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)絡通信技術(shù)，設計了現(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
某電子設備結(jié)構(gòu)復雜，復合功能強，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)配套檢測維修設備的依賴性強，對維修人員要求高。建立對電子裝備及時進行故障診斷的系統(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，將ARM嵌入式系統(tǒng)應用到電子設備故障診斷領(lǐng)域，以達到診斷系統(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 為手持設備和一般類型應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 標準宏單元和存儲編譯器。它的低功耗精簡和出色的全靜態(tài)設計特別適用于對成本和功耗敏感的應用。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，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：
（1） 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） 設計資料齊全，包括設計原理，設計圖樣，各種技術(shù)報告，分析報告，試驗數(shù)據(jù)等;
（3） 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（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） 使用電子設備的不是設計人員，對裝備只有定性的了解;
（6） 由于環(huán)境復雜，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：
（1）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備進行狀態(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備進行移動監(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)絡通訊的實現(xiàn)
網(wǎng)絡通訊采用的是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 并與遠端服務器建立一個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行分類。在此基礎上，設計硬件電路部分。利用下位機構(gòu)造最小系統(tǒng)，對于不同的組合，采用相應的外圍硬件電路，通過這種方式來實現(xiàn)整個電子設備所有的被測對象的數(shù)據(jù)采集。這樣，對于整個電子設備，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。當測量不同的被測對象時，下載相應的程序到下位機中，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。
（3）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)的自學習來獲取知識，由于系統(tǒng)采用多種診斷技術(shù)的集成來進行診斷，當在某種條件下一種診斷方法無法得出診斷結(jié)論而應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)，提供標準接口，可裁減、擴充和疊代升級。
b 標準的測試接口設計，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前狀態(tài)參數(shù)。根據(jù)裝備當前的狀態(tài)參數(shù)及歷史信息，對設備的整體性能做出評估和預測，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)，設計了現(xiàn)場級嵌入式狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。
參考文獻
[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用研究[J] 機電一體化Mechatronics 2004年10（3）
[2] 潘向峰,岳春生 Intel Xscale PXA255 USB主控制器的實現(xiàn)[J] 微計算機信息2005 Vol.21 No.4 P.146-147,81
