基于嵌入式技術(shù)的某型舟橋狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究

文建祥， 彭 川， 魯吉林， 雷增宏

（1.陸軍工程大學(xué)， 江蘇 南京 210007； 2.中國人民解放軍31605部隊， 江蘇 南京 211122；3.中國人民解放軍69006部隊， 新疆 烏魯木齊 830001）

引言

隨著機(jī)械化、信息化進(jìn)程在舟橋裝備中的推進(jìn)，液壓與電控技術(shù)等廣泛應(yīng)用于舟橋裝備。舟橋裝備在向著強(qiáng)大的保障能力、快速的機(jī)動能力、便捷的作業(yè)能力、良好的適應(yīng)能力、較強(qiáng)的生存能力方向發(fā)展的同時，裝備的復(fù)雜化程度不斷提高，其本身的技術(shù)保障問題日顯突出。

舟橋裝備屬于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)、電、液綜合系統(tǒng)，在舟橋裝備中應(yīng)用嵌入式狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)，可有效地將技術(shù)保障考慮納入裝備的全壽命過程，在裝備的設(shè)計、研制、試驗、使用過程中獲取裝備的技術(shù)保障資源，實現(xiàn)裝備運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，通過對狀態(tài)參數(shù)的處理、分析，確定系統(tǒng)整體或局部是否正常，以便提前發(fā)現(xiàn)故障，查明原因并掌握故障發(fā)展趨勢，最終實現(xiàn)裝備運行狀態(tài)的主動控制，達(dá)到主動預(yù)防性維修的目的，大大縮短其故障停機(jī)時間，有效提高裝備的可靠性和可維護(hù)性，保證裝備的戰(zhàn)備完好率和任務(wù)完成率，為舟橋裝備的使用維護(hù)提供一種低費用、高效率的主動預(yù)防性技術(shù)保障手段，不僅平時可為工廠生產(chǎn)和部隊維修提供故障原因判別和界定方法，更可在戰(zhàn)時極大地提高裝備的搶修速度，提高裝備的綜合作戰(zhàn)能力，以獲得明顯的經(jīng)濟(jì)效益和軍事效益。

本文將嵌入式技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于某型舟橋的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中，對其故障進(jìn)行在線監(jiān)測和離線分析，可為我軍舟橋裝備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷提供一種低費用、高效率的主動預(yù)防性維修技術(shù)保障手段，實現(xiàn)舟橋裝備實時狀態(tài)監(jiān)測、故障報警與故障診斷等，為舟橋裝備的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷提供技術(shù)支持。

1 嵌入式狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)總體技術(shù)方案

1.1 功能要求

1.1.1 狀態(tài)監(jiān)測要求

對橋腳動力舟進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測時，首先應(yīng)選取監(jiān)測對象。監(jiān)測對象是在裝備出現(xiàn)故障后能否快速定位故障部位及順利完成故障維修的直接反映。監(jiān)測對象的選擇分析較為復(fù)雜，必須選取具有代表性且與其他部件聯(lián)系較為密切的對象，對這些對象的運行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，獲取橋腳動力舟的工作狀態(tài)。根據(jù)GZQ240型重型舟橋橋腳動力舟使用技術(shù)狀態(tài)監(jiān)測需求，結(jié)合故障監(jiān)測與診斷的相關(guān)知識理論，最終選取監(jiān)測對象為：液壓系統(tǒng)各回路與電控操作系統(tǒng)。

1.1.2 模塊設(shè)計

故障診斷部分也是本項目系統(tǒng)設(shè)計的重要部分，要求能夠針對不同故障形式，利用采集的數(shù)據(jù)及人機(jī)對話結(jié)合相應(yīng)的故障診斷方法準(zhǔn)確地判斷出故障部位，并給出相應(yīng)的維修措施，指導(dǎo)維修保障人員進(jìn)行故障的排除和設(shè)備的維修。

系統(tǒng)分為自主檢測和故障現(xiàn)象檢測兩種模式，維修保障人員可以在相應(yīng)的回路中查找故障原因，也可以選擇通過常見故障現(xiàn)象進(jìn)行故障檢測。

1.2 系統(tǒng)總體方案

嵌入式狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)是一個集信號采集、工況分析、狀態(tài)顯示以及故障診斷為一體的多任務(wù)信息處理系統(tǒng)，為了解決狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷中多任務(wù)與實時性的矛盾，整個系統(tǒng)由狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷兩個子系統(tǒng)組成，其中一個子系統(tǒng)完成液壓系統(tǒng)狀態(tài)實時監(jiān)測功能，后一個系統(tǒng)完成故障診斷功能。單片機(jī)系統(tǒng)是最常用的現(xiàn)場隨機(jī)實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，技術(shù)上容易掌握，且系統(tǒng)具有擴(kuò)展能力。

按照模塊化的設(shè)計思想，采用“技術(shù)狀態(tài)信息采集（傳感器）→信號處理（A/D轉(zhuǎn)換及處理）→中央邏輯運算與技術(shù)狀態(tài)鑒別→故障分析與診斷→技術(shù)信息查詢→故障定位”的系統(tǒng)方案，系統(tǒng)方案如圖1所示，系統(tǒng)分為上、下位機(jī)兩個部分。

圖1 系統(tǒng)方案設(shè)計框圖

其中，下位機(jī)由單片機(jī)配以相應(yīng)的傳感器以及采集電路等組成，主要完成現(xiàn)場信號的采集和信號濾波、放大等預(yù)處理。

上位機(jī)的核心部件是嵌入式處理器，負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和處理、分析和協(xié)調(diào)，監(jiān)測各個傳感器參數(shù)以及自動報警等功能，用于對下位機(jī)信號采集處理系統(tǒng)采集的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而通過數(shù)據(jù)對比進(jìn)行故障定位、故障查詢以及故障維修指導(dǎo)等。

2 硬件平臺設(shè)計

2.1 硬件平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

硬件系統(tǒng)主要包括上位機(jī)和下位機(jī)兩部分。其中，上位機(jī)以嵌入式系統(tǒng)為核心，負(fù)責(zé)工況分析、狀態(tài)顯示以及故障診斷等任務(wù)，為一體的多任務(wù)信息處理系統(tǒng)。為了解決狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷中多任務(wù)與實時性的矛盾，整個系統(tǒng)由狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷兩個子系統(tǒng)組成，其中下位機(jī)完成系統(tǒng)狀態(tài)實時監(jiān)測功能，上位機(jī)完成工況分析、狀態(tài)顯示以及故障診斷等功能。上位機(jī)以嵌入式工控機(jī)軟硬件系統(tǒng)為核心進(jìn)行開發(fā)，下位機(jī)基于單片機(jī)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、嵌入式技術(shù)和傳感器技術(shù)，結(jié)合驅(qū)動軟件和嵌入式軟件系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，包括硬件技術(shù)方案、硬件零部件的選型、硬件驅(qū)動程序的開發(fā)與仿真調(diào)試等，根據(jù)下位機(jī)的技術(shù)方案，可以完成信號的采集以及預(yù)處理和在線監(jiān)控等。

2.2 上位機(jī)硬件系統(tǒng)研制

2.2.1 工控機(jī)的選型

根據(jù)舟橋裝備狀態(tài)監(jiān)測的要求，選用X86系列的PM-PV-N455模塊。該模塊支持Windows XP SP3操作系統(tǒng)，滿足設(shè)計和使用要求。

2.2.2 電源模塊的選型與電路設(shè)計

狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的電源模塊為上位機(jī)、下位機(jī)提供電源。由于數(shù)據(jù)精度高、外部干擾強(qiáng)，選擇電源模塊型號的主要要求是穩(wěn)定可靠，在穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)上選擇寬壓輸入范圍的電源模塊可以提高狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和適應(yīng)性，在各種條件下都可以利用+24 V舟載蓄電池為狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)提供電源。

電源模塊選用160 W智能DC/DC ATX變換器，該變換器具有高效率、薄尺寸、標(biāo)準(zhǔn)ATX輸出等特點，適用于車載電腦、工控機(jī)等多種用途。電源的輸入范圍可達(dá)6～30 V，能夠適應(yīng)大多數(shù)工程機(jī)械的電源規(guī)格。

該電源模塊的特點是：高效率、薄尺寸；支持睡眠模式，支持遙控功能；帶智能控制ITPS點火功能；標(biāo)準(zhǔn)ATX輸出；6～30 V寬輸入范圍設(shè)計可選；具有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力。

2.2.3 上位機(jī)硬件系統(tǒng)的集成

通過對工控機(jī)、液晶屏及觸摸屏的選型調(diào)試，實現(xiàn)上位機(jī)硬件的設(shè)計。工控機(jī)在啟動后運行Windows XPE系統(tǒng)，通過CAN總線與下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；液晶屏啟動實現(xiàn)顯示功能，觸摸屏通過USB總線與工控機(jī)實現(xiàn)交互。至此，上位機(jī)硬件能夠穩(wěn)定讀取下位機(jī)采集處理后的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的主機(jī)人機(jī)交互功能。

2.3 下位機(jī)硬件平臺設(shè)計

2.3.1 下位機(jī)主處理器電路的選型

根據(jù)橋腳動力舟電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測需求分析，選用了增強(qiáng)型基于ARM核心的32位微控制器STM32F103作為主操控系統(tǒng)的控制器。STM32F103微控制器采用了ARM32位的Cortex-M3 CPU內(nèi)核，工作頻率最高可達(dá)72MHz，可執(zhí)行單周期乘法和硬件除法運算；其存儲器的設(shè)置非常靈活，閃存程序存儲器范圍從256 kbit至512 kbit字節(jié)，并帶有最多64 kbit字節(jié)SRAM。內(nèi)置有4個片選的靜態(tài)存儲器控制器，支持多種外設(shè)存儲器，如CF卡、PSRAM、NAND和NOR存儲器等，提供并行LCD接口，并兼容8080/6800模式。主處理器的核心電路如下頁圖2所示。

2.3.2 信號調(diào)理電路設(shè)計

信號調(diào)理是指對從傳感器或測試電路傳來的信號利用各種濾波、放大或轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行處理，以削弱或濾除信號中混雜的各種高頻噪聲信號，并對去噪后的信號進(jìn)行變換和歸一化處理，使信號能夠被主控電路或CPU電路識別。在狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件平臺設(shè)計中，信號的調(diào)理和準(zhǔn)確傳輸是否得當(dāng)，直接影響到傳感器信號的準(zhǔn)確識別與變換、監(jiān)控軟件的正常運行和整個系統(tǒng)的可靠性。因此，在設(shè)計狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件平臺時，系統(tǒng)地分析了各種開關(guān)量信號、模擬量信號及指示燈電路的工作特性，并考慮到舟體發(fā)動機(jī)相關(guān)電源等的干擾，設(shè)計了專門的信號調(diào)理模塊。各模塊之間的通訊方式采用板載總線進(jìn)行，保持了各個模塊之間的機(jī)械連接和電氣傳輸?shù)姆€(wěn)定。在信號調(diào)理電路的設(shè)計中保留了擴(kuò)展特性，設(shè)置了資源擴(kuò)展功能，以提高信號調(diào)理模塊的通用性和可升級功能。信號調(diào)理模塊針對電控和液壓系統(tǒng)硬件的信號特點，主要進(jìn)行壓力、溫度、液壓油位等傳感器輸出模擬信號的調(diào)理，各種壓差傳感器、狀態(tài)切換旋鈕和自復(fù)位按鍵所產(chǎn)生的開關(guān)信號的隔離變換等。

圖2 主處理器電路

3 軟件平臺設(shè)計

軟件平臺的開發(fā)是系統(tǒng)設(shè)計的核心，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)系統(tǒng)的操作、管理、診斷和計算等功能。方案在原有硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上采用模塊化設(shè)計思想，各部分設(shè)計功能明確，最后將硬、軟件模塊統(tǒng)一起來，提高了程序編寫的可讀性，保證系統(tǒng)的正常運行和可靠性設(shè)計。

軟件系統(tǒng)的功能框圖如圖3所示，由5個模塊構(gòu)成，分別為狀態(tài)監(jiān)測模塊、故障檢測模塊、歷史數(shù)據(jù)模塊、專家診斷模塊和綜合數(shù)據(jù)庫模塊。圖4為助航與作業(yè)控制故障檢測界面示意圖。

4 結(jié)語

以某重型舟橋橋腳動力舟為對象，結(jié)合裝備液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)組成以及原理特征，進(jìn)行故障模式分析，通過廣泛調(diào)研，收集專家意見，對該裝備液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)常見故障征兆、原因及解決方法進(jìn)行研究歸納，為裝備故障診斷專家系統(tǒng)的建立奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。根據(jù)腳動力舟液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，進(jìn)行了監(jiān)測點位置布置設(shè)計以及參數(shù)選擇，以單片機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，完成了信號采集硬件系統(tǒng)的設(shè)計，包括主處理器電路設(shè)計、數(shù)據(jù)處理電路設(shè)計、通訊電路設(shè)計以及電源電路設(shè)計等。

圖3 軟件功能模塊結(jié)構(gòu)圖

圖4 助航與作業(yè)控制故障檢測界面