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基于PHM技术的电子系统健康监控模块设计与实现

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  • 用途: 硕士毕业论文 Master Thesis
  • 作者:上海论文网
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  • 论文字数:43222
  • 论文编号:
  • 日期:2022-10-19
  • 来源:上海论文网

工程论文哪里有?论文以实际项目—国产化机载计算机为依托,将健康监控模块嵌入在其中之一板卡PSOC板中,通过分析PSOC板上各个功能模块的电源电压以及功耗情况,确定了数据采集方案,包括各个通道的供电电压、总电流以及主要发热器件的温度。

第一章 绪论

1.2.1 国外PHM技术发展现状

从上世纪五十年代开始英美等发达国家就已经开始了PHM技术的相关研究,并经过不同阶段的发展演变,形成了如今已经相当成熟的PHM技术体系[6]。PHM技术已经应用于多个领域,并在不同的领域演化出了不同的研究方向。其中,PHM技术最为核心的应用领域如下。

(1)军航领域。F-35战斗机在研制开发时就将PHM作为设计的重要一环,搭建了从微观到宏观的系统级健康管理体系,并开发了相关的PHM软件,可以实现故障预警、故障紧急处理、故障预测以及剩余寿命预测等功能,推进了PHM技术的应用发展。

(2)民航领域。民航飞机在安全性上同样有很高的要求,因此也很重视PHM技术的发展和应用,在上个世纪九十年代,波音公司首先将PHM技术应用到波音777飞机中,主要是为了通过采集故障信息实现故障的定位、监测和隔离等功能。由于民航公司还非常注重成本因素,因此包括美国波音公司、欧洲空客公司在内的多家国际大型航空公司都在开发相关的技术来减少飞机的维修成本和运营成本,进而提升自身的盈利能力。民航飞机中的PHM主要通过地空联合的形式来完成健康管理的功能,飞机在飞行过程中,各子系统采集状态参数并将数据传送到地面系统,地面系统通过综合分析来判断出飞机的运行状态,并给出相关建议反馈给飞行员,通过这样有效的联合方式来提升民航飞机的运营质量,降低维修成本。

第三章 健康监控模块硬件设计

3.1 硬件平台方案

健康监控模块硬件平台以GD32F307RET6为主控芯片,采用集成的ADC模块,通过数据采集电路对电压、电流和温度等参数进行采集,并采用IIC总线与PSOC芯片通信将数据上传给PSOC[20],另外采用RS232串口作为调试窗口,JTAG下载电路作为烧录程序的接口以及2个LED灯作为系统指示灯。

如图3.1所示的硬件平台框图,健康监控模块的硬件组成包括最小系统电路,由电压采样电路、电流采样电路以及温度采样电路组成的数据采集电路,IIC电路以及串口电路。其中MCU的最小系统电路包括时钟电路、BOOT电路、系统指示灯电路、JTAG电路、复位电路以及电源电路,其中MCU的电源电压+3.3V由PSOC板电源系统提供。GD32F307RET6芯片是属于北京兆易创新旗下主流产品GD32F307系列的一款64pin的MCU,该芯片内核采用Cortex-M4,是一款通用的32位微处理器。该芯片内置了2个12位的逐次逼近型ADC,最多可达18个模拟输入通道,可以满足本次设计中数据采集需求。

数据采集电路包括电压采样电路、电流采样电路和温度采样电路。数据采集电路基本原则是不能对原有功能电路造成影响,即电压采样电路在电压采集点不产生压降,电流采样电路在链路上产生的功耗应当尽可能的小,温度采样电路不能造成采集点温度的升高或降低。

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第五章 健康监控模块功能测试

5.1 搭建调试环境

本章主要对健康监控模块的功能进行测试。在测试之前先搭建好合适的调试环境,包括调试设备、调试板卡、上位机和调试线缆等。其中,调试设备包括万用表、示波器、GD32F307开发板、J-LINK仿真器、RS232串口线等。

机载计算机项目是一个比较庞大复杂的项目,包含多种核心控制板卡,PSOC板卡属于其中之一个核心板卡,每个板卡都是通过高密度连接器与输出板卡相连。为了方便调试,设计并制作了专用的调试板卡,调试板卡上提供了与核心板卡对接的高密度连接器,同时也提供了测试用的功能接口。在测试时,不同的板卡对应不同的槽位。本文所研究的健康监控模块嵌入在PSOC板卡中,属于PSOC板卡的一个功能模块,在PSOC板卡的PCB设计时为一个独立的功能区域。 为了保证PSOC板有更高的集成度,在硬件设计时并没有给串口留出单独的连接件,而是留出焊盘作为测试点。

为了调试的方便,将串口测试点通过飞线引到测试底板上,再使用杜邦线与DB9接口连接,用以建立监控模块与上位机之间的通讯。

5.2 模块功能测试

5.2.1 开发板程序验证

程序首先在开发板上验证可实行性。本次验证试验所使用的开发板是兆易创新官方开发板。烧录程序工具采用JTAG仿真器和USB转RS232串口线,开发板上的3.3V电源也由仿真器上的3.3V引脚提供。开发板上支持标准的20脚JTAG接口用以烧写程序,以及提供标准的DB9接口用以串口调试。

在PC机和开发板之间连接JTAG仿真器,开发板上指示灯常亮,屏幕背光常亮,开发板已上电。如图5.3所示。

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第六章 总结与展望

6.1 全文总结 

本文基于PHM技术设计并实现了一种健康监控模块,此模块以微控制器为主控芯片,采用IIC作为通信方式,作为电子系统的一个功能模块嵌入在电子系统的主控板卡中,采集主控板卡各个功能模块的电压、电流和温度信息,并经由微控制器处理后,通过IIC上传给电子系统的主控芯片存储和显示。

论文以实际项目—国产化机载计算机为依托,将健康监控模块嵌入在其中之一板卡PSOC板中,通过分析PSOC板上各个功能模块的电源电压以及功耗情况,确定了数据采集方案,包括各个通道的供电电压、总电流以及主要发热器件的温度。健康监控模块以国产MCU GD32F307RET6为主控芯片,采用集成的ADC模块完成数据采集,经处理后,采用IIC模块将数据上传给PSOC板的主控芯片FMQL45,另外健康监控模块通过串口将数据上传给上位机,便于调试和监控。

本文完成了健康监控模块的硬件电路设计以及软件程序的开发,硬件电路设计包括MCU的最小系统电路设计、数据采集电路设计、数据传输电路设计以及串口调试电路的设计,软件程序基于Keil uVision4开发环境进行程序的开发,程序的开发采用模块化方式编程,并在文中给出了主程序和各个主要子程序的具体开发过程,并在附录B给出了部分程序段。通过搭建调试平台对健康监控模块进行调试,验证了健康监控模块的各个功能以及采集数据的精度。

健康监控模块相比于其他板间电压、电流、温度采集方式的创新点在于健康监控模块以微控制器为作为管理单元,辅以采样电路对PSOC板间的电压、电流和温度信息进行采集,并且健康监控模块作为一个独立的功能模块嵌入在板卡中,采用IIC总线完成数据的向上传输,较少的占用了主控芯片的接口资源。

参考文献(略)

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