嵌入式系統的巡檢器設計方案

該儀器集數據采集、存儲、分析、追憶、通信功能于一體，且具有體積小，重量輕，便于攜帶，操作方便等特點。另外，還可將采集數據上傳到上位機作進一步的分析處理。

在現代化生產中，為了確保機械設備能夠安全可靠的運行，可以利用故障診斷技術來及時發現故障，并采取合理的維修或保護措施來排除故障，從而預防和避免事故的發生。根據故障診斷儀器出現的先后順序，可以將其分為便攜式檢測和分析儀表、在線監測儀表系統、計算機監測分析與診斷系統、智能診斷系統等四類。目前，對于重要的大型關鍵設備，往往采用在線監測儀表系統，而對于那些不便安裝在線系統的場合或設備，其使用的巡檢儀器要么功能過于簡單，不能實現對采集數據的現場分析和存儲管理，要么體積龐大，不便攜帶。針對這一情況，本文給出了開發基于嵌入式技術的設備故障診斷巡檢系統的設計方法。該方法既可沿巡檢路徑進行檢測，又可采集自由測點的數據，并且豐富了便攜式儀器的現場診斷功能，此外，檢測數據還可以在上位機中進行綜合分析和診斷。

這種多路巡檢器適用于多點測量顯示及控制，集多臺儀表功能于一體，可巡回檢測和顯示多路信號，并可與各類傳感器、變送器配合使用，以對多路溫度、壓力、液位、流量、振動等工業過程參數進行巡回檢測、報警、控制、現場存取數據，以及通過USB輸出、數據采集與上位機通訊。?

1 嵌入式巡檢器的總體結構

本系統總體上由前端的嵌入式儀器和后端的服務器兩部分組成。前端儀器用于完成巡檢(或點檢)工作，具有信息采集(包括振動信號、溫度信號，瓦斯濃度信號)、波形分析、頻譜分析、數據存儲和追憶、網絡通信等功能。后臺管理軟件可通過通信接口向前端儀器下達巡檢計劃，接收前端儀器的巡檢數據，并做進一步的分析處理，以便給出診斷結論，并將診斷結論通過網絡進行遠程發布。

系統硬件主要由傳感器、嵌入式智能儀器、液晶屏、USB接口、SD存儲模塊等組成。圖1所示是其總體結構。本系統的硬件系統主要實現信號的采集、顯示、分析、通信、存儲管理、故障診斷等功能。前端儀器的模擬信號采集可采用8通道，也可同時采集四路振動信號(振動加速度、速度或位移)，以在液晶屏上顯示振動加速度，速度量。傳感器的類型和靈敏度可根據實際情況通過觸摸屏在應用軟件中進行選擇設置，操作十分方便。



儀器內核采用ARM7TDMI-S微控制器，它內嵌512 KB的快速Flash存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速度結構可使32位代碼在最大的時鐘速率下運行。系統軟件則采用μC-OSII操作系統，運行于其上的應用軟件除了可以采集振動信號、溫度信號、瓦斯濃度信號之外，還可以做預析，并將結果顯示在液晶屏上。

由于機械設備的故障現象與故障原因之間并不存在簡單的一一對應關系，即使是同型號的設備，由于裝配及工作條件的不同，其工況狀態及故障模式也往往存在差異，因此，在系統的后端，可以廣泛采用各種分析診斷方法，并且在系統設計過程中，應充分考慮系統的可擴展性、可操作性和可維護性、開放性等因素，以保證系統能夠有效應用于不同的設備和運行條件之中。

所謂可擴展性，就是根據現場要求，在基本功能不變的基礎上，適當擴展其新功能，從而實現對旋轉機械等不同類型機械設備的功能定制，滿足用戶需要；

可操作和可維護性一般指巡檢儀器界面友好，操作使用方便，維護和升級容易等；

開放性表示服務器中的巡檢信息數據庫可以方便的與企業互聯，便于企業的信息管理。

2 硬件電路的設計

技術領先、運行可靠的硬件平臺是系統長期穩定工作的前提和基礎，也是儀器質量的保證。在系統前端儀器的設計中，可采用基于ARM7TDMI-S CPU的微控制器，該方案的運算和處理速度快，并可擴展4GB的SD存儲器，存儲空間大，可滿足巡檢和點檢數據存儲的要求；而開發USB接口則可以方便地進行數據傳輸和遠程通信；其人機交互界面設計可采用12864液晶屏，以使圖像清晰，操作方便。

2.1?數據采集電路

數據采集是本系統的關鍵組成之一。其傳感器輸入接口如圖2所示，它主要由信號類型選擇開關、放大電路、濾波電路組成。其中選擇開關用于確定輸入處理器的信號是LCP傳感器輸出的速度信號還是加速度信號。



2.2?存儲和接口電路

本系統前端儀器采用4GB的SD存儲卡來存儲實時采集到的數據。該卡具有多功能的USB接口，可通過選擇開關進行人機交互，從而實現與上位機的通信。

3 儀器軟件的實現

根據系統的功能模塊，可將整個系統劃分為5個并行存在的任務來運行，各個任務完成相對獨立的功能。對任務的調度可按優先權的高低來進行，優先權的設置可按照整個系統運行的時序來確定。對系統安全運行比較重要和對實時性要求較嚴格的任務，可以設置較高的優先級。各個任務根據優先級由高到低依次如下：8個A／D預處理任務、液晶顯示任務、USB通信任務、鍵盤任務和系統服務任務。在系統運行過程中，各任務的優先級固定不變。

本系統中的各個任務之間，都有數據需要交換，因此，可采用消息機制進行任務間的通信，即通過消息郵箱向各個任務發送消息，依次完成數據的傳遞。在由μC-OSII管理的多任務機制下的程序流程如圖3所示。



4 結束語

基于嵌入式技術的設備巡檢器可以確保前端儀器的小型化、便攜式和易用性。而ARM7TDMI-S CPU架構的ARM微處理器和穩定可靠的μC-OSII操作系統則為該智能儀器的穩定可靠運行提供了基礎。該巡檢器內的4GB的μC-OSII卡可對采集的信號進行實時存儲和預處理，同時還可對設備故障進行預分析，也可以將采集的數據通過USB上傳至上位機進行再處理和再分析，從而提高設備故障診斷的可靠性和設備管理的自動化水平，為設備的安全穩定運行提供依據和保障。