王添禹，雷智强，郭 磊

（1.66336部队，河北 保定074000；2.陆军工程大学，江苏 南京210007；3.中部战区陆军保障部，河北 石家庄050081；4.32143部队，河南 信阳464000）

引言

某型冲击桥满足了自动化架设和使用的要求，其设计制造突破了轮式装甲底盘变型、铝合金桥跨设计制造、架设平衡及架设机构优化、车辆电子控制等关键技术。在某型冲击桥使用过程中，受操作人员的技术不够熟练，架设展开的场地不够理想，或装备由于管理维护不当而存在若干缺陷等多种因素的影响，装备不可避免地会发生各种问题和故障，如果不及时检查、诊断和排除，将会对装备器材的技术状况造成很大的损害，甚至造成器材的报废。根据新装备形成战斗力的需求，围绕装备维修保障的研究方向，通过系统分析装备维修保障需求，采用智能诊断技术及虚拟仪器技术，开发某型冲击桥故障诊断系统，实现装备故障诊断的实时性与快速性，提高装备维修保障的质量与精度，从而快速提升基层部队的维修保障水平，提高装备维修质量，降低维修费用，为新装备形成战斗力提供直接的技术支持。

1 总体方案设计

1.1 主要研究内容

某型冲击桥由底盘、桥梁系统、架设系统、通信指挥系统和附属设备组成，通信指挥系统与底盘电子控制系统、架设控制系统一起，构成轮式冲击桥综合电子信息系统，三者由CAN总线互联实现数据共享与交流，桥梁系统由桥跨和展桥机构组成，架设系统包含架设机构（舌形臂、翻转架）、液压系统和控制系统等，附属设备包括测距仪、标示设备、照明设备、维修设备等。本文以提高某型冲击桥装备保障能力为目的，建立以某型冲击桥装备为原型的故障诊断系统，提高维修质量，同时保证维修准确、迅速，且降低维修成本。

1.2 工作原理

故障诊断仪通过CAN总线与轮式冲击桥控制器通讯，显示总线状态、输入输出信号、传感器信号、架设向导、逻辑互锁功能等。设备工作原理如图1所示。

图1 内部连线示意图

故障诊断仪基于嵌入式系统设计，整体架构如下页图2所示。嵌入式系统（Embedded System）是以应用为中心、以计算机技术为基础，软、硬件可裁减，适应对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。本故障诊断仪基于嵌入式系统体系结构，通过CAN总线进行数据通信，完成系统在线状态监测、故障显示与作业参数标定功能。硬件以ARM控制器为核心，软件以嵌入式Linux作为实时操作系统，图形用户界面基于QT4平台开发[1-3]。

图2 诊断仪总体架构

2 硬件设计

2.1 基于ARM的核心模块设计

目前，嵌入式系统高端微控制器已有九成是建立在ARM体系结构之上。ARM系列处理器采用32位嵌入式RISC结构，内部集成多级流水线以提高处理器指令的执行速度，其强大功能与外围电路的配合，将信号采集、处理、故障诊断及网络通信等功能集于一体，特别适合作为智能仪器设备的开发平台。

故障诊断仪硬件由基于ARM的Omap AM3517设计的核心模块加外围电路组成，硬件组成见图3。

图3 故障诊断仪硬件结构

Omap AM3517产品的特色是很强的ARM Cortex-A8处理核心和三维图形加速。一般来说，同样主频的ARM9和Cortex-A8 ARM芯片运算速度是两倍关系，因此，600 MHz ARM Cortex-A8处理器可提供1,000 Dhrystone MIPS，而且未来的产品还会超过1 GHz。AM3517产品实际上是PowerVR SGX图形引擎与AM3505的结合，可加速实现3D图形用户界面。该图形引擎处理速度达每秒10 Mpolygon，并支持OpenGL ES 2.0。图像回转、图像收放，甚至鼠标动作全部用硬件实现，不会损耗ARM核心的主频。

Omap AM3517产品属于Sitara系列处理器，它针对工业应用，-40～85℃的广泛工业温度选项使用户能够在从零度以下的冻结温度，到超高温的恶劣开发环境中工作，其典型应用中的功耗不足1 W，无需使用散热器与风扇，有助于工业开发人员设计安静的密闭外壳。产品还支持DDR2存储器，可降低系统存储器的总体成本。Sitara软件充分采用TI OMAP应用处理器的低功耗工艺技术，并兼容于德州仪器的OMAP系列处理器。

此外还有丰富的外围接口，如USB HOST/Client、USB OTG、4位 的SD I/O、MMC/SD/卡，CMOS/CCD，OTG，IDE，LAN，Memory Stick，USIM等接口。

2.2 CAN接口设计

本系统扩展了两路CAN总线控制器，因此只要外扩总线驱动器即可。总线驱动器选用Philip的TJA1050进行设计，电路原理如图4所示。

图4 CAN接口电路原理图

TJA1050是CAN协议控制器和物理总线之间的接口，是一种性能优越的CAN收发器，可以为总线提供不同的发送性能，为控制器提供不同的接收性能。

2.3 RS232接口设计

利用PXA内部集成的两个串口控制器，只需要进行接口电平转换即可与标准RS232接口设备进行通信，通过一定的通信参数设置可将诊断仪记录的工况数据导出到上位机进行离线分析。

3 软件设计

3.1 软件开发环境

软件基于嵌入式Linux操作系统，基于QT4图形开发环境开发。嵌入式Linux是以Linux为基础的嵌入式作业系统，它被广泛应用在移动电话、个人数字助理(PDA)、媒体播放器、消费性电子产品以及航空航天等领域中。选用Linux操作系统有以下几方面的优点：开放源码，不存在黑箱技术，遍布全球的众多Linux爱好者又是Linux开发者的强大技术支持；Linux的内核小、效率高，内核的更新速度很快，linux是可以定制的，其系统内核最小只有约134KB；Linux是免费的OS，在价格上极具竞争力。Linux的大小适合嵌入式操作系统——Linux固有的模块性、适应性和可配置性，使得这很容易做到。嵌入式linux是将日益流行的Linux操作系统进行裁剪修改，使之能在嵌入式计算机系统上运行的一种操作系统，嵌入式linux既继承了Interlnet上无限的开放源代码资源，又具有嵌入式操作系统的特性。

QT是一个全面的C++应用程序开发框架，它包含一个类库和用于跨平台开发及国际化的工具。利用QT Designer，开发者可以拖放各种QT控件构造图形用户界面并可预览效果QT4软件编辑环境支持标准的C语言以及C++语言，具有丰富的常用控件，如电子仪表，指示灯、CAN总线、视频等。由QT开发的虚拟仪表，可在计算机上模拟真实场景中的某些设备,在屏幕上生成各种仪表仪器面板，完成对实时数据的处理、表达、传送、存储、显示等功能。QT是一个全面的开发框架，它包括广泛的特征、性能与工具，可以开发高性能，跨平台客户端，以及服务器端的应用程序。

诊断仪基于嵌入式Linux开发，在Linux的上层扩展了文件管理系统、图形用户接口和设备底层硬件驱动程序，如存储器系统、CAN总线、LCD显示等，以及在此操作系统之上移植的QT4图形用户接口库共同建立了一个适合开发的、开放的操作系统平台和图形用户接口平台。

3.2 软件设计

软件设计主要包括作业、IO、传感、标定、网络、诊断和总线等功能，其子功能结构如图5所示。

图5 软件子功能结构图

3.2.1 作业

包括作业控制、故障报警2个子画面，用于显示架桥车作业状态。作业控制又包括系统控制信息和作业控制信息，其中系统控制信息包括控制模式（外控/主控/副控）、作业方式（架设/撤收）、动作和报警信息，有报警信息的话，报警指示灯和故障报警按键同时变红；作业控制信息显示作业输出信息和机构位置信息，当有作业输出时，显示相应的输出提示。故障报警显示系统故障情况根据优先级从上至下分别为：主控箱通讯故障、控制网络故障、传感器故障报警、多路输出报警、逻辑保护报警、行程限位报警和系统参数超限报警。

3.2.2 IO画面

IO画面主要包括主控盒IO和移动盒IO。主控盒IO显示主控盒输入，当指示灯亮时表示主控作业盒有信号输入；移动盒IO显示移动盒输入，当指示灯亮时表示移动作业盒有信号输入。

3.2.3 传感

传感画面显示轮式冲击桥上装传感器数据，包括机构位置信息和液压/底盘信息。机构显示机构位置信息，指示灯亮表示有信号输入；液压显示液压信息，主要包括显示转臂大腔压力、转臂小腔压力、系统压力、支腿压力以及油位信息；底盘信息主要包括底盘车横倾角和俯仰角信息。

3.2.4 数据标定

用户输入密码后可进入相应标定画面，密码随机器提供，数据标定共包括15个子画面，如图6所示。

图6 数据标定子画面结构图

手柄标定包括左侧舟手柄、左跳板手柄、左绞盘手柄、右侧舟手柄、右跳板手柄和右绞盘手柄，主要标定手柄零位、死区、最大值、最小值，显示手柄AD值和当前值；传感器标定主要包括舌形臂、支腿、系统压力、液位以及倾角等各个系数值的标定。机构位置标定主要对系统机构位置参数进行标定。

3.2.5 网络

网络状态显示作业控制系统的CAN总线系统的节点状态，当节点灯的状态发生变化时，即可表明节点的通断，灯亮代表节点在线。

3.2.6 总线数据

通过CAN总线数据发送，可以设置帧ID、发送通道、数据长度、发送周期、发送次数、帧数据，通过移动光标来修改参数；总线数据接收可以显示帧ID、帧数据、数据长度、发送通道、发送计数，可以分别显示Can1/Can2通道数据，最多显示22组[4-5]。

4 结语

本项目以轮式冲击桥为研究对象，在综合国内外故障诊断与状态评估发展趋势的研究基础上，详细分析了轮式冲击桥的结构特点、故障特征以及失效机理，结合故障智能诊断技术、传感器技术和无线网络技术，重点研究了轮式冲击桥液压与电气系统、动力系统、桥梁系统和架设结构等的故障诊断方法，并从总体结构、理论支撑、关键技术、具体实现和实装试验验证等方面对其故障诊断进行了系统研究，并取得了预期的成果。研究成果可直接应用于轮式冲击桥的作战使用，为新装备尽快形成战斗力提供直接的技术支持。