基于嵌入式Linux的機車故障診斷系統(tǒng)研究設(shè)計
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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。測試系統(tǒng)主要由測試頭、主測試設(shè)備和遠程監(jiān)控站3級測試層組成。前端測試頭主要由AVR采集MCU、傳感器和智能RF芯片構(gòu)成；下位機是基于ATmega128單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，承擔(dān)多路現(xiàn)場快變及緩變信號的采集，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、存儲設(shè)備和顯示設(shè)備構(gòu)成。主測試設(shè)備主要完成各無線采集點的任務(wù)分配、數(shù)據(jù)收集分析，可同時監(jiān)測和管理若干個連接的無線網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的傳感器測試頭，并可通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊或通過Internet傳向遠程監(jiān)控站并接受遠程控制站的任務(wù)調(diào)度。
遠程監(jiān)控站主要由服務(wù)器、監(jiān)測數(shù)據(jù)庫和外圍設(shè)備構(gòu)成，分為數(shù)據(jù)采集(上位機)和數(shù)據(jù)處理(下位機)兩大部分，承擔(dān)實時數(shù)據(jù)的處理，也可以通過USB口或者以太網(wǎng)下載到PC上，進行進一步深入的故障趨勢分析。本系統(tǒng)對整個現(xiàn)場監(jiān)測的任務(wù)進行合理地分解：將模擬信號的采集、A/D轉(zhuǎn)換以及簡單的數(shù)據(jù)處理部分放在下位機實現(xiàn)，以控制系統(tǒng)的硬件規(guī)模及耗電量。將數(shù)據(jù)的進一步處理、實現(xiàn)現(xiàn)場實時分析的構(gòu)件、歷史數(shù)據(jù)重現(xiàn)及精簡的專家系統(tǒng)放在上位機上實現(xiàn)，本文主要介紹無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/研究設(shè)計">研究設(shè)計。系統(tǒng)框架如圖1所示。
2 硬件系統(tǒng)設(shè)計
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。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個完全集成的頻率調(diào)制器，1個帶解調(diào)器的接收器、1個功率放大器、1個晶體振蕩器和1個調(diào)節(jié)器組成,可以很容易地通過SPI接口進行編程配置。電流消耗很低，可以很容易地進入Powerdown模式實現(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)的高速信號處理放到芯片內(nèi)部。在ShockBurst TX模式中，nRF905自動產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC校驗碼，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒DR信號通知主控制其數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)完成。該芯片可與測試設(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)雜算法的運行要求。ARM處理器對各模塊的控制則通過底層驅(qū)動控制協(xié)處理器產(chǎn)生各種控制信號實現(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)動器TJA1050、光耦6N137和電源隔離模塊組成，CAN通信主要用于機車惡劣環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集。該系統(tǒng)的無線傳輸功能主要運用于火車機車車體振動測量，也可運用于機車的運行監(jiān)測。所以采用3個使用ADXL105高精度單軸加速度傳感器芯片制作的加速度測量模塊。測量模塊分別安置于車體底部的垂直方向和水平方向，用于測量車體在X、Y、Z方向上的加速度。測量數(shù)據(jù)以差分信號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
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，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)的采樣傳感器測試頭。但由于ARM與AVR之間的通信速率不匹配，2個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對于存儲區(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)的細分，可以根據(jù)串口數(shù)量、報文長度的實際需要進行再分配，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)計來完成。主要接口如圖2所示。
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