基于嵌入式技术的测试设备远程监控数据采集设备

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(海军航空大学 岸防兵学院，山东 烟台 264001)

0 引言

导弹测试作为导弹技术保障的重要一环，直接关系到整个导弹技术准备工作的成败，严重影响导弹战斗的使用。而导弹测试设备技术状态的好坏则是导弹测试成败的关键。近年来，信息化技术发展迅猛并在导弹武器中得到了应用，导弹测试性水平不断提高，网络技术的发展为远程测试和数据收集提供了必要条件，导弹测试技术开始向设计-试验-保障一体化发展[1]。

在科学技术快速发展的时代，远程实时监控与故障诊断预测技术在各个领域应用十分普遍[2-5]。基于Internet的远程监控系统因具有松耦合性、互操作性好、开发便利、异构资源可共享等优点而得到了广泛应用[6]。依托信息化手段，建立基于网络的导弹测试设备远程状态监控管理系统，可实现对导弹测试信息的自动收集、数据及时上报、集中存储和管理等。

为满足导弹测试设备远程监控数据的采集需要，在不改变已有导弹测试设备技术状态的前提下，基于嵌入式技术设计了一种导弹测试设备远程监控数据采集设备。它作为整个测试设备远程状态监控管理系统前端信息采集处理设备，分布配置在导弹测试现场，用于获取测试现场相关信息，并上报到监控中心。

1 总体设计方案

嵌入式技术是将计算机作为一个信息处理部件，嵌入到应用系统中的一种技术，它将软件固化集成到硬件系统中，将硬件系统与软件系统一体化[7]。因其具有低功耗、时效性强、高精简型、高专用性、容易控制、资源占用率低等显著优势，在远程监控工作中得到了广泛的应用[8-10]。

导弹测试设备远程监控数据采集设备以嵌入式计算机为核心，作为整个测试设备远程实时运行监控管理系统前端信息采集处理设备，该装置分布配置在各测试现场，用于获取测试现场相关信息，并上报到监控中心，是监控中心主要信息的来源。

该数据采集设备主要由硬件设备及软件平台两大部分组成，图1所示为数据采集设备总体组成框图。

图1 数据采集设备总体组成框图

2 硬件设计

2.1 主要功能及技术参数

数据采集设备的主要功能有：

1)设备具有供电转接监测功能；

2)设备具有温湿度信息采集功能；

3)设备具有大气压力信息采集功能；

4)设备具有数据采集处理功能，对上报数据进行预处理；

5)设备具有数据上报功能，将测试现场信息上报至监控中心；

6)设备具有数据本地存储功能；

7)设备具有扩展网络接口、音视频接口等功能。

8)设备具有自检功能，设备上电后或收到网络发来的自检指令后自动查询所有设备的运行状况，自检结果可上传至服务器。

数据采集设备的主要技术参数如下：

1)温度测量：

温度测量范围：-20～70℃

温度测量精度：±1℃

2)湿度测量：

测度测量范围：0～100%RH

湿度测量精度：±2%RH

3)大气压力测量：

大气压力测量范围：50～120 kPa

大气压力测量精度：±2 kPa

4)380 V三相供电测量：

电流测量：0～37.5 A，精度5%。

2.2 硬件组成原理

数据采集设备硬件组成包括嵌入式服务器、ARM单片机板、测试设备供电转接模块以及12 V供电适配器等组成。其中，嵌入式服务器由嵌入式计算机、网关、液晶屏、硬盘及对外接口等组成；ARM单片机板由系统模块、电流监测模块、环境参数监测模块和通讯模块组成。数据采集设备硬件组成原理如图2所示。

图2 数据采集设备组成原理框图

2.2.1 嵌入式服务器

数据采集设备配置的嵌入式服务器由嵌入式计算机、网关、液晶屏、硬盘及对外接口等组成，用于对采集的信息数据进行处理、上报，同时管理数据采集设备，其核心为嵌入式计算机并配备网关。

1)嵌入式计算机：数据采集设备配备的嵌入式计算机选择紧凑系列X86架构嵌入式计算机，支持Intel Atom N455 Dual Core1.66 GHz SoC，双网口，双串口， VGA，2个USB口，2个SATA II存储接口。

2)网关模块：网关选用Moxa 4端口嵌入式以太网交换机模块EOM-104，主要是用于提供扩展网络接口。它具有4个以太网口，支持IEEE802.3/802.3u/802.3x 10/100M全/半双工，MDI/MDI-X自适应RJ45端口。

2.2.2 ARM单片机板

ARM单片机板由系统模块、电流监测模块、环境参数监测模块及通讯模块组成。

1)系统模块：系统模块选用LPC2138芯片作为处理器，它是基于一个支持实时仿真和跟踪的ARM7TDMI-S内核的32位ARM处理器[11]，并带有512 KB片内高速Flash和32 KB的片内SRAM存储器。系统模块主要包括电源模块、系统复位、JTAG调试接口等电路。

这里，电源模块使用了两个DC-DC模块：一个是MJWI10-24S033电源模块，将外部输入的直流+12 V转换为+3.3 V，供LPC2138等芯片用；另一个是MJWI10-24S12电源模块，将外部输入的直流+12 V转换为-12 V，供霍尔电流传感器SO1T25C25V6使用。

本系统采用11.0592 MHz的外部晶振，提高了串口波特率的精准度。

2)电流监测模块：电流监测模块用于对测试设备220 V单相交流或380 V三相交流供电线路进行电流信号采集。图3所示为测试设备供电电流监测原理框图。

图3 电流监测原理框图

测试设备供电转接模块在完成测试设备正常供电的同时，将输入的380 V三相交流电通过电流监测模块的三个霍尔电流传感器SO1T25C25V6进行敏感。霍尔电流传感器敏感电力输出的电流参数经ARM单片机板采集处理后通过串口传输到嵌入式计算机中。

3)环境参数监测模块：环境参数监测模块包括温湿度采集电路及气压采集电路。

温湿度采集采用SENSIRION公司的数字温湿度传感器SHT15实现。SHT1x系列传感器是一款集温湿度测量功能于一身的多功能传感器，将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上，输出完全标定的数字信号。这里采用默认测量分辨率，即温度14位，湿度12位。

SHT15主要技术参数如下：

1)供电电源：3.3 V，0.55 mA；

2)工作范围：温度-40～123.8℃，湿度0～100%RH；

3)精度：±0.3℃，±2%RH；

4)分辨率：0.01℃(14 bit),0.05%RH(12 bit)；

5)输出接口：2线制数字接口。

大气压力传感器选用市场上成熟的产品，产品型号BT5611。BT5611是一款采用MEMS技术将高线性压力传感器与一个低功耗的24位模数转换电路(ADC)集成于一体的数字气压传感器模块。该产品支持SPI和I2C 总线传输协议，可与任何微处理器匹配工作。

BT5611主要技术参数如下：

1)供电电压：1.8～3.6 V；

2)压力测量范围：10～1200 mbar；

3)ADC：24 bit；

4)分辨率：0.065/0.042/0.027/0.018/0.012 mbar；

5)精度：±1.5 mbar(25℃，750 mbar)；

6)接口形式：SPI和I2C 串行接口。

ARM单片机通过两线制串行接口或I2C 总线与环境参数监测模块的传感器通信，并通过RS-232串口与嵌入式计算机通信及交换数据。

7)通讯模块：通讯模块通过RS-232串口与嵌入式计算机进行通讯，将测试设备供电电流、环境参数等上传给嵌入式计算机。通讯模块使用了MAX232A进行RS232电平转换。

2.3 结构设计

数据采集设备各组成部分集成安装于254 mm(W)×180(D)×45 mm(H)箱体之内，各种输入输出接口，人机交互界面设计在箱体两侧及上面板，适用于桌面安装(水平)及壁挂安装(垂直)使用方式。

上面板布置交流380 V三相四线电力输出接口、LCD显示屏及按钮、指示灯、供电控制开关等。

左侧面板主要布置市电输入接口(采用航空插座形式)、音频接口、本地网口、扩展网口、电源输入接口(12 VDC)、接地柱等。

右侧面板布置220 V交流供电转接输出接口、信息采集接口、USB接口、COM口、VGA接口等。

数据采集设备采用传导散热的方式，设计散热片紧贴嵌入式计算机CPU，以散去其热量，机箱顶部开通风窗口，以散去机箱内部热量。

3 软件设计

3.1 软件体系结构

远程监控数据采集设备服务软件体系结构如图4所示，分为UI界面层、应用逻辑层、服务层、数据层。

UI界面层：负责系统与用户的信息交流，并向用户提供直观、方便的用户体验。

应用逻辑层：数据采集、数据接收、数据上报、驱动集成、管理模块、数据存储等各种逻辑功能。

服务层：提供任务调度服务、数据交互接口、网络通信服务等。

数据层：提供数据库、配置文件、数据文件等数据存储。

图4 软件体系结构

3.2 软件功能

数据采集设备软件部署在嵌入式计算机内的操作系统中，主要包括驱动模块、管理模块、数据采集模块、数据接收模块、数据上报模块等。软件编程语言采用C++，软件平台总体组成如图5所示。

1)驱动模块：驱动模块针对设备中配备的传感器、控制电路、接口电路等硬件模块的操作而设计，并作为上层应用软件开发的程序接口。驱动模块提供设备自检程序接口，上位机通过网络发送自检命令，能够对数据采集设备进行自检操作。

图5 软件平台总体组成框图

2)管理模块：管理模块在驱动程序基础上，统筹管理设备中配套的传感器、控制电路、接口电路等硬件资源，提供操作、配置界面。管理功能包括传感器管理、外设管理、测试数据管理、应用服务管理等。

传感器管理功能提供传感器参数设置接口，提供传感器自动校准功能。

外设管理提供数据采集设备连接外部设备时的接口管理功能，包括接口使能/禁止、接口参数配置等。

测试数据管理提供数据接收模块收集、存储的各类数据的管理功能，包括数据查询、数据手动上传、数据标记、数据导出、数据删除等。

应用服务管理提供数据采集模块、数据接收模块及数据上报模块等应用服务程序功能参数配置接口。

3)数据采集模块：数据采集模块通过调用驱动接口程序实时采集监测数据，并由数据上报模块在不同时机将监测数据打包后上报到监控中心。

4)数据接收模块：数据接收模块用于收集、存储现场外来的各类数据，该类数据在合适的时机通过数据上报模块上报到监控中心进行统一管理、分析和处理。

5)数据上报模块：上报数据的时机包括由事件触发上报和固定时间周期上报两种。其中，触发事件可包括测试设备采集到的逻辑量发生变化或模拟量变化越过预设临界值。

3.3 软件对外接口描述

采集服务软件对外接口主要有以下6种接口：

1)数据上报接口：采集服务软件将采集到的数据上报至监控中心；

2)指令接收接口：接收监控中心指令数据；

3)数据文件读取接口：根据需要读取事先存储的数据文件；

4)数据文件存储接口：根据需求存储数据；

5)采集端采集接口：监测数据接收；

6)采集端配置下装接口：配置数据下装。

4 实验验证

4.1 实验方法

下面基于监控中心某测试设备远程实时运行监控管理系统，在不改变已有导弹测试设备技术状态的前提下，利用该数据采集设备作为整个测试设备远程实时运行监控管理系统前端信息采集处理设备，对某型导弹测试设备进行远程信息采集与状态监控实验。实验原理框图如图6所示。

图6 实验原理框图

该数据采集设备提供了显示屏、按钮等人机交互设备。设备运行过程中，显示屏显示内容包括操作菜单、数据显示及状态显示。其中，显示屏的数据显示区域用于实时显示采集的参数数据包括供电参数、温湿度值、大气压力值、上传数据、测试数据等信息，如图7所示。

4.2 实验结果与分析

监控中心测试设备远程实时运行监控管理系统的采集服务软件从采集终端采集某导弹测试设备的监测数据，并根据业务需求进行数据收集、存储、管理，并根据定制的上报时机通过网络接口将数据上报至监控中心服务器。监控管理系统的状态监控界面包括采集终端图形展示、终端列表、报警信息、全部点位等功能，并将采集终端采集到的测试设备周围温度、湿度、气压以及工作状态等信息实时显示出来，实验结果如图8所示。

图8 状态监控显示主界面

经过多次反复实验验证，该数据采集设备运行稳定，能够完成导弹测试设备供电转接监测功能，能够实时准确采集测试现场温湿度、大气压力信息，并将采集到的信息进行处理后及时准确地上报至监控中心，符合设计技术要求。

5 结论

导弹测试设备远程监控数据采集设备以嵌入式计算机为核心，作为整个测试设备远程实时运行监控管理系统前端信息采集处理设备，该装置分布配置在各测试现场，用于获取测试现场相关信息，并上报到监控中心，是监控中心主要信息的来源。实验结果表明，该数据采集设备结构简便、功能强大、运行稳定，易于扩展，能够完成导弹测试设备远程监控数据采集功能。