摘 要：電子裝備現(xiàn)有的故障診斷系統(tǒng)一般無法完成裝備工作過程中的實時在線狀態(tài)監(jiān)測。利用多種非接觸式的傳感器信息融合技術(shù)、以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，設(shè)計了現(xiàn)場級嵌入式狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，采用嵌入式微處理器S3C44B0X構(gòu)建最小系統(tǒng)實現(xiàn)實時地對系統(tǒng)各個重要部分進(jìn)行信號采集和在線狀態(tài)監(jiān)測，為在線智能故障診斷系統(tǒng)提供診斷信息。
關(guān)鍵詞：ARM; 嵌入式系統(tǒng); 故障診斷
1.引言
某電子設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，復(fù)合功能強，每個組合包含幾塊到幾十塊電路板，其中有模擬電路，也有數(shù)字電路，還有模擬、數(shù)字混合電路。其電路板大量采用集成器件和多層結(jié)構(gòu)，維修空間小，檢測維修難度大，并且精度要求高，技術(shù)新，系統(tǒng)維護對專業(yè)配套檢測維修設(shè)備的依賴性強，對維修人員要求高。建立對電子裝備及時進(jìn)行故障診斷的系統(tǒng)，對于提高武器裝備的戰(zhàn)斗力，降低使用維護費用等均具有重大意義。據(jù)統(tǒng)計，在海灣戰(zhàn)爭中美國采用先進(jìn)的診斷技術(shù)將武器裝備的故障診斷效率提高了30%左右，而武器裝備在壽命周期內(nèi)的各種維修技術(shù)保障費用則至少可以節(jié)省20%。為實現(xiàn)對故障診斷的實用、高效、低成本的目標(biāo)，將ARM嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用到電子設(shè)備故障診斷領(lǐng)域，以達(dá)到診斷系統(tǒng)的實用性、結(jié)構(gòu)緊湊性和智能性。
Samsung 公司推出的16/32 位RISC 處理器S3C44B0X 為手持設(shè)備和一般類型應(yīng)用提供了高性價比和高性能的微控制器解決方案。S3C44B0X 采用了ARM7TDMI 內(nèi)核，0.25um 工藝的CMOS 標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲編譯器。它的低功耗精簡和出色的全靜態(tài)設(shè)計特別適用于對成本和功耗敏感的應(yīng)用。同樣S3C44B0X還采用了一種新的總線結(jié)構(gòu)，即SAMBAII（三星ARM CPU 嵌入式微處理器總線結(jié)構(gòu)）。S3C44B0X的杰出特性是它的CPU核，是由ARM公司設(shè)計的16/32 位ARM7TDMI RISC處理器（66MHZ）。ARM7TDMI 體系結(jié)構(gòu)的特點是它集成了Thumb 代碼壓縮器，片上的ICE斷點調(diào)試支持，和一個32 位的硬件乘法器。S3C44B0X 通過提供全面的、通用的片上外設(shè)，大大減少了系統(tǒng)電路中除處理器以外的元器件配置，從而最小化系統(tǒng)的成本。
2.軍用電子裝備故障診斷特點分析
一般來說軍用電子裝備產(chǎn)品有以下一些特點：
?。?） 電路模塊大多為專用電路，通用性差，種類多，型號多，生產(chǎn)數(shù)量少，即使個別型號生產(chǎn)數(shù)量略多，但相比商用產(chǎn)品生產(chǎn)還是少數(shù)，形不成批量生產(chǎn)。
（2） 設(shè)計資料齊全，包括設(shè)計原理，設(shè)計圖樣，各種技術(shù)報告，分析報告，試驗數(shù)據(jù)等;
?。?） 由于使用環(huán)境惡劣，變化大，所以軍用電子裝備要滿足各種國軍標(biāo)（GJB）所規(guī)定的比較苛刻的環(huán)境試驗和性能考驗，因此各種試驗項目齊全，測試結(jié)果多;
（4） 可靠性要求高;
（5） 使用電子設(shè)備的不是設(shè)計人員，對裝備只有定性的了解;
?。?） 由于環(huán)境復(fù)雜，生產(chǎn)批量少，使用要求高，技術(shù)難度大，保密性要求高，相應(yīng)的造成軍用電子裝備的研制周期長，所需經(jīng)費大。
除了上述特點外，我們所研究的電子裝備的故障智能診斷系統(tǒng)還具有以下特點：
?。?）數(shù)據(jù)種類多，有直流電源、交流電源、數(shù)字信號、模擬信號、中頻信號、高壓信號、開關(guān)信號等;
（2）數(shù)據(jù)量大，有的組合有幾十種甚至上百個輸入、輸出信號，大量的數(shù)據(jù)需要保存和處理;
（3）數(shù)據(jù)管理任務(wù)繁重，數(shù)據(jù)的接受、處理、保存、報警、診斷、維護、顯示、查詢等非常頻繁;
（4）系統(tǒng)的故障診斷需要較快的速度，而且對數(shù)據(jù)要求有較高的可靠性，因此系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的訪問必須快速、準(zhǔn)確。
目前，在故障診斷領(lǐng)域廣泛使用的診斷系統(tǒng)有8/16位單片機系統(tǒng)和工業(yè)PC系統(tǒng)。ARM內(nèi)核處理器具有高性能、低功耗、低成本、低開發(fā)難度等一系列優(yōu)點，是測控系統(tǒng)由8位機升級到32位機的理想選擇。此外，在滿足診斷技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)成本僅為相近功能的PC系統(tǒng)的1/3，而且系統(tǒng)元件集成度高，即可以把目前的電荷放大器等元件通過信號整定電路集成到一塊PCB板上。由對比分析可見，與現(xiàn)有診斷系統(tǒng)相比，ARM系統(tǒng)具有較高的性價比[1]。
3.ARM診斷系統(tǒng)的組成
利用多傳感器信息融合技術(shù)、無線通信技術(shù)設(shè)計了現(xiàn)場級嵌入式狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)同步、并行地對系統(tǒng)各個重要部分進(jìn)行信號采集和處理，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。在設(shè)備運行現(xiàn)場，對各個子系統(tǒng)采用帶無線通信功能的嵌入式設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，避免了有線電纜的使用，技術(shù)人員可以很方便地隨時對設(shè)備進(jìn)行移動監(jiān)測，保證了整個監(jiān)測診斷系統(tǒng)的靈活性。整個設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測由一臺下位機來完成，而故障診斷是由一個上位機來完成，采用無線通信的方式通過無線局域網(wǎng)接入點把信息傳至上位機數(shù)據(jù)庫中。
圖1嵌入式測試分系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)圖
多傳感器將各子系統(tǒng)的需要監(jiān)測的信號測量轉(zhuǎn)換。為減小測試系統(tǒng)對裝備的工作影響，傳感器將采用電流鉗等非接觸測量形式。而在諸如機械表頭等直接接入對系統(tǒng)無影響的測試點將直接接入。
對模擬信號的采集，采集電路將各種傳感器變換的電信號以及性能測試點的電信號進(jìn)行調(diào)理（放大、電量類型轉(zhuǎn)換）后，再經(jīng)多路開關(guān)選擇，送到開發(fā)板（S3C44B0X）的A/D口。
對開關(guān)信號的采集，采集電路將各種傳感器變換的電信號以及性能測試點的電信號進(jìn)行調(diào)理（放大、電量類型轉(zhuǎn)換和電平轉(zhuǎn)換）后，經(jīng)選擇器選擇其中幾位送往開發(fā)板。選擇器采用CPLD。
開發(fā)板擴展了以太網(wǎng)接口，通過無線網(wǎng)卡，采用TCP/IP協(xié)議，把開發(fā)板A/D口轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號經(jīng)過處理后，發(fā)送到上位機。上位機對收到的信號經(jīng)過解碼，還原成原來的數(shù)據(jù)類型，保存到數(shù)據(jù)庫中。
4.系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)
4.1下位機網(wǎng)絡(luò)通訊的實現(xiàn)
網(wǎng)絡(luò)通訊采用的是Socket接口。為了建立Socket，程序可以調(diào)用Socket 函數(shù)，該函數(shù)返回一個類似于文件描述符的句柄。
socket 函數(shù)原型為： int socket（int domain, int type, int protocol）;
domain 指明所使用的協(xié)議族，通常為PF_INET，表示互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議族（TCP/IP 協(xié)議族）; type 參數(shù)指定socket 的類型：SOCK_STREAM 或SOCK_DGRAM，Socket 接口還定義了原始Socket（SOCK_RAW），允許程序使用底層協(xié)議;protocol 通常賦值"0"。
面向連接的客戶程序使用Connect 函數(shù)來配置socket 并與遠(yuǎn)端服務(wù)器建立一個TCP 連接，其函數(shù)原型為：
int connect（int sockfd, struct sockaddr ＊serv_addr,int addrlen）;
Send（）和recv（）這兩個函數(shù)用于面向連接的socket 上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
Send（）函數(shù)原型為： int send（int sockfd, const void ＊msg, int len, int flags）;
recv（）函數(shù)原型為： int recv（int sockfd,void ＊buf,int len,unsigned int flags）;
Sockfd 是接受數(shù)據(jù)的socket 描述符;buf 是存放接收數(shù)據(jù)的緩沖區(qū);len 是緩沖的長度。
4.2一臺下位機測量多個被測對象
相對單片機而言，ARM處理器的成本要高得多，因此，應(yīng)盡量減少下位機的數(shù)量。為此，我們對所有被測對象信號進(jìn)行分類。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計硬件電路部分。利用下位機構(gòu)造最小系統(tǒng)，對于不同的組合，采用相應(yīng)的外圍硬件電路，通過這種方式來實現(xiàn)整個電子設(shè)備所有的被測對象的數(shù)據(jù)采集。這樣，對于整個電子設(shè)備，不用修改下位機電路，而被測對象的識別與信號的選擇，主要靠下位機軟件來完成。我們使用的開發(fā)板的海量存貯器采用了16M的非線性 Flash，并可以通過USB連接，從而可以方便的將不同被測對象的程序下載到開發(fā)板的海量存貯器中。當(dāng)測量不同的被測對象時，下載相應(yīng)的程序到下位機中，即可完成對診斷對象的測試，并把測試結(jié)果發(fā)送到上位機數(shù)據(jù)庫。
4.3上位機總體結(jié)構(gòu)
上位機基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 上位機基本結(jié)構(gòu)
上位機通過無線以太網(wǎng)接收下位機的數(shù)據(jù)，并通過對數(shù)據(jù)包頭部的識別判斷信號類別，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后保存到數(shù)據(jù)庫中。然后通過專家系統(tǒng)對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，完成整個系統(tǒng)的診斷過程。
4.4 知識獲取
診斷知識的完備性和正確性決定了診斷成功與否，因此診斷知識的獲取對診斷系統(tǒng)的建立具有重要意義。診斷知識的獲取方法如下[2]：
（1）參考已有的說明書、維修資料，廣泛征求專家和維修技術(shù)人員的意見和建議，從其成功和失敗的經(jīng)驗和教訓(xùn)中獲取知識。
（2）與維修專家合作，根據(jù)具體故障的特點，在現(xiàn)場做一些故障模擬實驗來獲取實驗數(shù)據(jù)，形成新的診斷知識。
?。?）根據(jù)原理（電路圖），分析整個系統(tǒng)（模塊），抽出所有的故障征兆點（測試點）和故障點（故障單元），盡可能地找出故障征兆點與故障單元的對應(yīng)關(guān)系，建立系統(tǒng)的診斷模型與診斷流程。
（4）通過系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)來獲取知識，由于系統(tǒng)采用多種診斷技術(shù)的集成來進(jìn)行診斷，當(dāng)在某種條件下一種診斷方法無法得出診斷結(jié)論而應(yīng)用其它的診斷方法可以得到正確診斷結(jié)論時，此時的系統(tǒng)輸入輸出狀態(tài)即可作為新的診斷知識加入這種診斷方法的知識庫中，豐富知識庫。
5.結(jié)論
本系統(tǒng)的硬件平臺具有以下特點：
a 平臺采用組合式總線結(jié)構(gòu)，提供標(biāo)準(zhǔn)接口，可裁減、擴充和疊代升級。
b 標(biāo)準(zhǔn)的測試接口設(shè)計，接口擴展能力強，功能完備。
c 信息無線傳輸，便于系統(tǒng)展開，使用方便，靈巧。
系統(tǒng)能夠完成裝備工作過程中的實時在線狀態(tài)監(jiān)測,采集的數(shù)據(jù)通過無線通信模塊送到上位機，通過分析與處理作為裝備的當(dāng)前狀態(tài)參數(shù)。根據(jù)裝備當(dāng)前的狀態(tài)參數(shù)及歷史信息，對設(shè)備的整體性能做出評估和預(yù)測，并可根據(jù)評估結(jié)果給出維修方案。
本文主要創(chuàng)新點：
解決了當(dāng)前軍用電子裝備工作過程中的在線狀態(tài)監(jiān)測問題，利用多種非接觸式的傳感器信息融合技術(shù)、以太網(wǎng)網(wǎng)通信技術(shù)，設(shè)計了現(xiàn)場級嵌入式狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。
參考文獻(xiàn)
[1] 趙榮泳等，ARM嵌人式系統(tǒng)在數(shù)控磨床故障診斷中的應(yīng)用研究[J] 機電一體化Mechatronics 2004年10（3）
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