基于ARM的某型装备电路检测诊断设备设计*

刘富利

(1.湖北工业大学　武汉　430068)(2.武汉军械士官学校导弹系　武汉　430075)



基于ARM的某型装备电路检测诊断设备设计*

刘富利1,2

(1.湖北工业大学武汉430068)(2.武汉军械士官学校导弹系武汉430075)

摘要针对某型装备无法进行电路模块级故障定位的实际,综合运用计算机测试、虚拟仪器、故障诊断、嵌入式控制等技术,开发了某型装备电路检测诊断设备,成功实现了对电路模块级及主要元器件故障的准确定位。

关键词ARM; 虚拟技术; 电路检测; 故障诊断

Class NumberTJ760.5

1　总体设计

某型装备电路检测诊断设备采用ARM系列微处理器进行系统设计[1],选用ADS1.2为ARM微处理的开发工具平台,同时采用C语言作为开发语言,辅助上位机软件采用Delphi集成开发环境开发。使用Delphi的VCL组件库及工控组件库设计人机交互界面,通过DBE数据库引擎建立数据库表,并通过ODBC链接数据库,完成故障原理分析以及测试数据存档功能。由电路检测平台、内嵌ARM微处理器的数据采集卡、电源模块等部件构成机箱主体设备,同时在机箱外部面板上嵌套配备的LCD液晶屏、键盘、LED指示灯等部件,并通过通信接口实现与上位PC机的通信。系统设计方案如图1所示。

图1　系统设计方案

2　硬件系统设计

硬件系统包括内嵌ARM微处理器的数据采集卡、电路检测平台、调理电路、电源以及外部面板等设备。内嵌ARM微处理器的数据采集卡完成数据采集的功能,同时还控制液晶屏、键盘等外部面板上的设备;调理电路主要用于信号的隔离、匹配等功能;电路检测平台完成被检测电路板的测试,并满足多块电路板在同一检测端口测试时的信号匹配;电源模块产生被测电路和信号调理电路所需要的电源,并且电压在一定范围内可调,满足被测电路的需求。该系统所有测试项目由下位机独立完成,从而实现整体系统的模块化。同时也扩展了通信端口,可实现与上位机的通信,实现故障的更准确定位。

整个检测诊断设备的核心部件采用PHILIPS公司基于ARM7TDMI(-S)微处理器核的嵌入式微处理器LPC2210[2]。图2是内嵌ARM微处理器的数据采集卡硬件结构图。系统采用外部10MHz晶振产生内核所需的时钟;通过LDO芯片SPX11718和SPX11733提供系统所使用的1.8V、3.3V电源;通过电源监控芯片SP708S提供系统的复位信号;采用FLASH(SST39VF160)存储程序与函数,使用SDRAM(IS61LVB25616AL)作为程序的运行空间、数据及堆栈[3]。

图2　内嵌ARM微处理器的数据采集卡硬件结构图

2.1电源模块设计

采用运算放大器和三端稳压器组成的可控型电源模块,其输出电压在-5V～+5V之间,同时给出了LPC2210的控制信号。通过LPC2210继而控制AD7237的输出电压,或者调节电阻可以改变放大器的增益,即可控制电源电压在一定的范围内。为了实现测试过程中的上电启停控制,保证上电状态的安全插拔,设计了开关网络电路。

2.2调理板电路设计

装备电路按信号特征可分为:数字量电路(无CPU)、数摸混合电路(无CPU)、模拟量电路(无CPU)、CPU电路[4]。因此内嵌ARM微处理器的数据采集卡电路和待测电路板之间传输的信号就有数字量(TTL电平)、模拟量和串口数据。

TTL电平的生成和检测:在处理器和调理板之间设计一片总线收发器74LVC4245,实现3.3V和5V系统之间的逻辑电平转换[5]。74LVC4245是一种双电源的总线收发器,同时工作在两种电源下:A端用5V电源作为VCCA,I/O口接5V器件的数字逻辑电路;B端用3.3V电源作为VCCA,I/O口接3.3V器件的数字逻辑电路;DIR引脚控制总线的传输方向。该检测诊断设备扩展了三片82C55,通过片选信号ECS5、ECS6、ESC7实现了16路单输入信号DI0～DI15(用于检测电路板反馈数据)、16路单输入信号DO0～DO15(用于送出控制指令)、16路输入输出信号DIO0～DIO15(用于控制指令送出和反馈数据检测)。通过LPC2210的P0.8端口控制82C55芯片复位,并通过交叉开关网络实现信号的转接。

模拟量的生成和检测:微处理器LPC2210通过外围扩展D/A模块输出模拟信号(幅值电压在+5V和-5V之间),A/D输出信号再经同相(反相)放大器进行处理后输入到待测电路板。此系统所检测的模拟量信号主要包括两种:电源电压和运算放大器输出的模拟量信号。电源电压通过电压跟随器和相关的分压电路分压后,进入微处理器LPC2210外围扩展A/D模块进行检测。而运算放大器输出的模拟量信号的检测是通过分压电路、比较器电路和软件扫描实现的[6]。

串口数据处理:在多数电路板中,CPU板上的微处理器芯片或ROM芯片都装有管脚插座。同时考虑到测试的快速性及准确性,我们采用更换微处理器芯片或ROM芯片(内置自编测试程序,程序流程及功能根据被测板的电路结构及检测要求而定),并通过MAX232与主控模块建立串口通信的方式进行检测。

本设备采用帧数据传输,串口传输波特率根据不同的电路板设定,数据位为8,停止位为1,并通过软件设置使用串口0进行通信。

2.3人机交互界面电路设计

人机交互界面采用点阵液晶模块和六个按键的组合形式。本设备选用MGLS160128型点阵液晶模块,其显示容量为160×128个点,内部带有10V电压产生器和EL背光逆变器,使用单5V电源供电,非常适合于便携式的产品应用。由于液晶模块的工作电压为5V,而LPC2210的I/O口电压是3.3V,在液晶模块和处理器之间也设计了一片总线收发器74LVC4245。

按键的扫描方式通常有两种:查询方式和中断方式。在本设备采用中断方式,即在程序中对相应I/O口(P0.18～P0.25)的状态进行查询,确认是否有键按下而执行相应的功能。

2.4USB通信接口设计

为了定位故障更准确,提供更恰当的检修建议,同时解决LCD液晶显示容量小的问题,在设计上采用辅助上位机软件。辅助上位机软件通过USB与LPC2210主控模块进行通信,在硬件系统中通过带并行总线的USB接口器件PDIUSBD12实现数据通信[7]。

在该设备中,通过LPC2210的P0.10端口(P0.13端口)控制PDIUSBD12的复位(挂起),并在挂起状态实现LazyClock输出。并通过LPC2210的P0.16端口响应中断进入USB通信。为了实现通讯检测,该系统通过分压电路和LPC2210的端口P0.15检测PDIUSBD12与上位机的连接状态,并采用GoodLink技术的连接指示器,在通讯时连接状态指示灯闪烁。

3　软件系统设计

为了提高软件的容错性和可靠性,在设备软件的编写时主要采取了两个措施:一是软件采用C语言编写;二是软件编写采用模块化的编写方法。

3.1软件系统结构及流程

该设备软件主要分为两部分:系统软件和用户程序。系统软件采用芯片代理商提供的用于控制芯片自身运行的驱动程序(LPC2210工程模块、USB驱动包等)。用户程序则是根据需要设计编写的,用于实现目标控制,包括系统初始化程序、各个电路板的测试程序、按键响应程序、液晶显示程序、数据采集程序、USB通信程序等。

设备完成初始化后进入主程序main()。测试时程序先检测USB通信端口是否连接,若连接则采用辅助上位机软件测试,查询菜单指令并响应的检测功能;若未连接则采用下位机独立测试,查询按键状态并响应的检测功能。系统软件流程如图3所示[8]。

图3　软件流程图

3.2辅助上位机软件系统设计

辅助上位机的软件功能模块如图4所示。

图4　辅助上位机软件功能模块

辅助上位机的软件功能模块分为主模块、数据采集设置模块、USB口设置模块、按键控制模块、故障说明模块、数据库模块。主模块是程序的主要部分;数据采集设置模块和USB口设置模块分别负责数据采集和USB口一些需要设置的全局变量的修改;故障说明模块用于故障原理分析[9];数据库模块用于测试数据的存档及管理。

该设备的辅助上位机软件使用Delphi的VCL组件库及工控组件库设计人机交互界面,基于虚拟仪器技术实现检测流程显示[10],并通DBE数据库引擎建立数据库表,通过ODBC链接数据库,完成故障原理分析以及检测数据存档等功能。

4　结语

某型装备检测诊断设备综合运用计算机测试、虚拟仪器、故障诊断、嵌入式控制等技术,通过内嵌ARM7的数据采集卡及信号转接匹配单元硬件体系,利用C语言编程,采用“自顶向下”的设计理念,成功实现了多级中断、LCD显示和正确可靠的通信渠道以及对模块级电路及主要元器件故障准确定位。

参 考 文 献著录规则 中的责任者采用姓前名后的著录形式。欧美著者的名可缩写,姓大写,姓和缩写的名之间不可用“.”隔开,而是用空格。如用中译名,可以只著录其姓。如原文中作者为“P．S．昂温”则在本刊要求中应写成“昂温 P S”,Albert Einstein Seny应写成EINSTEIN A S。 的责任者之间用“,”分隔。不超过3个时,全部照录。超过3个时,只著录前3个责任者,其后加“,等”,外文用“,et al”,“et al”不必用斜体。

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一.总要求

为了帮助向本刊投稿的作者按规范著录参考文献,现将常见类型文献的著录格式作如下要求。

本刊要求双语参考文献,所有的中文参考文献均需附英文译文,示例如下:

示例1:

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示例2:马克思,恩格斯．示例2:YELLAND R L, JONES S C, EASTON K S, et al．

二.图书和期刊的著录格式

◆普通图书(原著):

[序号]著者．书名[M]．版本(第1版不著录)．出版地:出版者,出版年:引文页码．

[3]余敏．出版集团研究[M]．北京:中国书籍出版社,2001:179-193．

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◆普通图书(译著):

[序号]著者．书名[M]．译者,译．版本．出版地:出版者,出版年:引文页码．

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◆期刊(有卷)

[序号]著者.题名[J]．刊名,出版年份,卷(期)引文页码．

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◆期刊(无卷)

[序号]著者.题名[J]．刊名,出版年份(期):引文页码．

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[11]VLATK V, MARTIN B P． Basic of quantum compwtation[J]． Proces in Quantum Electronics,1998(22):1-39．

三.电子文献的著录格式

◆电子文献:

[序号]主要责任者．题名:其他题名信息[文献类型标志/文献载体标志]．出版地:出版者,出版年(更新或修改日期)[引用日期]．获取和访问路径．

[12]Online Computer Library Center, Inc． History of OCLC[EB/OL]．[2000-01-08]．htp://www．oclc．org．

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四.学位论文与论文集的著录格式

◆学位论文:

[序号]著者．题名[D]．出版地:出版者,出版年:引文页码．

[13]孙玉文．汉语变调构词研究[D]．北京:北京大学文学院,2000．

◆论文集:

[序号]著者．题名[C]//著者．专题名:其他题名．出版地:出版者,出版年:引文页码．

[14]白书龙．植物开花研究[C]//李承森．植物科学进展．北京:高等教育出版社,1998:146-163．

[15]AZIEM M M A, ISMAIEL H M． Quantitative and qualitative Evaluations of Image Enhancement Techniques[C]//Procedings of the 46th IEEE International Midwest Symposium on Circuits and Systems,2003:664-669．

收稿日期:2015年10月13日,修回日期:2015年11月25日

作者简介:刘富利,男,副教授,研究方向:导弹维修。

中图分类号TJ760.5

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.04.046

Design of a Aertain Type of Equipment of Circuit Detection and Diagnosis Based on ARM

LIU Fuli1,2

(1. Hubei University of Technology, Wuhan430068)(2. Department of Missile, Wuhan Ordnance Noncommissioned Officers Academy, Wuhan430075)

AbstractIn view of the fact that a certain type of equipment can not find out the fault location of the circuit module, using computer testing, virtual instrument, fault diagnosis, embedded control technology, the paper develops a certain type of equipment circuit detection and diagnosis equipment, and locates fault in the circuit module and the main components successfully.

Key WordsARM, virtual technology, circuit detection, fault diagnosis