基于 ARM 的智能化故障诊断系统方案的研究
基于 ARM 的智能化故障诊断系统方案的研究
文/张晓艳 王皎 吴斌
摘要：本文从嵌入式平台的特点和故障诊断系统的功能出发 , 提出
了基于 ARM 的智能化故障诊断系统的整体解决方案 , 重点研究系
统的体系结构和软硬件的实现。该系统采用在线监测系统与远程
高级诊断系统相结合的结构 , 以CAN 总线作为外部数据信号的接
收端口 , 无线网络作为向远程高级诊断系统传送信息的媒介 , 完
成数据采集、在线监测以及远程故障诊断等功能。
【关键词】ARM 嵌入式系统 故障诊断 在线监测
1 系统技术方案
1.1 系统组成
基于 ARM 的智能化故障诊断系统主要由信号采集单元、在线监测单元、通信单元及远
程高级诊断单元 4 个部分组成。其中 , 信号采集单元 , 在线监测单元和通信单元组成在线监
测系统 , 对被测单元进行数据采集及简单的故障诊断。在线监测系统与远程高级诊断系统之
间通过无线网络进行数据、命令交流。
1.2 工作原理
上电启动后 , 系统将根据用户设置的命令对被测单元的信号进行连续采集 , 通过 CAN
总线将采集信息传送给在线监测单元 , 在线监测单元将自动或按照命令调用系统内包含的智
能化诊断系统,与预设定的信息进行分析比较,完成对可能或已经出现的故障的分析判断 , 并
实现故障定位。对于不能处理的信息则通过无线网络传送给远程高级诊断系统 , 由它对数据
进行更深层的分析处理 , 并在专家系统的支持下给出检测诊断结论与故障信息 , 记录并存储
这些故障信息 , 为日后维修人员的维修护理提供依据。
2 系统硬件架构
该系统硬件主要由两大部分组成 , 一部分用于前端对被测单元实施信息采集 , 状态监测
及初步的故障诊断 , 称之为在线监测系统 , 由嵌入式计算机来实现；另外一部分用于远程接
收并处理在线监测系统所传送的信息 , 诊断出相应的故障 , 称之为远程高级诊断单元 , 由 PC
机来担任。
2.1 在线监测单元
在线监测单元主要由信号采集单元、通信单元、存储单元、中央处理单元、人机交互
单元以及 CAN 总线单元组成。
2.1.1 中央处理单元
中 央 处 理 单 元 是 以 S3C2410 为 核心 ,Samsung 公 司 的 S3C2410 是 基 于 ARM
Thumb 的 ARM920T 微处理器 , 它内部集成了各种丰富的外围功能模块和标准接口。中央处
理单元主要完成各外围模块的初始化 , 实时监控和实时通信 , 并根据用户交互信息来运行各
模块程序以满足用户的要求。
2.1.2 存储单元
在系统中 ,S3C2410 外扩了 2 片 64M 字节的 FLASH 存储器 , 用于存储硬件底层驱动、
实时操作系统、应用程序以及保存大量运行时采集的数据 , 以备需要时读出。SDRAM 由
2 片 16 位数据宽度并联为 32 位数据宽度的SDRAM 存储系统 , 主要用于在系统运行时装
载实时操作系统和应用程序以加快应用程序的运行。
2.1.3 通信单元
通信单元包括无线网络接口 , 负责将在线监测单元的信息通过无线网络发送至远程高级
诊断系统 , 并接收来自高级诊断系统返回的诊断信息显示给用户。此方法使得故障诊断可以
分级实现 , 满足许多设备故障诊断对移动性和实时性的要求。
2.1.4 CAN 总线单元
CAN 总线的实时性强、可靠性高、通信速率快、总线协议具有完善的错误处理机制、
灵活性高和价格低廉等特点,非常适合本系统。系统中的 CAN 控制器由实现 CAN 总线协议
和与微处理器接口的电路组成 , 负责所采集信息与在线监测单元之间的通信。
2.1.5 信号采集单元
该单元主要由信号转接电路、信号调理电路和 A/D 转换电路组成。信号转接电路引
出被测单元的电信号 , 通过调理电路实现对各个引出的信号的限幅、滤波、降噪等功能的处
理 , 然后进行 A/D 转换供系统计算和故障诊断使用。
3 系统软件设计
3.1 在线监测单元的软件设计
3.1.1 操作系统的移植
选择 Linux 操作系统 , 符合 GNU/GPL 公约 , 完全开放源代码。对 Linux 的源代码进行
重新编译 , 首先要安装 Linux 下 ARM 开发的交叉编译器 , 然后进行内核的裁减和编译 , 当
编译结束时会生成内核的镜像文件 Image.rom,通过 JTAG 接口将其输写到开发板 , 结合相应
的初始化程序就可以在开发板上运行小型嵌入式操作系统。
3.1.2 软件的结构
基于 ARM 的智能化故障诊断系统内嵌Linux操作系统,此平台上有监测记录主程序。
监测记录主程序完成子系统的基本功能 , 主要包括数据采集模块、人机接口模块和故障处理
3 个模块。
3.1.3 软件的实现
这部分软件由两部分组成 , 一部分是内核驱动程序。驱动程序由自动配置和初始化子程
序、服务于 I/O 请求的子程序以及中断服务子程序 3 个主要部分组成。每个设备的设备驱动
程序提供 open 、close 、read、write 、ioctl 和select 的入口点。在设备驱动程序初始化的时
候 , 通过调用 register_chrdev 向系统注册字符型设备驱动程序,以便系统在适当的时候调用。
最后把设备驱动程序作为可加载的模块 , 由系统管理员利用 insmod 动态地加载它 , 使之成
为核心的一部分。编写模块程序的时候 , 必须提供 int init _ module ( void) 和 void cleanup _
module(void) 两个函数 , 负责进行设备驱动程序的初始化和清除工作。
4 结束语
ARM 微处理器是可综合处理器 , 使用单一的处理器内核就可以实现故障诊断系统所需
要的大部分功能 , 极大地减小了总体芯片的面积和系统的复杂程度。基于 ARM 的智能化故
障诊断系统能够利用系统内置故障诊断功能 ,可以方便快速地确定故障来源 , 从而更好了解
设备工作状况,制订更加经济有效的维修策略。
参考文献
[1] 刘承武 . 黄先祥等基于无线网络的大型装备在线监测与故障诊断 [J]. 火炮发射与控制学报 ,2006(04).
[2] 田泽 .ARM9 嵌入式开发实验与实践 [M].北京 : 北京航空航天大学出版社 ,2006.
作者单位中国航空计算技术研究所 陕西省西安市710068
