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(海軍航空大學 岸防兵學院，山東 煙臺 264001)

0 引言

導彈測試作為導彈技術保障的重要一環(huán)，直接關系到整個導彈技術準備工作的成敗，嚴重影響導彈戰(zhàn)斗的使用。而導彈測試設備技術狀態(tài)的好壞則是導彈測試成敗的關鍵。近年來，信息化技術發(fā)展迅猛并在導彈武器中得到了應用，導彈測試性水平不斷提高，網(wǎng)絡技術的發(fā)展為遠程測試和數(shù)據(jù)收集提供了必要條件，導彈測試技術開始向設計-試驗-保障一體化發(fā)展[1]。

在科學技術快速發(fā)展的時代，遠程實時監(jiān)控與故障診斷預測技術在各個領域應用十分普遍[2-5]。基于Internet的遠程監(jiān)控系統(tǒng)因具有松耦合性、互操作性好、開發(fā)便利、異構(gòu)資源可共享等優(yōu)點而得到了廣泛應用[6]。依托信息化手段，建立基于網(wǎng)絡的導彈測試設備遠程狀態(tài)監(jiān)控管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)對導彈測試信息的自動收集、數(shù)據(jù)及時上報、集中存儲和管理等。

為滿足導彈測試設備遠程監(jiān)控數(shù)據(jù)的采集需要，在不改變已有導彈測試設備技術狀態(tài)的前提下，基于嵌入式技術設計了一種導彈測試設備遠程監(jiān)控數(shù)據(jù)采集設備。它作為整個測試設備遠程狀態(tài)監(jiān)控管理系統(tǒng)前端信息采集處理設備，分布配置在導彈測試現(xiàn)場，用于獲取測試現(xiàn)場相關信息，并上報到監(jiān)控中心。

1 總體設計方案

嵌入式技術是將計算機作為一個信息處理部件，嵌入到應用系統(tǒng)中的一種技術，它將軟件固化集成到硬件系統(tǒng)中，將硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)一體化[7]。因其具有低功耗、時效性強、高精簡型、高專用性、容易控制、資源占用率低等顯著優(yōu)勢，在遠程監(jiān)控工作中得到了廣泛的應用[8-10]。

導彈測試設備遠程監(jiān)控數(shù)據(jù)采集設備以嵌入式計算機為核心，作為整個測試設備遠程實時運行監(jiān)控管理系統(tǒng)前端信息采集處理設備，該裝置分布配置在各測試現(xiàn)場，用于獲取測試現(xiàn)場相關信息，并上報到監(jiān)控中心，是監(jiān)控中心主要信息的來源。

該數(shù)據(jù)采集設備主要由硬件設備及軟件平臺兩大部分組成，圖1所示為數(shù)據(jù)采集設備總體組成框圖。

圖1 數(shù)據(jù)采集設備總體組成框圖

2 硬件設計

2.1 主要功能及技術參數(shù)

數(shù)據(jù)采集設備的主要功能有：

1)設備具有供電轉(zhuǎn)接監(jiān)測功能；

2)設備具有溫濕度信息采集功能；

3)設備具有大氣壓力信息采集功能；

4)設備具有數(shù)據(jù)采集處理功能，對上報數(shù)據(jù)進行預處理；

5)設備具有數(shù)據(jù)上報功能，將測試現(xiàn)場信息上報至監(jiān)控中心；

6)設備具有數(shù)據(jù)本地存儲功能；

7)設備具有擴展網(wǎng)絡接口、音視頻接口等功能。

8)設備具有自檢功能，設備上電后或收到網(wǎng)絡發(fā)來的自檢指令后自動查詢所有設備的運行狀況，自檢結(jié)果可上傳至服務器。

數(shù)據(jù)采集設備的主要技術參數(shù)如下：

1)溫度測量：

溫度測量范圍：-20～70℃

溫度測量精度：±1℃

2)濕度測量：

測度測量范圍：0～100%RH

濕度測量精度：±2%RH

3)大氣壓力測量：

大氣壓力測量范圍：50～120 kPa

大氣壓力測量精度：±2 kPa

4)380 V三相供電測量：

電流測量：0～37.5 A，精度5%。

2.2 硬件組成原理

數(shù)據(jù)采集設備硬件組成包括嵌入式服務器、ARM單片機板、測試設備供電轉(zhuǎn)接模塊以及12 V供電適配器等組成。其中，嵌入式服務器由嵌入式計算機、網(wǎng)關、液晶屏、硬盤及對外接口等組成；ARM單片機板由系統(tǒng)模塊、電流監(jiān)測模塊、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測模塊和通訊模塊組成。數(shù)據(jù)采集設備硬件組成原理如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集設備組成原理框圖

2.2.1 嵌入式服務器

數(shù)據(jù)采集設備配置的嵌入式服務器由嵌入式計算機、網(wǎng)關、液晶屏、硬盤及對外接口等組成，用于對采集的信息數(shù)據(jù)進行處理、上報，同時管理數(shù)據(jù)采集設備，其核心為嵌入式計算機并配備網(wǎng)關。

1)嵌入式計算機：數(shù)據(jù)采集設備配備的嵌入式計算機選擇緊湊系列X86架構(gòu)嵌入式計算機，支持Intel Atom N455 Dual Core1.66 GHz SoC，雙網(wǎng)口，雙串口， VGA，2個USB口，2個SATA II存儲接口。

2)網(wǎng)關模塊：網(wǎng)關選用Moxa 4端口嵌入式以太網(wǎng)交換機模塊EOM-104，主要是用于提供擴展網(wǎng)絡接口。它具有4個以太網(wǎng)口，支持IEEE802.3/802.3u/802.3x 10/100M全/半雙工，MDI/MDI-X自適應RJ45端口。

2.2.2 ARM單片機板

ARM單片機板由系統(tǒng)模塊、電流監(jiān)測模塊、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測模塊及通訊模塊組成。

1)系統(tǒng)模塊：系統(tǒng)模塊選用LPC2138芯片作為處理器，它是基于一個支持實時仿真和跟蹤的ARM7TDMI-S內(nèi)核的32位ARM處理器[11]，并帶有512 KB片內(nèi)高速Flash和32 KB的片內(nèi)SRAM存儲器。系統(tǒng)模塊主要包括電源模塊、系統(tǒng)復位、JTAG調(diào)試接口等電路。

這里，電源模塊使用了兩個DC-DC模塊：一個是MJWI10-24S033電源模塊，將外部輸入的直流+12 V轉(zhuǎn)換為+3.3 V，供LPC2138等芯片用；另一個是MJWI10-24S12電源模塊，將外部輸入的直流+12 V轉(zhuǎn)換為-12 V，供霍爾電流傳感器SO1T25C25V6使用。

本系統(tǒng)采用11.0592 MHz的外部晶振，提高了串口波特率的精準度。

2)電流監(jiān)測模塊：電流監(jiān)測模塊用于對測試設備220 V單相交流或380 V三相交流供電線路進行電流信號采集。圖3所示為測試設備供電電流監(jiān)測原理框圖。

圖3 電流監(jiān)測原理框圖

測試設備供電轉(zhuǎn)接模塊在完成測試設備正常供電的同時，將輸入的380 V三相交流電通過電流監(jiān)測模塊的三個霍爾電流傳感器SO1T25C25V6進行敏感?；魻栯娏鱾鞲衅髅舾须娏敵龅碾娏鲄?shù)經(jīng)ARM單片機板采集處理后通過串口傳輸?shù)角度胧接嬎銠C中。

3)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測模塊：環(huán)境參數(shù)監(jiān)測模塊包括溫濕度采集電路及氣壓采集電路。

溫濕度采集采用SENSIRION公司的數(shù)字溫濕度傳感器SHT15實現(xiàn)。SHT1x系列傳感器是一款集溫濕度測量功能于一身的多功能傳感器，將傳感元件和信號處理電路集成在一塊微型電路板上，輸出完全標定的數(shù)字信號。這里采用默認測量分辨率，即溫度14位，濕度12位。

SHT15主要技術參數(shù)如下：

1)供電電源：3.3 V，0.55 mA；

2)工作范圍：溫度-40～123.8℃，濕度0～100%RH；

3)精度：±0.3℃，±2%RH；

4)分辨率：0.01℃(14 bit),0.05%RH(12 bit)；

5)輸出接口：2線制數(shù)字接口。

大氣壓力傳感器選用市場上成熟的產(chǎn)品，產(chǎn)品型號BT5611。BT5611是一款采用MEMS技術將高線性壓力傳感器與一個低功耗的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(ADC)集成于一體的數(shù)字氣壓傳感器模塊。該產(chǎn)品支持SPI和I2C 總線傳輸協(xié)議，可與任何微處理器匹配工作。

BT5611主要技術參數(shù)如下：

1)供電電壓：1.8～3.6 V；

2)壓力測量范圍：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單片機通過兩線制串行接口或I2C 總線與環(huán)境參數(shù)監(jiān)測模塊的傳感器通信，并通過RS-232串口與嵌入式計算機通信及交換數(shù)據(jù)。

7)通訊模塊：通訊模塊通過RS-232串口與嵌入式計算機進行通訊，將測試設備供電電流、環(huán)境參數(shù)等上傳給嵌入式計算機。通訊模塊使用了MAX232A進行RS232電平轉(zhuǎn)換。

2.3 結(jié)構(gòu)設計

數(shù)據(jù)采集設備各組成部分集成安裝于254 mm(W)×180(D)×45 mm(H)箱體之內(nèi)，各種輸入輸出接口，人機交互界面設計在箱體兩側(cè)及上面板，適用于桌面安裝(水平)及壁掛安裝(垂直)使用方式。

上面板布置交流380 V三相四線電力輸出接口、LCD顯示屏及按鈕、指示燈、供電控制開關等。

左側(cè)面板主要布置市電輸入接口(采用航空插座形式)、音頻接口、本地網(wǎng)口、擴展網(wǎng)口、電源輸入接口(12 VDC)、接地柱等。

右側(cè)面板布置220 V交流供電轉(zhuǎn)接輸出接口、信息采集接口、USB接口、COM口、VGA接口等。

數(shù)據(jù)采集設備采用傳導散熱的方式，設計散熱片緊貼嵌入式計算機CPU，以散去其熱量，機箱頂部開通風窗口，以散去機箱內(nèi)部熱量。

3 軟件設計

3.1 軟件體系結(jié)構(gòu)

遠程監(jiān)控數(shù)據(jù)采集設備服務軟件體系結(jié)構(gòu)如圖4所示，分為UI界面層、應用邏輯層、服務層、數(shù)據(jù)層。

UI界面層：負責系統(tǒng)與用戶的信息交流，并向用戶提供直觀、方便的用戶體驗。

應用邏輯層：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)上報、驅(qū)動集成、管理模塊、數(shù)據(jù)存儲等各種邏輯功能。

服務層：提供任務調(diào)度服務、數(shù)據(jù)交互接口、網(wǎng)絡通信服務等。

數(shù)據(jù)層：提供數(shù)據(jù)庫、配置文件、數(shù)據(jù)文件等數(shù)據(jù)存儲。

圖4 軟件體系結(jié)構(gòu)

3.2 軟件功能

數(shù)據(jù)采集設備軟件部署在嵌入式計算機內(nèi)的操作系統(tǒng)中，主要包括驅(qū)動模塊、管理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)上報模塊等。軟件編程語言采用C++，軟件平臺總體組成如圖5所示。

1)驅(qū)動模塊：驅(qū)動模塊針對設備中配備的傳感器、控制電路、接口電路等硬件模塊的操作而設計，并作為上層應用軟件開發(fā)的程序接口。驅(qū)動模塊提供設備自檢程序接口，上位機通過網(wǎng)絡發(fā)送自檢命令，能夠?qū)?shù)據(jù)采集設備進行自檢操作。

圖5 軟件平臺總體組成框圖

2)管理模塊：管理模塊在驅(qū)動程序基礎上，統(tǒng)籌管理設備中配套的傳感器、控制電路、接口電路等硬件資源，提供操作、配置界面。管理功能包括傳感器管理、外設管理、測試數(shù)據(jù)管理、應用服務管理等。

傳感器管理功能提供傳感器參數(shù)設置接口，提供傳感器自動校準功能。

外設管理提供數(shù)據(jù)采集設備連接外部設備時的接口管理功能，包括接口使能/禁止、接口參數(shù)配置等。

測試數(shù)據(jù)管理提供數(shù)據(jù)接收模塊收集、存儲的各類數(shù)據(jù)的管理功能，包括數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)手動上傳、數(shù)據(jù)標記、數(shù)據(jù)導出、數(shù)據(jù)刪除等。

應用服務管理提供數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)接收模塊及數(shù)據(jù)上報模塊等應用服務程序功能參數(shù)配置接口。

3)數(shù)據(jù)采集模塊：數(shù)據(jù)采集模塊通過調(diào)用驅(qū)動接口程序?qū)崟r采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，并由數(shù)據(jù)上報模塊在不同時機將監(jiān)測數(shù)據(jù)打包后上報到監(jiān)控中心。

4)數(shù)據(jù)接收模塊：數(shù)據(jù)接收模塊用于收集、存儲現(xiàn)場外來的各類數(shù)據(jù)，該類數(shù)據(jù)在合適的時機通過數(shù)據(jù)上報模塊上報到監(jiān)控中心進行統(tǒng)一管理、分析和處理。

5)數(shù)據(jù)上報模塊：上報數(shù)據(jù)的時機包括由事件觸發(fā)上報和固定時間周期上報兩種。其中，觸發(fā)事件可包括測試設備采集到的邏輯量發(fā)生變化或模擬量變化越過預設臨界值。

3.3 軟件對外接口描述

采集服務軟件對外接口主要有以下6種接口：

1)數(shù)據(jù)上報接口：采集服務軟件將采集到的數(shù)據(jù)上報至監(jiān)控中心；

2)指令接收接口：接收監(jiān)控中心指令數(shù)據(jù)；

3)數(shù)據(jù)文件讀取接口：根據(jù)需要讀取事先存儲的數(shù)據(jù)文件；

4)數(shù)據(jù)文件存儲接口：根據(jù)需求存儲數(shù)據(jù)；

5)采集端采集接口：監(jiān)測數(shù)據(jù)接收；

6)采集端配置下裝接口：配置數(shù)據(jù)下裝。

4 實驗驗證

4.1 實驗方法

下面基于監(jiān)控中心某測試設備遠程實時運行監(jiān)控管理系統(tǒng)，在不改變已有導彈測試設備技術狀態(tài)的前提下，利用該數(shù)據(jù)采集設備作為整個測試設備遠程實時運行監(jiān)控管理系統(tǒng)前端信息采集處理設備，對某型導彈測試設備進行遠程信息采集與狀態(tài)監(jiān)控實驗。實驗原理框圖如圖6所示。

圖6 實驗原理框圖

該數(shù)據(jù)采集設備提供了顯示屏、按鈕等人機交互設備。設備運行過程中，顯示屏顯示內(nèi)容包括操作菜單、數(shù)據(jù)顯示及狀態(tài)顯示。其中，顯示屏的數(shù)據(jù)顯示區(qū)域用于實時顯示采集的參數(shù)數(shù)據(jù)包括供電參數(shù)、溫濕度值、大氣壓力值、上傳數(shù)據(jù)、測試數(shù)據(jù)等信息，如圖7所示。

4.2 實驗結(jié)果與分析

監(jiān)控中心測試設備遠程實時運行監(jiān)控管理系統(tǒng)的采集服務軟件從采集終端采集某導彈測試設備的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并根據(jù)業(yè)務需求進行數(shù)據(jù)收集、存儲、管理，并根據(jù)定制的上報時機通過網(wǎng)絡接口將數(shù)據(jù)上報至監(jiān)控中心服務器。監(jiān)控管理系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控界面包括采集終端圖形展示、終端列表、報警信息、全部點位等功能，并將采集終端采集到的測試設備周圍溫度、濕度、氣壓以及工作狀態(tài)等信息實時顯示出來，實驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 狀態(tài)監(jiān)控顯示主界面

經(jīng)過多次反復實驗驗證，該數(shù)據(jù)采集設備運行穩(wěn)定，能夠完成導彈測試設備供電轉(zhuǎn)接監(jiān)測功能，能夠?qū)崟r準確采集測試現(xiàn)場溫濕度、大氣壓力信息，并將采集到的信息進行處理后及時準確地上報至監(jiān)控中心，符合設計技術要求。

5 結(jié)論

導彈測試設備遠程監(jiān)控數(shù)據(jù)采集設備以嵌入式計算機為核心，作為整個測試設備遠程實時運行監(jiān)控管理系統(tǒng)前端信息采集處理設備，該裝置分布配置在各測試現(xiàn)場，用于獲取測試現(xiàn)場相關信息，并上報到監(jiān)控中心，是監(jiān)控中心主要信息的來源。實驗結(jié)果表明，該數(shù)據(jù)采集設備結(jié)構(gòu)簡便、功能強大、運行穩(wěn)定，易于擴展，能夠完成導彈測試設備遠程監(jiān)控數(shù)據(jù)采集功能。