基于嵌入式Linux的機車(chē)故障診斷系統研究設計
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1 系統的組成和結構
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。測試系統主要由測試頭、主測試設備和遠程監控站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芯片構成；下位機是基于ATmega128單片機的數據采集系統，承擔多路現場(chǎng)快變及緩變信號的采集，主要完成任務(wù)采集、接收來(lái)自主采集設備的指令并執行主設備的任務(wù)調度。主測試設備主要由內嵌Linux操作系統的ARM9處理器、智能RF芯片、網(wǎng)絡(luò )和串行通信接口、存儲設備和顯示設備構成。主測試設備主要完成各無(wú)線(xiàn)采集點(diǎn)的任務(wù)分配、數據收集分析，可同時(shí)監測和管理若干個(gè)連接的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )范圍內的傳感器測試頭，并可通過(guò)無(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊或通過(guò)Internet傳向遠程監控站并接受遠程控制站的任務(wù)調度。
遠程監控站主要由服務(wù)器、監測數據庫和外圍設備構成，分為數據采集(上位機)和數據處理(下位機)兩大部分，承擔實(shí)時(shí)數據的處理，也可以通過(guò)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分析。本系統對整個(gè)現場(chǎng)監測的任務(wù)進(jìn)行合理地分解：將模擬信號的采集、A/D轉換以及簡(jiǎn)單的數據處理部分放在下位機實(shí)現，以控制系統的硬件規模及耗電量。將數據的進(jìn)一步處理、實(shí)現現場(chǎng)實(shí)時(shí)分析的構件、歷史數據重現及精簡(jiǎn)的專(zhuān)家系統放在上位機上實(shí)現，本文主要介紹無(wú)線(xiàn)數據傳輸的研究設計。系統框架如圖1所示。
2 硬件系統設計
2.1 智能nRF905無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片
增加安全可靠、穩定的無(wú)線(xiàn)模塊功能，是傳統PDA設備的技術(shù)趨勢。該設備采用Nordic公司的單片無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片nRF905。該芯片工作在433／869／915 MHz的ISM頻段，由1個(gè)完全集成的頻率調制器，1個(gè)帶解調器的接收器、1個(gè)功率放大器、1個(gè)晶體振蕩器和1個(gè)調節器組成,可以很容易地通過(guò)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)現節電。nRF905采用VLSI ShockBurst技術(shù)，使得nRF905能夠提供高速的數據傳輸，將與RF協(xié)議有關(guān)的高速信號處理放到芯片內部。在ShockBurst TX模式中，nRF905自動(dòng)產(chǎn)生前導碼和CRC校驗碼，數據準備就緒DR信號通知主控制其數據傳輸已經(jīng)完成。該芯片可與測試設備ARM和AVR的MCU通過(guò)簡(jiǎn)單的串行接口連接，使用方便。
2.2 ARM處理器模塊
構建可移植嵌入式Linux的ARM9系統，嵌入式Linux是目前廣泛應用的一種嵌入式操作系統，ARM處理器模塊由Flash、SDRAM和S3C2410共同構建。本系統選用Samsung公司的K9F1208U0A構建8位Flash存儲器系統。
K9F1208U0A單片容量為64 MB:選用2片單片容量為32 MB、數據寬度為16位的HY57V561620CT并聯(lián)構建32位SDRAM存儲器系統，共64 MB的SDRAM空間可以滿(mǎn)足嵌入式操作系統和各種復雜算法的運行要求。ARM處理器對各模塊的控制則通過(guò)底層驅動(dòng)控制協(xié)處理器產(chǎn)生各種控制信號實(shí)現。
2.3 傳感器模塊
傳感器模塊可以根據所需采集的數據來(lái)選擇。本系統是在CAN總線(xiàn)有線(xiàn)數據傳輸的基礎上開(kāi)發(fā)的，CAN總線(xiàn)通信電路由微處理器S3C2410、控制器MCP2515、驅動(dòng)器TJA1050、光耦6N137和電源隔離模塊組成，CAN通信主要用于機車(chē)惡劣環(huán)境下的數據采集。該系統的無(wú)線(xiàn)傳輸功能主要運用于火車(chē)機車(chē)車(chē)體振動(dòng)測量，也可運用于機車(chē)的運行監測。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量模塊。測量模塊分別安置于車(chē)體底部的垂直方向和水平方向，用于測量車(chē)體在X、Y、Z方向上的加速度。測量數據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數據接口芯片，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(guò)串口2讀取時(shí)間和坐標等相關(guān)數據的廣播信息，串口0(UART0)與AnyData DTGS800 CDMA模塊相連，監測數據經(jīng)預處理后通過(guò)CDMA模塊發(fā)送到地面服務(wù)器。
2.5 系統關(guān)鍵硬件接口設計
系統硬件主要接口包括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(guò)nRF905接口收發(fā)數據，然后將收到的數據寫(xiě)入雙口RAM等待讀取數據，另外ARM9將要發(fā)送的數據寫(xiě)入雙口RAM后給AVR MCU發(fā)送中斷信號，AVR MCU再從雙口RAM中讀取數據，根據指令將其發(fā)送至相應的采樣傳感器測試頭。但由于A(yíng)RM與AVR之間的通信速率不匹配，2個(gè)CPU的數據交換通過(guò)一片雙口RAM完成。因此應用了異步高速雙口RAM IDT7130，很好地解決了異步串口通信的瓶頸問(wèn)題，雙口RAM對于存儲區的分配，分成命令區、狀態(tài)區、接收數據區、發(fā)送數據區和中斷區5大區。接收數據區和發(fā)送數據區的細分，可以根據串口數量、報文長(cháng)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(guò)命令區和狀態(tài)區的設計來(lái)完成。主要接口如圖2所示。
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