基于嵌入式Linux的傳感器模擬測試儀設計

文｜于晶晶 巢佳 張靜 姜盼

鐵路防災安全監控作為安全生產重點行業和領域，對提高運營效率、保證行車安全具有重大意義。目前鐵路防災安全監控與減災指揮調度系統領域正逐漸往信息化、自動化、集成化、智能化等方向發展。為此，本文設計開發了一款可用于檢測鐵路防災設備的便攜式傳感器模擬測試儀。該測試儀由ARM 處理器、STM32 單片機、5G通信模塊等部分組成，具有人機交互、數據輸入、輸出模擬等功能。此外，該測試儀還內置小型鋰電池，在方便攜帶的同時還具備對外供電的功能，能更好地滿足鐵路線路上的故障診斷及數據傳輸模塊供電需求。

鐵路列車是日常生活中必不可少的公共交通設施，具有分布有序、覆蓋廣泛、速度快捷、便利生活等特點。作為安全生產重點行業和領域，安全穩定是鐵路高質量發展的核心內容。據鐵路局集團公司防災系統運用管理部門調查顯示，鐵路防災系統故障報警主要集中在UPS電源故障、數據采集設備故障、通信網絡不通以及接口防護不到位導致線路受損等方面。因此，為了滿足鐵路路網規模快速擴充和高質量發展的要求，實現有效的鐵路專線防災監測是確保安全的關鍵環節。在此背景下，本文設計了一款便攜式傳感器模擬測試儀，該儀器具備對V200A、SHM30、WXT520等地鐵防災監控系統中常用傳感器進行數據輸入檢測以及輸出模擬的功能。軟件部分為基于嵌入式Linux系統的UI交互程序編寫和主程序邏輯編寫，界面功能清晰，交互便捷。儀器內部還預留USB接口、TF卡槽等，可方便工作人員或用戶擴展其他定制型應用。

一、系統總體框架設計

本設計具有對高速線路防災監控系統中常用傳感器進行數據輸入檢測、輸出模擬、遠程數據傳輸記錄等功能。具體功能描述如下：

1.可通過RS485或電流環接口接入常用傳感器，借助傳感器數據輸入功能，通過液晶屏顯示的數據來實時監測現場傳感器狀態；

2.將儀器接入現場遠傳設備，可模擬傳感器數據以此來測試傳輸線路的通斷與否，或通過設定傳感器數值檢測當前防災系統數據傳輸實時性及報警功能的完整性。

3.通過儀器將現場的實時狀態傳輸至基站，供工作人員異地查看設備與數據詳情。

根據功能需求，本設計以移動應用處理器為核心，搭配STM32芯片，外圍增加7寸可觸摸液晶屏、遠傳輸入通信模塊、RS485通訊模塊、5G模塊等。用戶可通過液晶屏上的功能鍵來實現數據模擬、收發等功能，同時設備內置大容量鋰電池，方便用戶隨身攜帶的同時也便于戶外長時間測試與使用。

二、系統硬件電路設計

本系統需要具備顯示、存儲及外接多模塊的功能，所以在核心芯片上選用了F1C200S和STM32F042F6P6兩種處理器來分工使用。

（一）F1C200S處理器

F1C200S基于ARM 9架構，支持高清視頻解碼，內置DDR1內存，是一款開發簡單，性價比較高的處理器。其作為主控芯片，與常用ST系列單片機結構類似，包含復位電路、晶振電路等模塊。其中復位電路采用軟件復位模式；晶振電路則由一個24 MHz無源晶振和兩個10PF匹配電容組成；并且引出TF卡引腳、USB、LCD、GPIO端口等以供后續使用。

（二）RS485通信

本儀器的通信電路主要針對地鐵防災監控系統中的SHM30、WXT520等常用傳感器進行設計。RS485通信選用SP3485芯片，供電電源為3.3V，具有8個引腳，一般將RE和DE接在一起。單片機向外發送數據時，將R3_UART_DIR置位1，單片機接收外界數據時，將R3_UART_DIR置位0。由于鐵路配套設備多用于戶外，受戶外天氣、線路狀況等不確定因素影響較多，且通信類元件抗雷電過電壓能力較差，所以在設計時需要考慮配備防浪涌保護措施，所選組合元件必須具備響應快和有一定的通流容量等特性。因此在RS485模塊的設計電路中，接口輸入端增加了EMC防護電路，氣體放電管同流能力最強，被放置于防雷電路前端用于吸收大電流沖擊，通過PTC去耦后連接TVS二極管，可以有效抑制氣體放電管吸收后的殘壓。

（三）電流環通信

電流環可以將電平信號轉換為電流信號，以電流作為數據傳輸載體，此方法一方面可以增強信號在有噪聲前提下的最大容限，另一方面可以提高信號的抗衰減能力。故通常被用于在惡劣的工業生產場景或戶外環境下進行遠距離信號傳輸。

為了保證現場數據與基站信號之間的傳輸，本儀器也提供了電流環通信接口。輸入端通過EMC防護電路及光耦芯片隔離后接收串行數據RMT_PKG，數據再經過緩沖器整形后送入F1C200S處理器進行處理。

（四）5G通信

本設計中的5G模塊采用中移MF309模組，模組提供兩路通信接口，分別為主串口和調試串口。其中主串口支持默認波特率為115200 bps，用于數據傳輸和AT命令傳送。調試串口支持波特率為115200 bps，用于部分日志輸出。在電路上，因為模組串口電平為1.8 V，所以與單片機進行通信時需要進行電平轉換。因此設計中采用TI公司的TXS0108EPWR芯片進行轉換，以保證正常通信。

（五）TF卡存儲

TF卡作為本系統的啟動介質，集成了UBOOT引導功能以及Linux內核和基礎文件系統。設計采用的TF卡為貼片式MicroSD卡（TF卡），其中SD0_CMD、SD0_CLK和四根數據線SD0_D0～SD0_D3，均接10 kΩ的上拉電阻。

（六）對外供電功能

本設計內部自帶的鋰電池可用于對外部設備供電，提供的電壓為24 V，但是24 V為電池電壓，此電壓存在波動范圍，由于電池放電后內阻由小變大，其輸出電壓也會發生變化，但是額定值是24 V。另外，輸出電源的負載能力是1 A，超過額定負載能力可能觸發保險絲動作。

三、系統軟件控制流程設計

本設計軟件分為基于嵌入式Linux系統的UI交互程序編寫和主程序邏輯編寫。系統軟件整體控制流程如圖1所示。

圖1 系統軟件整體控制流程圖

UI交互程序編寫使用Linux上運行Qt的方式。對于跨平臺開發環境來說，Qt是一種目前非常流行的方式，像現在廣泛使用的WPS Office以及Google Earth等都是采用Qt來開發的。在本設計中，Qt集成開發環境安裝完成后需要下載Qt源代碼對GUI圖形庫進行交叉編譯，將編譯完成的Qt庫移植到F1C200S的文件系統中，啟動后將會通過應用加載Qt界面實現人機交互。

主程序邏輯編寫則采用C++語言程序編寫，GUI人機交互界面的設計與開發采用QtCreator進行應用程序交叉編譯，完成后移植到ARM主機上運行，對于傳感器數據轉換接口，則使用STM32單片機進行輔助。

（一）傳感器數據輸入流程

傳感器數據輸入功能用于掛接已有的傳感器并進行傳感器功能測試，當確認外部硬件設備連線正確無誤后，則可以進行操作。點擊液晶面板上的“傳感器輸入檢測”選項卡，在通訊設置區輸入對應參數后，將UI界面讀取的通信參數寫入struct termios結構體，啟動open函數打開串口來獲取傳感器數據包。經字符串匹配后，使用Qt setNum函數將獲取的氣象數據轉換為數值類型，通過UI控件顯示到相應的參數框里。

（二）傳感器數據輸出流程

傳感器數據輸出功能用于模擬所選型號傳感器的數據發送功能。在確認本儀器信號線正確連接后可進行操作。點擊液晶面板上的“傳感器輸出檢測”選項卡，設定所需參數和發送方式后啟動Open函數打開串口。當選擇數值方式為遞增或遞減時，界面會將當前值加載到內存，進行數值運算并通過Qtimer定時器啟動數據周期性發送。當然也可通過Qsrand函數進行偽隨機數值隨機發送測試。此過程中數值均會實時刷新到UI界面中。

（三）遠傳輸入流程

此流程與傳感器輸入流程相似，同樣打開串口后，使用位操作將獲得的數據包內容轉換為浮點數，啟動Qtimer定時器周期性監測遠傳連接是否超時，同時另設一個定時器監測數據包的校驗值是否正常。

（四）其他設置流程

本儀器的“設置”選項卡可以用于系統時間調整和觸摸屏校準。在時間設置setTime函數和日期設置setDate函數中調整內容，點擊“保存時間”即可。要校準觸摸屏點擊“觸摸屏校準”，之后按提示點擊即可。

四、系統測試

本設計在硬件軟件搭建完畢的基礎上，需進行系統測試。

首先打開電源，系統啟動，啟動后主菜單如圖2所示。其中界面分別由功能選項卡區，當前選項卡的設置區，通訊參數設置區和快速功能切換區組成。

圖2 主功能菜單

在現場待測設備接入后，開始檢測并分析需檢測設備發送至本儀器的數據，進行輸入檢測，數據分析的結果通過液晶面板上對應框顯示。

其次，可以點擊傳感器輸出檢測選項卡，利用輸出模擬模式，檢測傳感器的數據發送功能，此功能可通過終端系統觀察輸出數據是否正常顯示，或者用于診斷防災安全監控系統的工作性能。

最后，檢測正常的設備將現場采集的數據傳送到就近的通信基站內，由監控單元對信息進行進一步的匯聚處理。

五、總結

本文設計了一種基于F1C200S和STM32F042F6P6兩種處理器的便攜式傳感器模擬測試儀，其優點在于具備觸摸式人機交互界面，使用方便快捷；支持對外部設備供電；支持四種類型以上的常用傳感器，精準匹配鐵路線路設備；擁有工作參數記錄的功能，能提高工作效率；配備防浪涌保護措施，大大提高了在戶外使用的安全性；設備內置大容量鋰電池，方便用戶隨身攜帶的同時也能滿足戶外長時間測試與使用；配備5G模組，方便工作人員及時了解現場數據信息等。該設計為工作人員或用戶在日常地檢測過程中提供了便攜、可靠的方案，具有很好的實用性。本儀器后期還可以在硬件接口方面和軟件系統方面進行拓展，增加符合有關行業或崗位要求的功能，具有很好的應用前景和使用價值。