基于ARM的军用工程机械监测终端设计

李 翔,刘廷勇,李焕良,孙 琰,杨雪松

(解放军理工大学野战工程学院，江苏 南京 210007)

基于ARM的军用工程机械监测终端设计

李 翔,刘廷勇,李焕良,孙 琰,杨雪松

(解放军理工大学野战工程学院，江苏 南京 210007)

针对军用工程机械现有监测仪表的缺陷，采用嵌入式技术与数据采集处理技术，完成了基于ARM的军用工程机械监测终端硬件部分的设计，并进行了终端软件系统数据处理、显示报警、通信存储等功能模块的开发，实现了终端对军用工程机械的信息化改造，使军用工程机械具备了实时定位、信息记录、显示报警、数据通信的数字化作业功能。

军用工程机械；ARM；状态监测

军用工程机械平时使用频率高、强度大、专业性强，在可靠性、维修性和保障性等方面的信息化程度要求越来越高。美国军队大部分工程装备已经加装了CMS监测，方便战时及时作出指挥调度。在我国，天津工程机械研究所为了实现工程机械参数的报警和显示，采用电子逻辑控制和信息显示报警相结合，研制了新一代EMS型监测仪[1]。虽然很多成果在国内民用领域得到广泛的应用，但是结合部队实际特点的成果还很少[2]。目前，军用工程机械信息输出仍以指针式仪表为主，单纯依靠装备自身现有的异常状况超限报警来进行监测已经不能满足装备状态实时准确监测的需求，目前由于缺乏对军用工程机械作业状态的记录和作业时间的统计，无法对军用工程机械进行精细的健康度评估，只能根据其使用时间确定维修保养计划，一方面造成了维护、维修成本的浪费，另一方面某些需要维修维护的工程机械得不到及时的维修[3]。为此，本文以数字化仪表盘为支撑，以ARM为核心，综合运用电子传感、LCD数显、北斗定位通信等技术，设计开发了新一代工程机械终端。

1 系统总体设计

本设计通过基于ARM的监测终端替换原有军用工程机械的仪表盘，实现对装备状态信息的监测，结合监测管理内容，终端设计方案如图1所示。

1)装备状态实时监测与显示。监测终端最重要的一个功能是实现实时状态数据监测与显示，以便操作手和指挥员及时掌握装备状态信息，终端通过数据采集与处理模块进行装备状态信息参数的采样监测，利用LCD显示模块直观地进行显示，方便操作手掌握情况。

2)异常状况报警。为了保证装备正常合理地使用，防止不安全事故的发生，当发现监测参数异常时，监测终端通过LED报警模块进行报警提示。

3)装备实时定位。为了及时掌握装备动态，终端通过北斗定位模块接收坐标信息，确定装备所处位置。

4)数据传输。为了实现远程监测管理，终端通过通信模块的串口连接数传电台，将采集到的装备状态信息和位置信息传输给指挥管理人员。

5)装备信息存储记录。通过终端数据存储模块进行工程机械的状态参数存储和作业时间精确记录，为装备的故障分析、维护保养提供数据资料。

2 系统主要硬件模块的设计与实现

按照模块化的设计原则，军用工程机械监测终端硬件部分主要包括了基于ARM的核心控制单元、供电模块、信号采集与处理模块、显示功能模块、存储模块以及通信接口模块等，系统总体框图如图2所示。

本文采用多处理器协同处理技术，以ARM9嵌入式处理器S3C2440为主处理器，以LPC2478单片机为辅助处理器，处理器分工协作。供电模块为终端各部分提供电源，将车载24V直流电转换成12V、5V、3.3V等不同电压的直流电源输出；终端信息采集与处理模块由17路处理电路、17路ADC检测、脉冲处理电路和4种类型的传感器组成，负责将传感器采集到的监测参数进行转换，处理成单片机能够识别的数字信号；显示功能由8.4寸LCD显示屏和LED背光板实现，通过主处理器控制LCD信号实现终端显示屏的图形图像显示，由辅助处理器控制8路LED指示灯进行异常车况参数报警显示；车载终端存储部分由SD卡、USB卡、FLASH和SDRAM组成，负责车载终端各类信息的管理存储和读取；车载终端的通信接口部分包括RS232通信接口、USB通信接口、视频通信接口和CAN通信电路，是实现车载终端与外部信息交互、接收北斗模块定位信息、连接数传电台与管理控制软件进行无线数据传输的重要部分。

车载终端开关信号采样共有17路，本文选择了ADG725多路开关芯片，将17路信号依次输出并进行快速采样。控制顺序和时间由处理器决定，ADG725芯片除了进行信号选择外，还能将电流信号进行隔离，再使用滤波保护电路进行滤波和过压保护，防止噪声信号给系统采样带来干扰信号，开关信号的采样处理模块原理设计如图3所示。

终端电流信号采样共有17路，电流信号的采样调理与开关量采样调理相似。为了得到辅助处理器能够采样的电平信号，电流信号在进入辅助处理器AD转换前应进行滤波保护、信号放大，电流信号处理电路采用LMV751放大器将有效电压信号进行放大处理，在有效信号检测范围内最大限度提高电流信号的检测精度。电流信号处理电路如图4所示。

系统共需采集4路脉冲信号，脉冲采样电路利用光耦芯片进行光电隔离，使用速率高、反向耐压值高的PS2501芯片，使脉冲信号幅值不超过S3C2440A工作电压范围，为增强输出信号的抗干扰能力，提高噪声容限，在输出端增加上拉电阻。脉冲信号采集调理电路如图5所示。

从表1可以看出，被调研的17所图书馆的“新生入馆教育平台”中，有12所高校采用了“新生专栏”为平台的名称。平台内设有新生指南，呈现方式多种多样，有直接以网页格式呈现，有以PDF格式呈现，有以DOC格式呈现，承载着新生读者比较关注的入馆须知、馆藏布局及开放时间、规章制度、借还书流程、纸质图书检索方法以及电子文献信息利用等内容。其中，华东师范大学图书馆的新生指南起的名称极有特色，命名为 “我的秘密花园” ，PDF设计色彩明朗，比较符合新生的品味。

车载终端对电瓶电压信号是通过引用电瓶电压信号线直接采样。为提高信号的检测精度，设计放大电路，选用两级高线性度运算放大器AD824[4]，一级缓冲，二级放大，将输出信号电压幅值调节至合适范围，以便后续电路进行A/D转换处理。电压信号采样调理电路如图6所示。

通过Altium Designer Winter9软件进行硬件原理图设计，生成PCB电路板图，在印制电路板上焊接元器件，完成了系统硬件的实现。

3 系统软件的开发与实现

终端硬件是在软件程序的控制下完成各项任务的。虽然移植常规的Linux和ucOS操作系统开发较简单，但是其程序本身结构复杂，程序可读性与简洁性也较复杂，不利于终端高效运行，因此本文采用C语言进行底层操作系统自主开发，可对硬件进行操作，运算符与数据类型丰富，表达和运算能力较强，具有软件结构简洁紧凑、灵活方便、可移植性好、开发效率高等特点[5]。

主处理器流程设计是终端系统功能实现的关键，为了实现相应的装备监测管理功能，系统共分为5种模式，分别是：

1)工作模式。进行系统验证，验证成功则保持在工作状态，根据系统参数显示当前界面，根据不同的按键值切换显示界面或者系统模式；系统验证失败则转入锁定模式。

2)锁定模式。进行系统验证，验证成功则转入工作模式，否则保持在锁定模式。

3)设置模式。判定退出条件，如果满足条件则转入工作模式，否则保持在设置模式，并进行参数设置。

5)下载模式。系统密码验证，密码正确则进行系统版本更新，并显示更新结果，转入工作模式，密码错误则保持在下载模式。

在终端系统上电后待时钟稳定，开始进行系统的初始化，包含基本的硬件(如：RTC、LCD等)和基本系统参数的初始化。初始化完毕后循环执行5种模式中的一种，根据系统的特定参数进入一种系统模式进行工作，具体流程图如图7所示。

在终端系统上电启动等待时钟稳定后，辅助处理器开始进行系统的初始化，包括基本的硬件(如：按键、LED等)和基本系统参数的初始化。初始化完毕后开始循环执行按键检测，系统参数检测、采集和系统通信。系统参数检测、采集包括由ADC驱动模块检测、采集传感器处理后的电压信号，以及PWM驱动模块采集处理的外部脉冲信号，最后将这些检测采集的信号进行运算处理、系统通信，将数据传给主处理器处理，具体流程图如图8所示。

为了实现对作业工程机械工况参数的准确监测，提高终端的可靠性，本文采用了数字滤波以及矫正算法进行终端软件的信息采集处理。

本文利用布拉克曼窗函数法，采用卷积法进行滤波处理，如式(1)所示：

式中：h(k)为滤波参数；x(n-k)是输出的传感器信号；y(n)为FIR滤波后输出信号。传感器输出信号是由真实信号与噪声叠加而成，FIR滤波器可设计成具有线性相位，从而获得乘法运算次数较少的结构，本文采用的滤波算法过程如图9所示，在确保运算效果的同时，大大提高了计算效率。

采用自适应动态校正法对采样传感器进行校正，利用零极点配置传感器原有传递函数的倒数为正环节传递函数，利用前一采样数据进行参数修正，保证传递函数为1，并不断修正相应的校正函数，其原理如图10所示，其中Hb(z)是校正传递函数，H(z)是传感器传递函数。

通过软件的可靠性设计，经过滤波和动态校正，能够很好地消除原有信号中的随机信号与噪声，提高了终端的采样效率与准确性，在MDK4.12编译开发环境下编写了系统软件，实现了图形化显示，软件系统界面如图11所示。

4 结束语

本文所设计的监测终端，具有实时性好、抗干扰能力强、可靠性高、数据精度高、系统扩展方便等特点，满足了军用工程机械野战条件下的实时监测、报警和数据的可靠存储等需求，提高了军用工程机械的战场保障能力。

[1] 韩军，张德恩，杨宏，等．军用工程机械原理与技术学[M]．北京：国防工业出版社，2011：1-5.

[2] 郑柳萍，梁列．工程机械远程监测与故障诊断系统[J]．工程机械，2007(7):4-7.

[3] 刘学勇，杨承先，李焕良，等．基于CORBA技术的机群化工程机械监测系统模型[J]．建设机械技术与管理，2006(3)：76-80.

[4] 桂电-丰宝联合实验室.基于LPC2400系列处理器和IAR开发环境[M]．北京：电子工业出版社，2008：64-68.

[5] 司慧玲．基于Protel_DXP的单片机最小系统原理电路的设计[J]．中国科技信息，2009(7)：129-130.

The design of ARM-based condition monitoring system for military engineering machinery

LI Xiang, LIU Tingyong, LI Huanliang, SUN Yan, YANG Xuesong

(The Field Engineering College, PLA University of Science and Technology, Jiangsu Nanjing, 210007, China)

In view of the shortage of existing monitoring equipment for military engineering machinery, it uses the embedded technology and data acquisition technology to develop the hardware platform of condition monitoring system based on ARM, establishes the function modules of the system for data processing, designs the display alarm and data storage. This method realizes information integration system, achieves effective digitized operation of military engineering machinery.

military engineering machinery; ARM; condition monitoring;

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.05.008

2015-03-10

江苏省青年科研基金资助项目(BK2012061)

李翔(1989—)，男，河北南宫人，解放军理工大学硕士研究生，主要研究方向为军事装备技术、机电一体化。

U270

A

2095-509X(2015)05-0033-05