基于nRF905和K9F1208U0A芯片實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

作者：姜虎強(qiáng);王麗紅;董良新

狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，已發(fā)展到了以專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊分析等理論為基礎(chǔ)，以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為依托，以知識(shí)處理為核心的先進(jìn)智能化技術(shù)。Linux和RFID已成為現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)熱點(diǎn)，隨著嵌入式技術(shù)的蓬勃發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)憑借其性價(jià)比高、穩(wěn)定性好、體積小、功耗低等眾多優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)深入到國防、網(wǎng)絡(luò)通信、工業(yè)控制、數(shù)字多媒體相關(guān)的消費(fèi)類領(lǐng)域。本文所介紹的面向鐵路的手持式智能化故障診斷儀，涉及了Linux、RFID、嵌入式數(shù)據(jù)采集和無線傳輸功能及嵌入式系統(tǒng)的新技術(shù)。該套系統(tǒng)正是以知識(shí)處理為核心的嵌入式在線監(jiān)測(cè)故障診斷儀器，具有功能強(qiáng)大、簡單易用、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)。原始數(shù)據(jù)可通過USB接口取出，進(jìn)一步進(jìn)行事后處理。本系統(tǒng)還可通過CDMA模塊連接無線網(wǎng)絡(luò)，將處理完畢的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地發(fā)送到客戶端，以實(shí)現(xiàn)特定信息查詢和告警功能。

1 系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)

該面向鐵路的手持式智能化故障診斷儀，是一套基于電池供電的智能化儀器。測(cè)試系統(tǒng)主要由測(cè)試頭、主測(cè)試設(shè)備和遠(yuǎn)程監(jiān)控站3級(jí)測(cè)試層組成。前端測(cè)試頭主要由AVR采集MCU、傳感器和智能RF芯片構(gòu)成；下位機(jī)是基于ATmega128單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，承擔(dān)多路現(xiàn)場(chǎng)快變及緩變信號(hào)的采集，主要完成任務(wù)采集、接收來自主采集設(shè)備的指令并執(zhí)行主設(shè)備的任務(wù)調(diào)度。主測(cè)試設(shè)備主要由內(nèi)嵌Linux操作系統(tǒng)的ARM9處理器、智能RF芯片、網(wǎng)絡(luò)和串行通信接口、存儲(chǔ)設(shè)備和顯示設(shè)備構(gòu)成。主測(cè)試設(shè)備主要完成各無線采集點(diǎn)的任務(wù)分配、數(shù)據(jù)收集分析，可同時(shí)監(jiān)測(cè)和管理若干個(gè)連接的無線網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的傳感器測(cè)試頭，并可通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊或通過Internet傳向遠(yuǎn)程監(jiān)控站并接受遠(yuǎn)程控制站的任務(wù)調(diào)度。

遠(yuǎn)程監(jiān)控站主要由服務(wù)器、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫和外圍設(shè)備構(gòu)成，分為數(shù)據(jù)采集（上位機(jī)）和數(shù)據(jù)處理（下位機(jī)）兩大部分，承擔(dān)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的處理，也可以通過USB口或者以太網(wǎng)下載到PC上，進(jìn)行進(jìn)一步深入的故障趨勢(shì)分析。本系統(tǒng)對(duì)整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的任務(wù)進(jìn)行合理地分解：將模擬信號(hào)的采集、A/D轉(zhuǎn)換以及簡單的數(shù)據(jù)處理部分放在下位機(jī)實(shí)現(xiàn)，以控制系統(tǒng)的硬件規(guī)模及耗電量。將數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理、實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)分析的構(gòu)件、歷史數(shù)據(jù)重現(xiàn)及精簡的專家系統(tǒng)放在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)，本文主要介紹無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯吭O(shè)計(jì)。系統(tǒng)框架如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 智能nRF905無線收發(fā)芯片

增加安全可靠、穩(wěn)定的無線模塊功能，是傳統(tǒng)PDA設(shè)備的技術(shù)趨勢(shì)。該設(shè)備采用Nordic公司的單片無線收發(fā)芯片nRF905。該芯片工作在433／869／915 MHz的ISM頻段，由1個(gè)完全集成的頻率調(diào)制器，1個(gè)帶解調(diào)器的接收器、1個(gè)功率放大器、1個(gè)晶體振蕩器和1個(gè)調(diào)節(jié)器組成，可以很容易地通過SPI接口進(jìn)行編程配置。電流消耗很低，可以很容易地進(jìn)入Powerdown模式實(shí)現(xiàn)節(jié)電。nRF905采用VLSI ShockBurst技術(shù)，使得nRF905能夠提供高速的數(shù)據(jù)傳輸，將與RF協(xié)議有關(guān)的高速信號(hào)處理放到芯片內(nèi)部。在ShockBurst TX模式中，nRF905自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC校驗(yàn)碼，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒DR信號(hào)通知主控制其數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)完成。該芯片可與測(cè)試設(shè)備ARM和AVR的MCU通過簡單的串行接口連接，使用方便。

2.2 ARM處理器模塊

構(gòu)建可移植嵌入式Linux的ARM9系統(tǒng)，嵌入式Linux是目前廣泛應(yīng)用的一種嵌入式操作系統(tǒng)，ARM處理器模塊由Flash、SDRAM和S3C2410共同構(gòu)建。本系統(tǒng)選用Samsung公司的K9F1208U0A構(gòu)建8位Flash存儲(chǔ)器系統(tǒng)。

K9F1208U0A單片容量為64 MB：選用2片單片容量為32 MB、數(shù)據(jù)寬度為16位的HY57V561620CT并聯(lián)構(gòu)建32位SDRAM存儲(chǔ)器系統(tǒng)，共64 MB的SDRAM空間可以滿足嵌入式操作系統(tǒng)和各種復(fù)雜算法的運(yùn)行要求。ARM處理器對(duì)各模塊的控制則通過底層驅(qū)動(dòng)控制協(xié)處理器產(chǎn)生各種控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)。

2.3 傳感器模塊

傳感器模塊可以根據(jù)所需采集的數(shù)據(jù)來選擇。本系統(tǒng)是在CAN總線有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)上開發(fā)的，CAN總線通信電路由微處理器S3C2410、控制器MCP2515、驅(qū)動(dòng)器TJA1050、光耦6N137和電源隔離模塊組成，CAN通信主要用于機(jī)車惡劣環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集。該系統(tǒng)的無線傳輸功能主要運(yùn)用于火車機(jī)車車體振動(dòng)測(cè)量，也可運(yùn)用于機(jī)車的運(yùn)行監(jiān)測(cè)。所以采用3個(gè)使用ADXL105高精度單軸加速度傳感器芯片制作的加速度測(cè)量模塊。測(cè)量模塊分別安置于車體底部的垂直方向和水平方向，用于測(cè)量車體在X、Y、Z方向上的加速度。測(cè)量數(shù)據(jù)以差分信號(hào)的形式輸入到精密放大器中，經(jīng)比較放大后直接送到A/D模塊中。

2.4 外部通信模塊

設(shè)備外部通信模塊由2部分組成：485通信模塊和CDMA模塊。485通信接口采用MAX1490芯片。這是一款完全隔離的485數(shù)據(jù)接口芯片，單工工作方式，傳輸波特率最大可達(dá)2.5 Mb/s。其輸出引腳直接與ARM處理器的串口2（UART2）相連，ARM處理器通過串口2讀取時(shí)間和坐標(biāo)等相關(guān)數(shù)據(jù)的廣播信息，串口0（UART0）與AnyData DTGS800 CDMA模塊相連，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后通過CDMA模塊發(fā)送到地面服務(wù)器。

2.5 系統(tǒng)關(guān)鍵硬件接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要接口包括AVR與nRF905的接口、AVR與ARM9的接口以及ARM9的外圍接口等。本文主要介紹AVR與nRF905和ARM9的接口。AVR MCU通過nRF905接口收發(fā)數(shù)據(jù)，然后將收到的數(shù)據(jù)寫入雙口RAM等待讀取數(shù)據(jù)，另外ARM9將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入雙口RAM后給AVR MCU發(fā)送中斷信號(hào)，AVR MCU再從雙口RAM中讀取數(shù)據(jù)，根據(jù)指令將其發(fā)送至相應(yīng)的采樣傳感器測(cè)試頭。但由于ARM與AVR之間的通信速率不匹配，2個(gè)CPU的數(shù)據(jù)交換通過一片雙口RAM完成。因此應(yīng)用了異步高速雙口RAM IDT7130，很好地解決了異步串口通信的瓶頸問題，雙口RAM對(duì)于存儲(chǔ)區(qū)的分配，分成命令區(qū)、狀態(tài)區(qū)、接收數(shù)據(jù)區(qū)、發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)和中斷區(qū)5大區(qū)。接收數(shù)據(jù)區(qū)和發(fā)送數(shù)據(jù)區(qū)的細(xì)分，可以根據(jù)串口數(shù)量、報(bào)文長度的實(shí)際需要進(jìn)行再分配，主CPU和從CPU的握手協(xié)議可以通過命令區(qū)和狀態(tài)區(qū)的設(shè)計(jì)來完成。主要接口如圖2所示。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以主測(cè)試設(shè)備為核心，采集、收集多個(gè)測(cè)試傳感器采集的信息，并將測(cè)試數(shù)據(jù)收集保存，可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)地傳遞到系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)中心進(jìn)行分析和處理。本設(shè)計(jì)采用的Linux內(nèi)核是在ARM-Linux的基礎(chǔ)上，編寫了OLED顯示模塊、USB設(shè)備的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。軟件設(shè)計(jì)主要包括ARM-Linux在微處理器S3C2410上的移植，相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)、系統(tǒng)任務(wù)級(jí)設(shè)計(jì)等。開發(fā)系統(tǒng)采用PC工作站和主測(cè)試設(shè)備的嵌入式主板構(gòu)成的交叉編譯環(huán)境，本系統(tǒng)使用Linux2.6的內(nèi)核，內(nèi)核的編譯通過Makefile文件的指示進(jìn)行，通過修改Makefile來組織內(nèi)核各模塊，并記錄模塊間的相互聯(lián)系和依賴關(guān)系，修改config、setup等相關(guān)配置文件完成內(nèi)核的編譯，生成zlmage、vmLinux、System.map、config等文件。雙口通信的程序如圖3所示。

3.2 網(wǎng)絡(luò)通信程序設(shè)計(jì)

嵌入式無線局域網(wǎng)設(shè)備可以用于有線網(wǎng)絡(luò)無法延伸或難以安裝、又可靈活移動(dòng)和臨時(shí)性使用等要求的場(chǎng)合。在本系統(tǒng)中主要采用Linux下的Socket通信方式，使用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，采用面向有連接Stream套接字。

主測(cè)試設(shè)備運(yùn)行過程中，接收來自網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程指令，并且為了方便遠(yuǎn)程測(cè)量和控制，每個(gè)主測(cè)試設(shè)備被分配固定的IP地址和端口，遠(yuǎn)程測(cè)試站可進(jìn)行有選擇性的查詢式測(cè)量，每個(gè)主測(cè)試設(shè)備在通信開始前使用socket（ ）建立一個(gè)通信端點(diǎn)，再使用bind（ ）函數(shù)把一個(gè)地址綁定到這個(gè)端點(diǎn)上，然后使用listen（ ）函數(shù)偵聽是否有來自遠(yuǎn)程的連接請(qǐng)求，如果有，則使用accept（ ）處理，并按照指令執(zhí)行測(cè)量任務(wù)或傳送測(cè)量數(shù)據(jù)。如圖4所示。

雖然現(xiàn)場(chǎng)顯示和無線傳輸2種方式已經(jīng)提供了大量的數(shù)據(jù)和信息。但是都受到了地域和空間的限制。因此，為了滿足相對(duì)惡劣的地理環(huán)境和移動(dòng)設(shè)備的采集需求，系統(tǒng)后期可通過加入GSM短消息傳送數(shù)據(jù)的無線方式。GSM網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過多年的發(fā)展完善，現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，盲區(qū)少、信號(hào)穩(wěn)定、自動(dòng)漫游，并且通信距離不受周圍環(huán)境影響。

本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于開發(fā)了一種基于嵌入式系統(tǒng)的機(jī)車狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)車上信號(hào)量的采集和信號(hào)的存儲(chǔ)、大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、穩(wěn)定可靠的CAN總線通訊和遠(yuǎn)程無線通信，各個(gè)模塊在Linux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的調(diào)度下協(xié)調(diào)工作，車載顯示和語音報(bào)警效果良好，并能夠在機(jī)車出現(xiàn)故障時(shí)提醒司機(jī)故障出現(xiàn)的位置和解決故障的方法。該系統(tǒng)通過在嵌入式Linux環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試實(shí)驗(yàn)，證實(shí)具有較好的響應(yīng)能力和數(shù)據(jù)吞吐能力，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)在非接觸式測(cè)量領(lǐng)域有一定的應(yīng)用價(jià)值和指導(dǎo)意義，經(jīng)在機(jī)車檢測(cè)方面的多次聯(lián)機(jī)調(diào)試，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，在工業(yè)控制領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

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