摘 要：电子装备现有的故障诊断系统一般无法完成装备工作过程中的实时在线状态监测。利用多种非接触式的传感器信息融合技术、以太网网络通信技术，设计了现场级嵌入式状态监测系统，采用嵌入式微处理器S3C44B0X构建最小系统实现实时地对系统各个重要部分进行信号采集和在线状态监测，为在线智能故障诊断系统提供诊断信息。
关键词：ARM; 嵌入式系统; 故障诊断
1.引言
某电子设备结构复杂，复合功能强，每个组合包含几块到几十块电路板，其中有模拟电路，也有数字电路，还有模拟、数字混合电路。其电路板大量采用集成器件和多层结构，维修空间小，检测维修难度大，并且精度要求高，技术新，系统维护对专业配套检测维修设备的依赖性强，对维修人员要求高。建立对电子装备及时进行故障诊断的系统，对于提高武器装备的战斗力，降低使用维护费用等均具有重大意义。据统计，在海湾战争中美国采用先进的诊断技术将武器装备的故障诊断效率提高了30%左右，而武器装备在寿命周期内的各种维修技术保障费用则至少可以节省20%。为实现对故障诊断的实用、高效、低成本的目标，将ARM嵌入式系统应用到电子设备故障诊断领域，以达到诊断系统的实用性、结构紧凑性和智能性。
Samsung 公司推出的16/32 位RISC 处理器S3C44B0X 为手持设备和一般类型应用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方案。S3C44B0X 采用了ARM7TDMI 内核，0.25um 工艺的CMOS 标准宏单元和存储编译器。它的低功耗精简和出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感的应用。同样S3C44B0X还采用了一种新的总线结构，即SAMBAII（三星ARM CPU 嵌入式微处理器总线结构）。S3C44B0X的杰出特性是它的CPU核，是由ARM公司设计的16/32 位ARM7TDMI RISC处理器（66MHZ）。ARM7TDMI 体系结构的特点是它集成了Thumb 代码压缩器，片上的ICE断点调试支持，和一个32 位的硬件乘法器。S3C44B0X 通过提供全面的、通用的片上外设，大大减少了系统电路中除处理器以外的元器件配置，从而最小化系统的成本。
2.军用电子装备故障诊断特点分析
一般来说军用电子装备产品有以下一些特点：
（1） 电路模块大多为专用电路，通用性差，种类多，型号多，生产数量少，即使个别型号生产数量略多，但相比商用产品生产还是少数，形不成批量生产。
（2） 设计资料齐全，包括设计原理，设计图样，各种技术报告，分析报告，试验数据等;
（3） 由于使用环境恶劣，变化大，所以军用电子装备要满足各种国军标（GJB）所规定的比较苛刻的环境试验和性能考验，因此各种试验项目齐全，测试结果多;
（4） 可靠性要求高;
（5） 使用电子设备的不是设计人员，对装备只有定性的了解;
（6） 由于环境复杂，生产批量少，使用要求高，技术难度大，保密性要求高，相应的造成军用电子装备的研制周期长，所需经费大。
除了上述特点外，我们所研究的电子装备的故障智能诊断系统还具有以下特点：
（1）数据种类多，有直流电源、交流电源、数字信号、模拟信号、中频信号、高压信号、开关信号等;
（2）数据量大，有的组合有几十种甚至上百个输入、输出信号，大量的数据需要保存和处理;
（3）数据管理任务繁重，数据的接受、处理、保存、报警、诊断、维护、显示、查询等非常频繁;
（4）系统的故障诊断需要较快的速度，而且对数据要求有较高的可靠性，因此系统对数据的访问必须快速、准确。
目前，在故障诊断领域广泛使用的诊断系统有8/16位单片机系统和工业PC系统。ARM内核处理器具有高性能、低功耗、低成本、低开发难度等一系列优点，是测控系统由8位机升级到32位机的理想选择。此外，在满足诊断技术要求的基础上，系统成本仅为相近功能的PC系统的1/3，而且系统元件集成度高，即可以把目前的电荷放大器等元件通过信号整定电路集成到一块PCB板上。由对比分析可见，与现有诊断系统相比，ARM系统具有较高的性价比[1]。
3.ARM诊断系统的组成
利用多传感器信息融合技术、无线通信技术设计了现场级嵌入式状态监测与故障诊断系统，实现同步、并行地对系统各个重要部分进行信号采集和处理，系统的总体结构组成如图1所示。在设备运行现场，对各个子系统采用带无线通信功能的嵌入式设备进行状态监测，避免了有线电缆的使用，技术人员可以很方便地随时对设备进行移动监测，保证了整个监测诊断系统的灵活性。整个设备的状态监测由一台下位机来完成，而故障诊断是由一个上位机来完成，采用无线通信的方式通过无线局域网接入点把信息传至上位机数据库中。
图1嵌入式测试分系统电路结构图
多传感器将各子系统的需要监测的信号测量转换。为减小测试系统对装备的工作影响，传感器将采用电流钳等非接触测量形式。而在诸如机械表头等直接接入对系统无影响的测试点将直接接入。
对模拟信号的采集，采集电路将各种传感器变换的电信号以及性能测试点的电信号进行调理（放大、电量类型转换）后，再经多路开关选择，送到开发板（S3C44B0X）的A/D口。
对开关信号的采集，采集电路将各种传感器变换的电信号以及性能测试点的电信号进行调理（放大、电量类型转换和电平转换）后，经选择器选择其中几位送往开发板。选择器采用CPLD。
开发板扩展了以太网接口，通过无线网卡，采用TCP/IP协议，把开发板A/D口转换的数字信号经过处理后，发送到上位机。上位机对收到的信号经过解码，还原成原来的数据类型，保存到数据库中。
4.系统关键技术的实现
4.1下位机网络通讯的实现
网络通讯采用的是Socket接口。为了建立Socket，程序可以调用Socket 函数，该函数返回一个类似于文件描述符的句柄。
socket 函数原型为： int socket（int domain, int type, int protocol）;
domain 指明所使用的协议族，通常为PF_INET，表示互联网协议族（TCP/IP 协议族）; type 参数指定socket 的类型：SOCK_STREAM 或SOCK_DGRAM，Socket 接口还定义了原始Socket（SOCK_RAW），允许程序使用底层协议;protocol 通常赋值"0"。
面向连接的客户程序使用Connect 函数来配置socket 并与远端服务器建立一个TCP 连接，其函数原型为：
int connect（int sockfd, struct sockaddr ＊serv_addr,int addrlen）;
Send（）和recv（）这两个函数用于面向连接的socket 上进行数据传输。
Send（）函数原型为： int send（int sockfd, const void ＊msg, int len, int flags）;
recv（）函数原型为： int recv（int sockfd,void ＊buf,int len,unsigned int flags）;
Sockfd 是接受数据的socket 描述符;buf 是存放接收数据的缓冲区;len 是缓冲的长度。
4.2一台下位机测量多个被测对象
相对单片机而言，ARM处理器的成本要高得多，因此，应尽量减少下位机的数量。为此，我们对所有被测对象信号进行分类。在此基础上，设计硬件电路部分。利用下位机构造最小系统，对于不同的组合，采用相应的外围硬件电路，通过这种方式来实现整个电子设备所有的被测对象的数据采集。这样，对于整个电子设备，不用修改下位机电路，而被测对象的识别与信号的选择，主要靠下位机软件来完成。我们使用的开发板的海量存贮器采用了16M的非线性 Flash，并可以通过USB连接，从而可以方便的将不同被测对象的程序下载到开发板的海量存贮器中。当测量不同的被测对象时，下载相应的程序到下位机中，即可完成对诊断对象的测试，并把测试结果发送到上位机数据库。
4.3上位机总体结构
上位机基本结构如图2所示。
图2 上位机基本结构
上位机通过无线以太网接收下位机的数据，并通过对数据包头部的识别判断信号类别，经过转换后保存到数据库中。然后通过专家系统对数据库中的数据进行判断，完成整个系统的诊断过程。
4.4 知识获取
诊断知识的完备性和正确性决定了诊断成功与否，因此诊断知识的获取对诊断系统的建立具有重要意义。诊断知识的获取方法如下[2]：
（1）参考已有的说明书、维修资料，广泛征求专家和维修技术人员的意见和建议，从其成功和失败的经验和教训中获取知识。
（2）与维修专家合作，根据具体故障的特点，在现场做一些故障模拟实验来获取实验数据，形成新的诊断知识。
（3）根据原理（电路图），分析整个系统（模块），抽出所有的故障征兆点（测试点）和故障点（故障单元），尽可能地找出故障征兆点与故障单元的对应关系，建立系统的诊断模型与诊断流程。
（4）通过系统的自学习来获取知识，由于系统采用多种诊断技术的集成来进行诊断，当在某种条件下一种诊断方法无法得出诊断结论而应用其它的诊断方法可以得到正确诊断结论时，此时的系统输入输出状态即可作为新的诊断知识加入这种诊断方法的知识库中，丰富知识库。
5.结论
本系统的硬件平台具有以下特点：
a 平台采用组合式总线结构，提供标准接口，可裁减、扩充和叠代升级。
b 标准的测试接口设计，接口扩展能力强，功能完备。
c 信息无线传输，便于系统展开，使用方便，灵巧。
系统能够完成装备工作过程中的实时在线状态监测,采集的数据通过无线通信模块送到上位机，通过分析与处理作为装备的当前状态参数。根据装备当前的状态参数及历史信息，对设备的整体性能做出评估和预测，并可根据评估结果给出维修方案。
本文主要创新点：
解决了当前军用电子装备工作过程中的在线状态监测问题，利用多种非接触式的传感器信息融合技术、以太网网通信技术，设计了现场级嵌入式状态监测系统。
参考文献
[1] 赵荣泳等，ARM嵌人式系统在数控磨床故障诊断中的应用研究[J] 机电一体化Mechatronics 2004年10（3）
[2] 潘向峰,岳春生 Intel Xscale PXA255 USB主控制器的实现[J] 微计算机信息2005 Vol.21 No.4 P.146-147,81