基于ARM9的便攜式電子控制器檢測系統設計?

秦文姬，黃國兵，彭易博

（西安工程大學計算機科學學院，西安710048）

基于ARM9的便攜式電子控制器檢測系統設計?

秦文姬，黃國兵，彭易博

（西安工程大學計算機科學學院，西安710048）

為確保飛機和機上人員的安全，其發動機的電子控制器的性能指標和運行狀態必須得到有效的監控。介紹了一種基于ARM9的便攜式電子控制器的檢測方法，著重描述了該檢測系統的硬件平臺的研究與設計。系統采用了AT91SAM9263 ARM9微控制器為核心搭建硬件平臺，實現了AO、DI、DO等過程通道，以太網通訊技術作為傳輸手段，實現發動機運行的仿真參數的輸出和電子控制器運行狀態檢測和控制。實驗表明，該系統具有便攜、易操作、控制精度高和可靠性高等特點。

電子控制器；ARM 9處理器；過程通道；Linux移植；數模轉換器DAC7568

1　引　言

隨著電子控制器用戶使用數量的增加及產品出口的出現，主機廠及用戶對便攜式檢測器的需求與日俱增。發動機作為飛機的關鍵設備，其電子控制器檢測設備的研發成為該領域的研究熱點［1－3］。根據項目組實際調研，目前市場上發動機控制器的通用測試方法多采用多臺儀器聯合檢測法［4－5］。由于該方法使用設備過于龐大、所需測試條件不便利等因素，導致電子控制器測試不宜于現場在線檢測，必須在實驗室完成，以致檢測過程繁瑣，效率低下，很多方面已經不能滿足用戶的需求。

針對上述存在的問題，開發設計了一款基于ARM9的便攜式電子控制器檢測系統。該系統能仿真發動機產生試車參數，能夠在不使用發動機的情況下全面檢測控制器的控制功能，繪制檢測曲線，自動記錄檢測數據，存儲檢測數據，并可以查看和打印檢測報告，有效幫助檢測人員分析判斷電子控制器是否存在故障。還可以下載電子控制器記錄的發動機運行狀態曲線，對發動機的運行狀態進行及時在線檢測。檢測時間短，準確性高，能夠正確引導工作人員及時進行調整和處理故障。

2　系統結構及工作原理

該檢測系統主要包括以下模塊：控制模塊（控制芯片AT91SAM9263）、D／A數模轉換模塊、數字量輸入／輸出模塊、模擬量輸入／輸出模塊、UART串行通信模塊、以太網通訊模塊、USB模塊和LCD顯示器模塊等。

該系統以ARM微處理器AT91SAM9263芯片為核心專用計算機，通過AO和MUX分時向多個通道發送發動機啟動過程中的狀態參數，同時采用AI和DI過程通道實時采樣、顯示和記錄發動機啟動過程中的狀態參數，以便判斷發動機和電子控制器的工作狀態是否正常。同時，該計算機還需要下載并顯示電子控制器記錄的發動機運行狀態曲線，向電子控制器下載控制程序，指定當前運行的控制程序。另外，使用DO過程通道實現信號選擇開關、通訊自檢信號控制開關、起動按鈕等功能。AI／O，DI／O過程通道需根據信號特征和實時性指標專門設計。而計算機系統的異步串口、網口、USB、鍵盤、鼠標、液晶顯示器等外設接口，采用開發板提供的標準設計方案即可。系統工作原理圖如圖1所示。

圖1　系統總體框架圖

3　硬件電路設計

3．1ARM9 CPU板和周邊電路設計

作為整個硬件系統的核心控制部分，該部分主要包括了CPU的選擇和配置以及設計周邊電路包括RS232接口、以太網接口、JTAG接口、USB接口擴展等。介于篇幅有限，在這里重點介紹一下相對復雜的CPU的選擇和配置、RS232接口以及USB接口擴展電路的設計。

3．1．1CPU核心板的選擇及接口電路

作為整個硬件平臺的核心，CPU的選擇至關重要。基于安米公司MDK9263核心板上擴展了存儲器使得軟件系統可以直接運行，這樣硬件平臺的設計就直接簡化為外部通道擴展設計，大大節省了產品設計周期。因此，為簡化硬件系統設計，項目組采用該核心板作為硬件平臺的中央處理器。MDK9263核心板上載有ARM9處理器，64MB SDRAM，128MB NAND FLASH，10M／100M網絡以及豐富的Linux軟件資源，應用擴展非常方便［6］。該板上的ARM9處理器采用ATMEL公司AT91SAM9263芯片，片上載有USB HOST，USB Device，CAN，以太網，EBI總線，3個USART，DBGU，SPI等豐富的資源，具有體積小、低功耗、低成本和高性能等優點［7－11］。

MDK9263核心板通過兩個100針1．27間距的雙排連接器實現GPIO和外設控制器信號引出。根據應用需要，模板使用其中的部分信號，包括GPIO、SPI、網絡、TFT、JTAG等。與MDK9263核心板對接的連接器電路原理圖如圖2所示。

3．1．2RS232接口

為了實現目標機信息下載和應用軟件上傳，主板設計了一個RS232接口與目標機通信。另外，為了實現Linux操作系統的超級終端接口，同時擴展了另一路RS232接口，兩個接口可以并行工作。

RS232接口電路采用SP202E實現，該芯片實現了2組收發信號的電平轉換，正好可以實現兩個簡化的RS232通道接口。

3．1．3USB接口擴展

由于檢測系統的鼠標、鍵盤、打印機、U盤均需要USB接口連接，而AT91SAM9263自身只有兩個主方式USB接口，顯然不能滿足當前需要，因此必須擴展USB接口的數量。方法是通過一個USB HUB（1：2）電路擴展出來兩個USB接口，這兩個接口用于連接鍵盤和鼠標。

MDK9263核心板內置兩路主方式的USB控制器，其中1路直接引出，另一路接USB HUB擴展成兩路USB接口，用于外接U盤、鍵盤和鼠標。

3．2電源系統設計

整個檢測儀的電源設計分為外部供電設計和內部電壓轉換設計。

外部供電方案：根據協作企業提供的工作電壓為＋27V，為方便用戶在使用過程中更容易找到供給電源，計劃采取雙電源供電方案（AC220V和DC27V）來解決外部供電問題。當兩路電源都正常時，系統自動取其中一路電源供電；當主供電源異常時，系統自動切換到備用電源工作。

內部供電方案：檢測儀內部共需＋12V、＋5V、＋3．3V三種不同電壓，它們分別用于液晶顯示器供電、數模轉換模塊供電以及CPU供電。根據檢測系統內部模塊的電源需求各不相同，計劃采用內部電壓轉換模塊方案將＋27V轉化為各個模塊所需電壓來解決內部供電問題。

圖2　與MDK9263核心板對接的連接器電路原理圖

根據上述電源設計方案，需要在機箱內部安裝合適的電源模塊，但電源模塊體積較大，而機箱內部空間有限會影響到主板的設計安裝。通過與用戶協商，最終采用AC220Vto27V電源適配器給檢測系統供電，這樣大大簡化了供電系統的設計。

最終采用的電源設計方案為：機箱上安裝一個3P的航空插頭接入27V電源，如果接入AC220V電源，則需通過電源適配器連接，否則可直接連接27V電源。

3．3過程通道設計

檢測系統的過程通道包括AO、DI和DO三大部分。AO過程通道的主要功能是將已經采集好的發動機狀態參數，通過數模轉換，轉換成電子控制器能接收的模擬量。DI過程通道的主要功能是接收電子控制器反饋的發動機運行狀態信息。DO過程通道主要用于人機交互時的狀態設置。下面分別介紹這三個過程通道的工作原理。

3．3．1AO過程通道

檢測系統要同時或分時產生4臺發動機的轉速和溫度曲線，而這個過程需要用AO過程通道實現。根據項目需要輸出9路模擬量信號和CPU的接口資源，因此需采用兩片模數轉換器DAC7568擴展實現。DAC7568內部集成了8個獨立的12位DAC，滿足輸出精度要求。如果需要提高輸出精度，相同封裝的14位／16位DAC轉換器可以直接替代，設計冗余度大。這里以其中2路模擬信號輸出為例介紹AO過程通道的工作原理，如圖3所示。

DAC7568采用SPI同步外設總線與CPU連接，兩片DAC7568連接在同一條SPI總線上，采用片選信號進行分時訪問控制，圖3中的片選信號為PB15。SPI的時鐘線為SCLK（PB14），數據線MOSI為PB13。數據通信采用單工方式，即數據只從CPU發送到DAC7568。PB17為DA輸出清除控制線。

根據目標機輸入信號或者發動機傳感器輸出信號的特點，這里使用運算放大器對輸出信號的范圍進行調整。DA輸出標定時以DAC7568的滿碼值為準，其輸出范圍為0－5V，對應目標機的輸入范圍，采用分壓和比例縮小進行量程范圍的調整。

3．3．2DI過程通道

發動機的運動狀態是否正常以及是否要進行切油工作或者進入等待運行狀態，這些信號均由DI過程通道實現。根據系統需求，硬件平臺共需實現10路DI過程通道，用于采集監視目標機的輸出狀態。由于DI信號的驅動電平為27V，為了實現信號轉換，需采用光電耦合器將27V電源轉換到5V電源，并實現信號隔離，提高過程通道的抗干擾能力。

DI回路的限流電阻為3K，驅動光耦的電流約為9mA，符合光耦驅動電流的要求。回路中的電容和限流電阻構成RC濾波電路，過濾回路中的干擾信號。反接二極管用于保護光耦的發光管，在出現過高的反向電壓時，二極管導通，避免反向電壓加載光耦的發光管，造成光耦發光管的永久損壞。回路中的磁珠用于吸收高頻干擾信號。

輸出回路中的上拉電阻用于確定光耦的輸出狀態，光耦內光敏管導通時采集點處于低電平，截止時處于高電平。光耦輸出的數字信號直接連接到CPU的GPIO引腳，實現輸入信號的采集訪問，DI過程通道實現原理如圖4所示。

圖3　AO過程通道工作原理圖

圖4　DI過程通道

3．3．3DO過程通道

DO過程通道主要實現人機交互時的狀態設置。通常情況下，檢測系統上的狀態設置多采用按鍵、旋鈕和波段開關設置。由于便攜式檢測系統上的空間很小，不適合安裝這些組件。于是，決定采用軟件界面設置，硬件上通過繼電器觸點給定設置狀態的方案解決此問題。

DO過程通道采用DS1E－S－24V繼電器進行觸點信號輸出，該繼電器的線包能承受30V輸入電壓，直接采用檢測系統內的27V電源驅動。電路中設計了一個200歐電阻進行分壓，來降低線包兩側的電壓，用于將其控制在標準的24V。繼電器線包兩側反接的二極管為泄放二極管，在控制繼電器觸點打開時，放掉線包中儲存的電量，防止繼電器觸點不能分開或延遲分開。

為了推動繼電器分合，這里采用PS2702帶達林頓輸出的光電耦合器，采用這種光耦設計開關量過程驅動通道可以大大簡化電路設計。CPU通過GPIO管腳控制繼電器的分合操作。光耦驅動采用74LVC125實現，提高GPIO管腳的驅動能力。DO通道的原理圖如圖5所示。

4　軟件設計

由于Linux免費開放源代碼，不僅顯著降低了嵌入式操作系統的使用成本，而且還能實現復雜程序的處理，因此Linux正在成為越來越多公司的軟件平臺［12－14］。本檢測系統以嵌入式Linux操作系統為軟件平臺，使用C和匯編語言編程。根據嵌入式系統對功能、體積、資源等方面要求嚴格的特點，檢測系統根據軟硬件的需求，對Linux內核進行定制，裁掉多余的功能模塊，降低成本的同時提高了執行效率［15－16］。這里以編譯裁剪和移植為例，其過程如下：

（1）安裝虛擬機，安裝Red Hat企業版5，下載相關軟件包。

（2）安裝工具鏈，根據工具鏈創建軟連接，輸入命令如圖6，連接結果如圖7所示。

（3）在系統路徑下添加工具鏈路徑：在bashrc文件中添加／9263／codesourcery／bin。

（4）為本開發平臺安裝廠家提供的補丁包，只有安裝過補丁的系統才能正常工作。

（5）更改時鐘頻率（18．432MHz），編譯bootstrap。

（6）為了適應控制器設備硬件平臺，需要刪除原有配置，重新對Linux進行相應配置，并對相關功能進行裁減。輸入如圖7所示的配置命令進入配置環節，選擇移植的硬件平臺Atmel AT91SAM9263，修改所需的其它配置及相關參數，然后對其進行編譯生成zImage。首次編譯比較耗時，大約需要20分鐘。

圖5　DO過程通道電路原理圖

圖6　創建軟連接命令

圖7　配置命令

（7）在本平臺下需要將zImage編譯成uImage，復制mkimage到Linux對應的boot目錄。

內核經裁剪后編譯形成鏡像文件，再通過超級終端將編譯好的系統鏡像燒錄到目標機中。在完成Linux操作系統剪裁制作之后，裝入到所設計、生產好的硬件平臺，Linux操作系統能正常引導運行，超級終端顯示的信息正常。

5　測試和結論

該系統采用ARM9處理器集成SOPC系統，很好地解決了電子控制器檢測系統的電源設計以及過程通道問題，方便快捷地完成了電子控制器的現場檢測工作。下面給出了三個通道中最復雜的AO過程通道測試的實驗結果。

CPU采用SPI接口與DAC7568通信，將設定參數傳遞給DAC7568，通過DAC7568數模轉換實現模擬量輸出。對于SPI通信接口調試，采用邏輯跟蹤儀配合軟件開發人員監視通信時序，檢驗軟件輸出波形的正確性，如圖8所示。軟件開發人員借助于Linux自帶的SPI驅動程序，向DAC7568發送輸出命令，控制DAC7568按指令輸出。在完成AO軟件設計之后，和軟件開發人員協作，完成AO通道的標定和曲線數據連續輸出測試。表1給出了一小部分標定結果，根據結果可知，各數模轉換器的系統標定測量值與標定值的誤差在允許范圍之內。圖9給出了連續測試曲線，輸出測試采用高精度Fluke測試儀，檢驗輸出精度和響應的實時性。

表1　AO過程通道標定結果

圖8　邏輯跟蹤儀記錄的SPI通信時序圖

圖9　邏輯跟蹤儀記錄的SPI通信時序圖

6　結束語

實驗表明，該系統能夠實現電子控制器參數的實時采集、傳輸、顯示，較好地完成了電子控制器的檢測工作。該系統不僅實現了小型化和便攜化，而且能滿足檢測系統的分析性能要求，完全適用于電子控制器的現場檢測。

［1］張偉，周鳳星，嚴保康．基于ARM9和Linux的機械故障診斷儀的設計［J］．電子技術應用，2014，40（8）：76－79．Zhang wei，Zhou Fengxing．Yan Baokang．Design of mechanical fault diagnosis instrument based on ARM9 and Linux［J］．Application of Electronic Technique，2014，40（8）：76－79．

［2］蔡錦達，齊建虹，顧豪．基于ARM9的滾筒式生物芯片點樣儀的研發［J］．儀器儀表學報，2013，34（10）：2198－2203．Cai Jinda，Qi Jianhong，Gu Hao．Research and development of roller biochip microarrayer based on ARM9［J］．Chinese Journal of Scientific Instrument，2013，34（10）：2198－2203．

［3］WANG J N，WANG W．The Common Data Acquisition System Based On ARM9［C］．／／The tenth International Conference on Electronic Measurement＆Instruments．Chengdu，2011：324－327．

［4］劉軍山，王寧，徐征，等．基于ARM9的便攜式電容耦合非接觸電導檢測器［J］．分析化學，2013，41（4）：616－620．Liu Junshan，Wang Ning，Xu Zheng，et al．A Portable Capacitively Coupled Contactless Conductivity Detector Based on ARM9 Microprocessor［J］．Chinese Journal of Analytical chemistry，2013，41（4）：616－620．

［5］溫宗周，劉國旭．基于以太網的電網電力參數在線監測裝置設計［J］．微型機與應用，2012，31（24）：84－86．Wen Zongzhou，Liu Guoxu．Design of on－line monitoring device of grip power parameters based on the Ethernet［J］．Microcomputer＆Its Applications，2012，31（24）：84－86．

［6］章國平．MDK9263核心板板載資源［EB／OL］．（2014－10－11）／［2015－02－20］．http：／／detail．1688．com／offer／431992585．html．Zhang Guoping．Hangzhou ARM Electronic Co．，Ltd．［EB／OL］．［2015－02－20］．http：／／detail．1688．com／offer／431992585．html．

［7］周立功，等．ARM嵌入式系統基礎教程［M］．北京：北京航空航天大學出版社，2005．Zhou Ligong，et al．ARM Embedded System Basic Course［M］．Beijing：Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，2005．

［8］馬忠梅，李善平，康慨．ARM＆Linux嵌入式系統教程［M］．北京：北京航空航天出版社，2004．Ma zhongmei，Li Shanping，Kang kai．ARM＆Linux Embedded System Basic Course［M］．Beijing：Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，2005．

［9］WANG H Z，YAN P，YU H L，et al．Civil Air Defence Alarm System Based On Embedded Linux［C］．The 11th IEEE International Conference on Electronic Measurement＆Instruments，Haerbin，2013：697－699．

［10］LAN J L，SONG G，JIANG L，et al．Design and Implement of ARM－Based Tobacco Feeding Control System［C］．the 25th Chinese Control and Decision Conference，Guiyang，2013：510－513．

［11］陳天華，唐海濤．基于ARM和GPRS的遠程土壤墑情監測預報系統［J］．農業工程學報，2012，28（3）：162－166．Chen Tianhua，Tang Haitao．Remote monitoring and forecasting system of soil moisture based on ARM and GPRS［J］．Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2012，28（3）：162－166．

［12］Texas instruments［EB／OL］．［2015－03－01］．http：／／www．ti．com．cn／product／cn／dac7568？DCMP＝PPC_ Google_TI＆k_clickid＝0cc3b8c4－5ae4－3388－830a－00004fa2d63b．

［13］耿道渠，郭春，李小龍，等．基于ARM9的嵌入式Linux系統移植研究與QoS功能實現［J］．四川大學學報（自然科學版），2014，51（4）：719－724．Geng Daoqu，Guo Chun，Li Xiaolong，et al．Research on the transplantation of the embedded Linux system and QoS functions realization based on ARM9［J］．Journal of Sichuan University（Natural Science Edition），2014，51（4）：719－724．

［14］趙春媛，李萌，韓會山，等．基于ARM9的無線視頻監控系統設計與實現［J］．計算機工程與設計，2012，33（2）：529－534．Zhao Chunyuan，Li Meng，Han Huishan，et al．Design and implementation of wireless video monitor system based on ARM9［J］．Computer Engineering and design，2012，33（2）：529－534．

［15］卞蕓．ARM9平臺上的嵌入式Linux系統移植研究［D］．重慶：重慶大學，2011．Bian Yun．embedded Linux system's Transplantation based on ARM9 platform［D］．Chongqing：Chongqing university，2011．

［16］WU Y，WU T，LIU P．Smart Home System Based on ZigBee and ARM［C］．The 11th IEEE International Conference on Electronic Measurement＆Instruments．Haerbin，2013：772－777．

Design of Portable Electronic Controller Detection System Based on ARM9

Qin Wenji，Huang Guobing，Peng Yibo
（Institute of Computer，Xi'an Polytechnical University，Xi'an 710048，China，China）

In order to ensure the safety of the aircrafts and the crews，the performance and operational status of the engine＇s electronic controller must be validly monitored．A portable electronic controller detection system based on ARM9 is introduced in this paper，and hardware platform design is emphatically described．Using the AT91SAM9263 ARM9 microcontroller as the core of the hardware platform and Ethernet communication technology for transmission，the system completes the AO，DI and DO processes channel and achieves output of the engine＇s running simulation parameters，and monitoring and controlling for the electronic controller operating status．The experiments show that the system has advantages such as portable and easy operating，high precision and reliability．

Electronic controller；ARM9 processor；Processes channel；Linux transplant；DAC7568

10．3969／j．issn．1002－2279．2016．05．019

TP368．1

A

1002－2279（2016）05－0078－06

?2016年陜西省大學生創新創業訓練計劃項目

秦文姬（1981－），女，山西省臨縣人，講師／碩士，主研方向：計算機測控、嵌入式系統應用。

2015－12－22