基于嵌入式Linux 的多通道投放信号采集系统设计

戚士斌，范玉朋，胡伟，高慧之

（1.国营芜湖机械厂，安徽 芜湖 241007；2.中航华东光电（上海）有限公司，上海 201100）

1 前言

机载干扰源投放设备的功能是按照干扰策略或程序投放干扰源，保护载机飞行安全。由于干扰源投放通道多，信号持续时间短（ms 级），且分布集中，如何快速、高效、准确地监测投放设备的工作性能，已成为装备维修保障的研究热点。数据采集是一种有效的检测方式，它可与传感器网络、信息处理等作为现代数据检测的基本技术，在工业控制、环境监测等方面得到了广泛应用。

传统的投放信号采集系统大部分是基于有线的数据采集装置，虽然能够实时采集投放脉冲，但存在体积大、重量重、线束连接烦琐以及可扩展性低等问题，难以满足航空装备维修保障数字化发展的需求。随着网络的快速发展，无线数据通信技术的普及，加快了航空装备维修保障朝着智能化、可视化方向发展的步伐。由于嵌入式Linux 系统具有能够很好地支持4G/5G/wifi 通信、处理速度快及多个任务同时进行等特点，非常适合传输带宽需求低、数据采集量小的采集系统。

本文根据投放设备的性能特点，设计了一款基于嵌入式Linux 的多通道投放信号采集系统，解决了信号采集和传输的困难，同时还具有体积小、重量轻、功耗低、成本低等优点。

2 嵌入式Linux

2.1 嵌入式系统

嵌入式系统主要由嵌入式处理器、外部接口模块、嵌入式系统以及应用软件等4 个部分构成，用于完成系统的控制、监视、测量以及管理等功能。典型的嵌入式体系结构如图1 所示。

图1 嵌入式系统结构图

目前的嵌入式操作系统中，比较流行的有Vxworks、WindowsCE 和嵌入式Linux 等。其中Linux 是比较常用的系统，它的优点是源代码开放使用，开发人员可以根据需要自由修改，以满足不同的应用需求，在工业生产、医疗卫生、电子元器件、航空航天等领域中广泛应用。

2.2 Linux 开发流程

基于嵌入式Linux 的多通道投放信号采集系统开发流程主要包括需求分析、方案设计、系统实现以及集成测试等阶段，其典型的设计流程如图2 所示。

图2 嵌入式系统开发流程的框图

需求分析是嵌入式系统开发中至关重要的流程，是根据设计目标分析处开发设计中涉及的技术需求，确定嵌入式系统在功能和外围设备等方面的条件。基于嵌入式Linux 的多通道投放信号采集系统的设计需求，是能够接收显控终端发出的同步脉冲触发信号，控制AD 采集卡对外部输入的多通道投放电压脉冲信号进行AD 转换、调理、分选、打包等，并将处理后的数据存储在非易失性存储器中。当接收到显控终端发送的数据上传请求后，通过无线wifi模块将数据传给显控终端进行分析，同时完成HMI 串口显示器的驱动及状态指示。

3 软硬件设计方案

3.1 硬件平台搭建

嵌入式硬件平台的搭建是多通道投放信号采集系统设计的基石。根据需求分析，硬件平台能够接收外部的触发脉冲，实现投放信号的实时采集，通过无线wifi传输数据。

为了实现本设计的需求，综合考虑低成本、低功耗，嵌入式硬件平台选择I.MX6ULL 核心板处理器作为控制模块，其架构主要采用Cortex-A7/A9 作为内核，主要应用在多媒体系统、人机界面、物联网网关、智能工业控制系统等轻量、低功耗的领域，选用4 通道差分输入AD 采集卡为数据采集模块，2.4GHz SDIO 接口的wifi芯片作为无线传输模块，搭载USART-HMI 串口显示屏等外部接口模块，硬件上能满足信号采集、数据传输的功能需求，系统组成框图如图3 所示。

图3 硬件平台组成框图

为满足各种作业环境的需求，增加了USB 接口模块，确保在不具备无线传输的情况下，也可以通过有线网络传输实现数据通信。

3.2 无线wifi 驱动设计

由于本系统选用嵌入式Linux4.1.15 内核为软件平台，内部集成了丰富的设备驱动，根据硬件平台设计需要，只需配置无线wifi 驱动即可。

本硬件平台选用的是realtek 公司生产的RTL8189系列wifi 芯片，首先将realtek 目录中的文件拷贝才Linux 内核源码中的wireless 目录下，接着打开Kconfig 文件添加“source‘drivers/net/wireless/realtek/Kconfig’”代码，将wifi 驱动的配置界面展现在Linux 内核配置界面上，最后，打开Makefile 文件，添加“obj-y += realtek/”，编译后完成Linux 内核的修改。

在编译RTL8189 驱动之前要先配置Linux 内核，配置完成后执行“make menuconfig”命令，打开Linux 内核配置界面，按照如下步骤将RTL8189 驱动编译为模块：-> Device Drivers

编译完成后， 就会在rtl8189 文件夹下生成8189.ko，就是需要的RTL8189 的驱动模块文件。

4 应用软件开发

基于嵌入式Linux 的多通道投放信号采集系统的程序流程，如图4 所示。

图4 程序设计流程图

应用软件程序实现投放信号的AD 采集及无线wifi传输的控制功能，同时驱动HMI 串口屏显示状态。应用软件程序启动后，进入系统初始化，配置采样时间、采样频率以及分辨率等参数，参数设置完成后进入待机状态。当同步信号的触发脉冲到来时，系统进入采集流程，完成三通道投放电压信号的AD 转换、信号调理等数据处理，并按照规定的格式存储至EMMC 存储器中。当设定的采样时间结束后，停止采集。

完成采集后，系统进入待机状态，当收到上传请求后，采集系统与显控终端建立无线通信连接，连接完成后上报给处理器，驱动HMI 串口屏显示连接状态。当所有的采集单元都与显控终端连接后开始上传数据，通过TCP/IP 协议将相关数据按照规定的帧格式传输至显控终端的服务器，数据上传完毕后发出中断指令，结束上传。

5 系统集成测试

5.1 数据采集测试

采集系统进行了现场实地测试，将16 个采集单元安装在投放设备内，沿飞机水平轴线左右各摆放8 个，每个单元间隔10cm。显控终端距离采集单元正前方3m处。启动采集系统后，设置ID 号01 ～16，选择“系统初始化”，对16 个采集单元进行参数配置，采样有效位数16 位（默认）、采样频率1kHz、采样时间40s，完成配置。查询系统状态，设置16 路（每路3 通道）投放信号，脉宽30ms、间隔100ms，开始采集，采集时间结束后停止采集，最后保存测试结果。

5.2 无线通信测试

进入wifi 上传界面，为保证数据传输的有效性，需要再次建立显控终端与16 个采集单元的通信，确保无线通讯正常。连接过程中，上位机会持续上报服务器连接状态。连接正常后，开始上传数据。采集单元一边上传采样数据信息，一边计数已上传文件的数量，直至16 个文件包全部上传完毕后，结束上传。

在显控终端打开测试结果文件夹，采集的数据以excel 文件格式的形式存储，打开该文件就可以查看相关数据。系统集成测试结果如图5 所示。

图5 系统集成测试结果示意图

6 结语

本设计主要实现了一种利用嵌入式Linux 为操作系统，采用微处理器、高速采集模块、无线通信模块和显示模块构成的高效、便捷的干扰源投放信号采集、传输系统。经过实验证明，基于嵌入式Linux 的多通道投放信号采集系统能够接收显控终端发送的触发脉冲，实现信号的实时采集，并通过无线wifi 将数据上传至显控中心，同时L.MX6ULL 处理器还能驱动HMI 串口屏显示系统工作状态。整个采集系统工作稳定，具有一定的工程应用意义，为无线网络化的数据采集系统研究提供了理论支撑和实践经验。