摘要：提出一种工程装备在线监测与故障诊断的无线嵌入式系统方案，各检测终端固化于工程装备上，主机与各检测终端通过无线网络通讯，从而免去了主机与各终端间的连接电缆，使系统实现了智能化和小型化；同时介绍了系统的软硬件组成和工作原理。
关键词：工程装备；故障诊断；无线嵌入式系统
中图分类号：TP311文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2008)22-828-02
Embedded Engineering Equipment Design Fault Diagnosis System
ZHANG Peng
(National University of Defense Technical,Commanding officers based Institute of Education,Changsha 410037,China)
Abstract: This paper presents an engineering equipment on-line monitoring and fault diagnosis of wireless embedded systems programmes, the terminal detection equipment on the curing of the project, the host and the detection terminal through a wireless network communications, thus replacing the mainframe terminals with the Connecting cables, allowing the system to achieve the intelligent and small; at the same time introduced a system of hardware and software components and principle.
Key words: engineering equipment; fault diagnosis; wireless embedded systems
1 引言
实时数据分析实现故障预警和故障诊断, 以及对装备历史使用数据进行存储及处理, 发现装备故障规律和故障深层次原因对装备的技术工艺改进和日常保养具有重要意义。为此我们提出了一种基于ARM (Advanced RISC Machines) 嵌入式的无线故障诊断系统, 用一个低成本网络设备系统和工程装备固化在一起, 把要监视的传感器信号存储起来, 或通过嵌入式无线网络发送到上位机上显示和处理, 构成在线实时或历史数据监测、报警和诊断分析于一体的嵌入式无线远程监控系统, 提供装备寿命周期内的技术服务和维修保障服务, 实现工程装备检修的智能化。
2 系统组成
系统选用三星公司S3C2410嵌入式开发系统，具有高性能、低功耗、低成本和体积小等优点，内嵌ARM920T核和一只64Mb NAND Flash 存储器, 带有全性能的MMU 和8个GPIO (通用I/O端口)，其扩展板囊括了USB、UART、GPIO (通用I/O端口)，其扩展板囊括了USB、UART、SD、PCMCIA 和10 Mbps以太网接口，具有16/32位双指令集，三级流水线指令结构使系统具有较高的执行速度，最高可达202 M。与工业控制计算机相比，采用ARM嵌入式系统不仅能满足系统的运算速度、数据采集和网络功能要求，而且将ARM嵌入式系统固化在工程装备上可以实现装备状态的实时检测与记录，并向小型化和智能化迈进了一步，并且在检测点增多的情况下易于系统下位机(无线嵌入式检测系统)的扩展。
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图1 系统硬件组成
该系统由上位机、下位机、信号转接与调理电路和传感器电路等组成, 如图1 所示。上位机是处理能力比较强并附无线网卡的台式机或便携式计算机，下位机就是附无线网卡的嵌入式计算机系统，针对系统的实际需要，我们对S3C2410扩展板进行了调整，去除那些不需要的部分，保留了下载程序用的JTAG接口、一个串口用于调试程序和PCMCIA无线网卡通信模块，增加了I/O光隔电路和AD转换电路。为了防止外部输入的模拟信号干扰嵌入式下位机的运行，在扩展板上增加了AD转换电路，采用德州仪器公司的AD转换芯片TLC2543，它具有11个输入通道12位转换精度10μs的典型转换时间，以SPI总线格式与嵌入式核心板进行数据通信；在扩展I/O接口电路时，采用了VISHAY半导体公司的ILD615系统的光隔芯片，提高了系统的抗干扰能力与可靠性。
系统硬件主要集中于下位机设计与检测点信号的引入方面。由于系统具有在线检测的功能，为了不影响装备的操作性能，采用并联的方式将信号引出，比如在实际电缆的插头和插座之间加入一对转接插座和插头，而检测信号就从这对转接头中引出。为了不影响实际的电信号参数，系统采取了高输入阻抗探针型接入方式，既能将工作过程的各类信号有效引出，又能实时监测武器装备控制系统的运行状态，并且不影响整个装备的正常工作，还能更好地实现检测仪与装备的隔离，为在线监测的实现奠定基础。
2.1 工作原理
嵌入式系统最基本的工作单元是传感器，固化在装备上各传感器将相应检测点的液压、机械和电信号等状态转换成相应的数模信号，经由信号转接与调理电路，连接到嵌入式系统的相关接口电路，从而实现装备相关状态信息的采集。上位机与下位机之间通过无线网络实现命令发送和采样数据信息回复等数据交换。具体工作流程为：系统启动后，在实时情况下，上位主机将根据检测流程实时地向各下位机发出要求检测数据的命令，下位机接收到命令后对相应点位进行测量，并将测试数据上传至上位主机，命令和数据的传输均采用无线通讯方式，上位主机对数据进行分析处理后一方面将相关信息向用户实时显示，同时在各种检测算法的支持下给出检测诊断结论与故障信息。
系统采用二级分布式计算机智能检测和无线数据传输等新技术，针对装备的电-液控制系统I/ O、模拟和开关信号多，还有大量执行机构和控制继电器的工作状态需要检测，单个嵌入式系统无法满足实际检测需要，为此可采用三个以上的嵌入式系统，它们各自有独立的IP地址，以服务器与客户端模式建立上下位机的通信，在数据通讯量不是太大的情况下可以满足数据实时传输的要求。为了尽量减少上下位机网络通信的数据传输量，提高单次传输数据的有效信息量，降低下位机的负载和能耗，根据装备结构和各信号采集点的实际分布，结合装备操作过程中的各信号逻辑关系，对信号进行了分组，尽量将那些需要同时检测概率较大的采集信号安排由同一下位机采集。
2.2 监测终端软件设计
下位机的核心就是嵌入式S3C2410开发系统，其采用的是linux2.4.18内核，根据实际需要可对内核代码进行重新编译，从启动加载选项中去除那些不需要的驱动程序，如IDE、SD卡等驱动，从而减小了内核运行时占用的空间。
①I/O、SPI和中断驱动程序的开发。在系统内部，I/O设备的存取通过一组固定的入口点完成与外部的通信，常用的字符型设备驱动程序入口点函数有open、read、write、ioctl和close等入口点函数，驱动开发的主要工作是如何实现这些函数，对这部分函数的调用使程序运行环境由用户态进入核心态。这里要注意的是因为S3C2410使用了MMU的地址映射功能，所以在访问核心板的GPIO时, 应该去访问GPIO的相对应的虚拟地址，而非实际的物理地址。为了便于程序的调试，需开发模块化的驱动程序，这样可以通过insmod drv.o和rmmod drv.o命令，通过NFS (网络文件系统)动态地加缷载驱动程序，从而降低程序调试的工作量。
②采集数据的存储和网络数据传输程序的开发。在上位机没有要求将采集数据实时发送的情况下，下位机要将采集的数据存储起来以备将来调用。但K9F1208UOM芯片是以页和块为基本单位的存储结构，其64M共分4096块×32页×528字节，最小写入单元为一页，即512字节(另外16字节用以存储数据校验、标识等信息)，为了将每次采集的数据区别开，对每次采集的数据以特定的格式加以编码：标识头+一次采集数据，因此在N Flash中存储的数据内容应该为：AA +数据+AA +数据，如此持续。为了防止频繁的写入数据而消耗大量的系统时间，我们不将每次采集到的数据立即存储，而是在系统中开辟一16页大小的缓冲区，只有当采集数据累积达到16×512 bytes时，系统才存储一次， 这样利用较小的系统空间节约大量的系统时间，从而提高了系统效能。在与上位机实时通讯的情况下，与前述同样的数据格式进行编码，只是当采集数据累积达到16×512 bytes时，下位机把数据发送出去，上位机通过接收信息的标识来辨识该信息来自哪个下机位及该信息类型，然后依据不同信息的处理要求进行相应处理。
2.3 上位机软件设计
上位机程序是整个系统软件的主体，包括Delphi开发的程序和数据分析处理程序两部分。Delphi 程序的任务是完成通过无线网络选择性控制某个下位机的数据采集，接收、辨识和存储，这一系列动作，并通过可视化界面以曲线的方式将某些装备信息动态的显示给用户。数据分析处理程序可利用Matlab等专用数学分析处理软件编写的，任务是对前者接收到的采集信息进行分析处理。在对该装备工作原理进行深入分析的基础上，结合模式识别和神经网络的分析方法，建立该装备所有操作工作步骤的数学模型，通过对检测到的各种特征量与模型进行分析比较，应用神经网络的分类功能, 判断当前工作步骤及状态，并将处理结果通过可视化界面向用户显示出来。
3 结束语
无线嵌入式系统运用到工程装备的故障诊断，使工程装备故障检测实现智能化和小型化，降低故障诊断系统的外在复杂程度，从而提高诊断系统的可靠性，通过对大量检测数据的分析处理，结合工程装备的信息数据库，能发现装备运行中潜在的问题和及时给出维修解决方案，同时为装备的自身技术升级改进奠定基础。
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