ARM嵌入式技术在机车监测诊断的ARM嵌入式技术在机车监测诊断的应用应用--控制网



ARM嵌入式技术在机车监测诊断的ARM嵌入式技术在机车监测诊断的应用应用
企业：控制网 日期：2005-09-23
领域：仪器仪表 点击数：1112



1  引言

    目前，机车是我国铁路运输中的牵引动力，其质量的优劣直接关系着铁路运输组织的好坏，因此，提高机车质量和运用效率，同时降低维修成本，一直是机务工作的重要组成部分。

    状态修以机车的实际运用情况为依据，以故障监测诊断技术为基础，减少了过剩维修，机车的运用率也得以显著提高，因此以故障诊断技术应用为基础的状态修制度可带来显著的经济效益。

    随着科学技术的发展，单一参数阈值比较的机车监测方法正开始向全息化、智能化监测方法过渡，监测手段也从依靠人的感官和简单仪器向精密电子仪器及以计算机为核心的监测系统发展。当前，机车的监测诊断也呈现出如下一些特点。

    (1)  在监测系统结构上，以分布监测代替集中监测、以网络化监测系统替代微机集中监测系统。监测系统网络化是计算机网络技术在机车监测中的具体应用，也是当代设备监测技术发展的必然趋势。

    (2)  在监测方式上，以实时的在线监测替代定期监测和巡回监测。

    (3)  在监测参数上，以多参数、大容量监测替代单参数监测。

    (4)  在软件设计上，以多任务系统替代单任务系统。

    (5)  在监测的内容上，从平稳运行监测到非平稳的状态监测发展。

    (6)  在系统功能上，由监测、诊断逐步向监测一诊断一预报治理和管理一体化的方向发展，诊断方法向智能化、快捷化、灵敏化方向发展，诊断方式向现场诊断和远程诊断相结合的方向发展。

    因此，运算速度快、图像色彩丰富、数据存储容量大、数据网络传输、智能计算处理是未来机车监测诊断设备发展必须具备的条件。本设计提出了一种基于ARM的车载监测故障系统便是符合此发展趋势的故障诊断系统。

2  ARM嵌入式技术

    嵌入式系统是指以应用为核心，以计算机技术为基础、软硬件可裁减，以及适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的专用计算机系统。

    在相对比较复杂的嵌入式应用中，嵌入式操作系统的应用显得越来越重要和必要。将嵌入式操作系统引入到嵌入式系统中，能对嵌入式系统的开发产生极大的推动作用，特别是在一些实时性要求较高的场合，没有操作系统的支持是不可以想象的。运行操作系统可以执行多任务操作。此外由于操作系统的移植，网络通讯变得方便快捷。

    嵌入式的微处理器都具有高性能、高集成度、低功耗、低成本、小体积等特点，同时，片内外围丰富，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于整个系统的设计小型化，方便特定应用，如嵌入式32位芯片ARM。ARM嵌入式芯片不仅处理速度达到几十兆指令，而且有流水线的功能，使处理速度远远大于普通单片机。嵌入式芯片有丰富的在片外围电路，需要开发人员考虑的外部电路大大减少。更重要的由于能移植操作系统，因此也大幅度缩短了产品的开发周期，使得功能更强大。此外可以根据具体的应用进行应用软件升级更改，而硬件电路无需变动。ARM体系结构的芯片所支持的最大寻址空间为4GB，故可支持大容量存储设备。

    ARM芯片获得了许多实时操作系统（Real TimeOperating System）供应商的支持，比较知名的有：Windows CE，Linux，pSOS，VxWorks，Mucleus，EPOC，uCOS，BeOS等。

3  基于ARM的车载监测诊断系统

3.1  系统的整体设计

    整个系统包括车载监测记录部分和地面分析处理部分。车载部分主要以参数实时记录为主，辅以主要参数的趋势分析与报警，而有关机车故障预报、趋势分析、质量状态评估等都由地面系统完成。总体结构如图1所示。



图1  监测系统整体结构




    车载部分为车载ARM嵌入式系统，采用了ATMEL公司的AT91RM9200芯片（属于ARM9系列），移植了嵌入式Linux操作系统，通过传感器、测试电路、辅助设备与通信接口获得机车运行中的电机参数、电气参数、轴温、故障信息、振动和压力参数。下位机为安装有中心数据库的PC服务器，建立专家系统进行数据处理与统计分析。

3.2  车载ARM嵌入式系统的硬件组成ARM嵌入式系统的硬件框图如图2所示。



图2  硬件结构框图



    AT91RM9200是信息检测的核心。AT91RM9200是基于ARM Thumb的ARM920T工业级微处理器，是一个真正的片上系统，它内部集成了各种丰富的外围功能模块和标准接口，为各种性能、大计算量的嵌入式应用提供了一种灵活的性价比高的解决方案，时钟频率为180MHz，运算速度可以达到200MIPS。工作温度在-40~75℃。

    AT91RM9200（PQFP封装）处理器包括内带16KB的数据Cache（高速缓冲存储器），16KB指令Cache，写缓冲区，全功能的MMU（Memory Management Unit，存储器管理单元）。此外，AT91RM9200内部还包括16KB的SRAM和128KB的ROM，具有外部总线接口（EBI），支持SDRAM、静态存储器、Burst Flash及NAND Flash等。

    AT91RM9200微控制器提供的系统外设包括：增强的时钟发生器和电源管理控制器；具有4个可编程的外部时钟信号；系统定时器包括定时中断、看门狗和第二计数器；具有调试单元、两线UART，并且支持调试通信通道；拥有7个外部中断源和1个快速中断源；4个32位的PIO（Programmed Input/Output，可编程输入/输出）控制器，多达122条可编程的I/O线，每条I/O线具有输入变化中断和漏极开路电容；具有20个通道的外围数据控制器（PDC），2个3通道的定时/计数器（TC），SPI（串行外围接口），I2S（一种串行数字音频总线协议），USB主、从接口及1个10/100M以太网控制器等。丰富的片内外围极大简化了系统的设计。

    由于它内部集成了完整ARM920T的内核，带有MMU功能，可以移植嵌入式Linux操作。内核采用1.8V供电，外设采用3.3V供电。同时还带有标准的usb口控制器，可以同PC机进行串行通讯。内部自带的看门狗定时器WDT可提供预定标准时间范围。

    在系统中，AT91RM9200外扩了8MB 线性flash 存储器AT49GBV1614A，内部存放启动代码U-boot、程序代码（包括Linux内核、驱动程序及应用程序）、常量表及一些在系统掉电后需要保存的用户数据。FLASH存储器的数据宽度为16位，并映射AT91RM9200的NCS0。

    由两片16位数据宽度的HY57V281620并联为32位数据宽度的32MB SDRAM存储系统，用于设置程序堆栈和存放各种变量，映射到AT91RM9200的NCS1。AT91RM9200在片内具有独立的SDRAM刷新控制逻辑，可方便地与SDRAM接口。
地面PC机的通讯采用USB口完成。USB速度快，设备安装和配置容易，易于扩展，能够采用总线供电。USB总线提供最大达5V电压，500mA电流，非常有效，使用灵活。

    配置AT91RM9200串口的相应的寄存器，使串口可以处于RS485模式，然后可以通过串口发送和接收数据。当USART工作485模式时，它可以按照同步或者异步方式配置工作，和机车微机柜和轴温卡建立通信。

    为了便于进行数据分析，在测试过程中系统需要提供标准时钟信号。AT91RM9200是一款工业级具有低功耗的日历实钟，减少电路设计，增加了芯片的可靠性，可以为系统提供精确的时间基准。

    A/D数模转换芯片采用TLV2548芯片，该芯片分辨率为12位，转换精度为1LSB，CPU通过SPI口访问，A/D模拟量输入通道为8路。通过NCPS0片选该芯片，外围电流转电压电路可以实现4路的电流输入和4路电压输入。

3.3  车载ARM嵌入系统的软件架构

    车载ARM嵌入式系统软件结构如图3所示。车载系统内嵌Linux操作系统，在此平台上有监测记录主程序。监测记录主程序（SS8Lmis.image）完成子系统的基本功能，主要包括通信模块、数据采集模块、压缩存储模块、人机接口模块、转储模块及抗干扰模块。

    (1)  通信程序模块
    该模块功能是与微机柜、轴温卡建立通信，接收数据。经过考察，确定了通信协议，波特率为28 800Kbps/s，传送的命令数据的第九位恒为“1”，而使传送的应答数据的第九位恒为“0”。

    (2)  人机接口模块
    用于操作和显示本系统的工作状态，参数趋势报警显示等。系统按键很少，显示意义明确，操作非常简单。

    (3)  压缩存储模块
    经过特殊的数学算法，确保合理接收通信数据。并采用压缩型的存储变量，同样数据信息使用存储空间减少为正常的一半。



图3  车载ARM嵌入式系统软件架构



    (4)  转储程序模块
    该模块将已存储在Flash的数据通过USB转储方式转储到地面微机中，以便为地面专家系统所用。

    (5)  数据采集模块
    该模块实时采集记录本系统新增的机车质量状态参数，如振动参数，寿命统计参数，并在所监测的参数进行趋势报警。

    (6)  抗干扰程序模块
    在硬件上抗干扰功能基础上，增加了软件抗干扰功能。确保系统在出现死机情况下，也能自动复位启机，继续监测记录数据并追加到原来的数据文件，无需人员看护操作。

系统应用软件基于嵌入式Linux平台，嵌入式Linux平台包含以下几类文件：
    •  引导加载程序。U-boot将内核映像从Flash读到RAM，然后跳转到内核的入口点去运行，开始启动操作系统。
    •  内核。Linux内核主要包括进程调度、内存管理、虚拟文件系统、网络接口、进程间通信等系统。
    •  文件系统。包括根文件系统RAMDISK和建立于存储设备的JFFS2文件系统。
    •  驱动程序。A/D驱动程序、LCD驱动、USB驱动以及串口驱动，主要监测所要驱动的硬件设备是否存在和能否正常工作，在初始化的时候被调用。
    软件由U-boot自动处理程序，先运行嵌入式Linux操作系统（包括内核、文件系统和驱动程序，再运行SS8Lmis.imgge（监测记录主程序）。

4  结语

    采用ARM技术开发的车载监控设备功能完备、性能可靠、价格低廉,十分适合现场监测。可以预见，这种方案在机车监控诊断领域具有很好的应用前景，而且具有开发周期短的特点。使用ARM和嵌入式Linux操作系统开发车载机车监控设备是未来监控设备的发展趋势。
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