基于嵌入式Linux 的多通道投放信號采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

戚士斌，范玉朋，胡偉，高慧之

（1.國營蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241007；2.中航華東光電（上海）有限公司，上海 201100）

1 前言

機(jī)載干擾源投放設(shè)備的功能是按照干擾策略或程序投放干擾源，保護(hù)載機(jī)飛行安全。由于干擾源投放通道多，信號持續(xù)時(shí)間短（ms 級），且分布集中，如何快速、高效、準(zhǔn)確地監(jiān)測投放設(shè)備的工作性能，已成為裝備維修保障的研究熱點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集是一種有效的檢測方式，它可與傳感器網(wǎng)絡(luò)、信息處理等作為現(xiàn)代數(shù)據(jù)檢測的基本技術(shù)，在工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測等方面得到了廣泛應(yīng)用。

傳統(tǒng)的投放信號采集系統(tǒng)大部分是基于有線的數(shù)據(jù)采集裝置，雖然能夠?qū)崟r(shí)采集投放脈沖，但存在體積大、重量重、線束連接煩瑣以及可擴(kuò)展性低等問題，難以滿足航空裝備維修保障數(shù)字化發(fā)展的需求。隨著網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)的普及，加快了航空裝備維修保障朝著智能化、可視化方向發(fā)展的步伐。由于嵌入式Linux 系統(tǒng)具有能夠很好地支持4G/5G/wifi 通信、處理速度快及多個(gè)任務(wù)同時(shí)進(jìn)行等特點(diǎn)，非常適合傳輸帶寬需求低、數(shù)據(jù)采集量小的采集系統(tǒng)。

本文根據(jù)投放設(shè)備的性能特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款基于嵌入式Linux 的多通道投放信號采集系統(tǒng)，解決了信號采集和傳輸?shù)睦щy，同時(shí)還具有體積小、重量輕、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

2 嵌入式Linux

2.1 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、外部接口模塊、嵌入式系統(tǒng)以及應(yīng)用軟件等4 個(gè)部分構(gòu)成，用于完成系統(tǒng)的控制、監(jiān)視、測量以及管理等功能。典型的嵌入式體系結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

目前的嵌入式操作系統(tǒng)中，比較流行的有Vxworks、WindowsCE 和嵌入式Linux 等。其中Linux 是比較常用的系統(tǒng)，它的優(yōu)點(diǎn)是源代碼開放使用，開發(fā)人員可以根據(jù)需要自由修改，以滿足不同的應(yīng)用需求，在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、電子元器件、航空航天等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。

2.2 Linux 開發(fā)流程

基于嵌入式Linux 的多通道投放信號采集系統(tǒng)開發(fā)流程主要包括需求分析、方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以及集成測試等階段，其典型的設(shè)計(jì)流程如圖2 所示。

圖2 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程的框圖

需求分析是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中至關(guān)重要的流程，是根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)分析處開發(fā)設(shè)計(jì)中涉及的技術(shù)需求，確定嵌入式系統(tǒng)在功能和外圍設(shè)備等方面的條件。基于嵌入式Linux 的多通道投放信號采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，是能夠接收顯控終端發(fā)出的同步脈沖觸發(fā)信號，控制AD 采集卡對外部輸入的多通道投放電壓脈沖信號進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換、調(diào)理、分選、打包等，并將處理后的數(shù)據(jù)存儲在非易失性存儲器中。當(dāng)接收到顯控終端發(fā)送的數(shù)據(jù)上傳請求后，通過無線wifi模塊將數(shù)據(jù)傳給顯控終端進(jìn)行分析，同時(shí)完成HMI 串口顯示器的驅(qū)動及狀態(tài)指示。

3 軟硬件設(shè)計(jì)方案

3.1 硬件平臺搭建

嵌入式硬件平臺的搭建是多通道投放信號采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基石。根據(jù)需求分析，硬件平臺能夠接收外部的觸發(fā)脈沖，實(shí)現(xiàn)投放信號的實(shí)時(shí)采集，通過無線wifi傳輸數(shù)據(jù)。

為了實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的需求，綜合考慮低成本、低功耗，嵌入式硬件平臺選擇I.MX6ULL 核心板處理器作為控制模塊，其架構(gòu)主要采用Cortex-A7/A9 作為內(nèi)核，主要應(yīng)用在多媒體系統(tǒng)、人機(jī)界面、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、智能工業(yè)控制系統(tǒng)等輕量、低功耗的領(lǐng)域，選用4 通道差分輸入AD 采集卡為數(shù)據(jù)采集模塊，2.4GHz SDIO 接口的wifi芯片作為無線傳輸模塊，搭載USART-HMI 串口顯示屏等外部接口模塊，硬件上能滿足信號采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ苄枨螅到y(tǒng)組成框圖如圖3 所示。

圖3 硬件平臺組成框圖

為滿足各種作業(yè)環(huán)境的需求，增加了USB 接口模塊，確保在不具備無線傳輸?shù)那闆r下，也可以通過有線網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

3.2 無線wifi 驅(qū)動設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)選用嵌入式Linux4.1.15 內(nèi)核為軟件平臺，內(nèi)部集成了豐富的設(shè)備驅(qū)動，根據(jù)硬件平臺設(shè)計(jì)需要，只需配置無線wifi 驅(qū)動即可。

本硬件平臺選用的是realtek 公司生產(chǎn)的RTL8189系列wifi 芯片，首先將realtek 目錄中的文件拷貝才Linux 內(nèi)核源碼中的wireless 目錄下，接著打開Kconfig 文件添加“source‘drivers/net/wireless/realtek/Kconfig’”代碼，將wifi 驅(qū)動的配置界面展現(xiàn)在Linux 內(nèi)核配置界面上，最后，打開Makefile 文件，添加“obj-y += realtek/”，編譯后完成Linux 內(nèi)核的修改。

在編譯RTL8189 驅(qū)動之前要先配置Linux 內(nèi)核，配置完成后執(zhí)行“make menuconfig”命令，打開Linux 內(nèi)核配置界面，按照如下步驟將RTL8189 驅(qū)動編譯為模塊：-> Device Drivers

編譯完成后， 就會在rtl8189 文件夾下生成8189.ko，就是需要的RTL8189 的驅(qū)動模塊文件。

4 應(yīng)用軟件開發(fā)

基于嵌入式Linux 的多通道投放信號采集系統(tǒng)的程序流程，如圖4 所示。

圖4 程序設(shè)計(jì)流程圖

應(yīng)用軟件程序?qū)崿F(xiàn)投放信號的AD 采集及無線wifi傳輸?shù)目刂乒δ?，同時(shí)驅(qū)動HMI 串口屏顯示狀態(tài)。應(yīng)用軟件程序啟動后，進(jìn)入系統(tǒng)初始化，配置采樣時(shí)間、采樣頻率以及分辨率等參數(shù)，參數(shù)設(shè)置完成后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)同步信號的觸發(fā)脈沖到來時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入采集流程，完成三通道投放電壓信號的AD 轉(zhuǎn)換、信號調(diào)理等數(shù)據(jù)處理，并按照規(guī)定的格式存儲至EMMC 存儲器中。當(dāng)設(shè)定的采樣時(shí)間結(jié)束后，停止采集。

完成采集后，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)收到上傳請求后，采集系統(tǒng)與顯控終端建立無線通信連接，連接完成后上報(bào)給處理器，驅(qū)動HMI 串口屏顯示連接狀態(tài)。當(dāng)所有的采集單元都與顯控終端連接后開始上傳數(shù)據(jù)，通過TCP/IP 協(xié)議將相關(guān)數(shù)據(jù)按照規(guī)定的幀格式傳輸至顯控終端的服務(wù)器，數(shù)據(jù)上傳完畢后發(fā)出中斷指令，結(jié)束上傳。

5 系統(tǒng)集成測試

5.1 數(shù)據(jù)采集測試

采集系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)地測試，將16 個(gè)采集單元安裝在投放設(shè)備內(nèi)，沿飛機(jī)水平軸線左右各擺放8 個(gè)，每個(gè)單元間隔10cm。顯控終端距離采集單元正前方3m處。啟動采集系統(tǒng)后，設(shè)置ID 號01 ～16，選擇“系統(tǒng)初始化”，對16 個(gè)采集單元進(jìn)行參數(shù)配置，采樣有效位數(shù)16 位（默認(rèn)）、采樣頻率1kHz、采樣時(shí)間40s，完成配置。查詢系統(tǒng)狀態(tài)，設(shè)置16 路（每路3 通道）投放信號，脈寬30ms、間隔100ms，開始采集，采集時(shí)間結(jié)束后停止采集，最后保存測試結(jié)果。

5.2 無線通信測試

進(jìn)入wifi 上傳界面，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行裕枰俅谓@控終端與16 個(gè)采集單元的通信，確保無線通訊正常。連接過程中，上位機(jī)會持續(xù)上報(bào)服務(wù)器連接狀態(tài)。連接正常后，開始上傳數(shù)據(jù)。采集單元一邊上傳采樣數(shù)據(jù)信息，一邊計(jì)數(shù)已上傳文件的數(shù)量，直至16 個(gè)文件包全部上傳完畢后，結(jié)束上傳。

在顯控終端打開測試結(jié)果文件夾，采集的數(shù)據(jù)以excel 文件格式的形式存儲，打開該文件就可以查看相關(guān)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)集成測試結(jié)果如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)集成測試結(jié)果示意圖

6 結(jié)語

本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)了一種利用嵌入式Linux 為操作系統(tǒng)，采用微處理器、高速采集模塊、無線通信模塊和顯示模塊構(gòu)成的高效、便捷的干擾源投放信號采集、傳輸系統(tǒng)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，基于嵌入式Linux 的多通道投放信號采集系統(tǒng)能夠接收顯控終端發(fā)送的觸發(fā)脈沖，實(shí)現(xiàn)信號的實(shí)時(shí)采集，并通過無線wifi 將數(shù)據(jù)上傳至顯控中心，同時(shí)L.MX6ULL 處理器還能驅(qū)動HMI 串口屏顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)。整個(gè)采集系統(tǒng)工作穩(wěn)定，具有一定的工程應(yīng)用意義，為無線網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究提供了理論支撐和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。