輸出功能用于模擬所選型號傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送功能。在確認本儀器信號線正確連接后可進行操作。點擊液晶面板上的“傳感器輸出檢測”選項卡，設(shè)定所需參數(shù)和發(fā)送方式后啟動Open函數(shù)打開串口。當選擇數(shù)值方式為遞增或遞減時，界面會將當前值加載到內(nèi)存，進行數(shù)值運算并通過Qtimer定時器啟動數(shù)據(jù)周期性發(fā)送。當然也可通過Qsrand函數(shù)進行偽隨機數(shù)值隨機發(fā)送測試。此過程中數(shù)值均會實時刷新到UI界面中。

（三）遠傳輸入流程

此流程與傳感器輸入流程相似，同樣打開串口后，使用位操作將獲得的數(shù)據(jù)包內(nèi)容轉(zhuǎn)換為浮點數(shù)，啟動Qtimer定時器周期性監(jiān)測遠傳連接是否超時，同時另設(shè)一個定時器監(jiān)測數(shù)據(jù)包的校驗值是否正常。

（四）其他設(shè)置流程

本儀器的“設(shè)置”選項卡可以用于系統(tǒng)時間調(diào)整和觸摸屏校準。在時間設(shè)置setTime函數(shù)和日期設(shè)置setDate函數(shù)中調(diào)整內(nèi)容，點擊“保存時間”即可。要校準觸摸屏點擊“觸摸屏校準”，之后按提示點擊即可。

四、系統(tǒng)測試

本設(shè)計在硬件軟件搭建完畢的基礎(chǔ)上，需進行系統(tǒng)測試。

首先打開電源，系統(tǒng)啟動，啟動后主菜單如圖2所示。其中界面分別由功能選項卡區(qū)，當前選項卡的設(shè)置區(qū)，通訊參數(shù)設(shè)置區(qū)和快速功能切換區(qū)組成。

圖2 主功能菜單

在現(xiàn)場待測設(shè)備接入后，開始檢測并分析需檢測設(shè)備發(fā)送至本儀器的數(shù)據(jù)，進行輸入檢測，數(shù)據(jù)分析的結(jié)果通過液晶面板上對應(yīng)框顯示。

其次，可以點擊傳感器輸出檢測選項卡，利用輸出模擬模式，檢測傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送功能，此功能可通過終端系統(tǒng)觀察輸出數(shù)據(jù)是否正常顯示，或者用于診斷防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)的工作性能。

最后，檢測正常的設(shè)備將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)傳送到就近的通信基站內(nèi)，由監(jiān)控單元對信息進行進一步的匯聚處理。

五、總結(jié)

本文設(shè)計了一種基于F1C200S和STM32F042F6P6兩種處理器的便攜式傳感器模擬測試儀，其優(yōu)點在于具備觸摸式人機交互界面，使用方便快捷；支持對外部設(shè)備供電；支持四種類型以上的常用傳感器，精準匹配鐵路線路設(shè)備；擁有工作參數(shù)記錄的功能，能提高工作效率；配備防浪涌保護措施，大大提高了在戶外使用的安全性；設(shè)備內(nèi)置大容量鋰電池，方便用戶隨身攜帶的同時也能滿足戶外長時間測試與使用；配備5G模組，方便工作人員及時了解現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息等。該設(shè)計為工作人員或用戶在日常地檢測過程中提供了便攜、可靠的方案，具有很好的實用性。本儀器后期還可以在硬件接口方面和軟件系統(tǒng)方面進行拓展，增加符合有關(guān)行業(yè)或崗位要求的功能，具有很好的應(yīng)用前景和使用價值。