CN102436205A - 一种嵌入式巡检仪器控制平台 - Google Patents

Abstract

一种嵌入式巡检仪器控制平台，所述控制平台的工具链包括可裁剪的嵌入式实时操作系统、嵌入式数据库管理系统EDMS和数据采集/通信与处理系统，所述控制平台包括为嵌入式数据采集模块和嵌入式分析处理模块，所述的嵌入式数据采集模块采集目标设备的多路实时数据，进行预处理操作后，上传至嵌入式分析处理模块，所述的嵌入式分析处理模块是面向巡回目标监控的精简专家系统，用以对监控目标的数据处理、状态判断、置信评估、报表生成、即时处理措施建议。本发明提供一种通用性良好、具有可配置性的面向巡回监测智能仪器的嵌入式巡检仪器控制平台。

Description

一种嵌入式巡检仪器控制平台

技术领域

本发明涉及工业设备过程监测与控制领域，尤其是涉及一种面向巡回监测智能仪器的控制平台。

背景技术

移动式巡回检测是保证制造设备、通信电缆、网络基站、燃气管道、输油气管道、水利输送、电力传输、铁路/公路运输等行业安全生产、正常运营的重要手段与途径。巡检工作的执行载体是各种类型的巡检仪表。巡检仪表是一种面向工业生产与流程监控的测控仪表，它可以与各类传感器、变送器、功率放大器配合使用，可对多路振动、速度/加速度、温度、压力、液位、流量、重量、电流、电压、状态开关量等工业过程参数进行巡回检测、报警控制、变送输出、数据采集及通讯，完成具体的工业生产任务需求。随着工业生产的规模不断扩大，巡检的地位与重要性日益凸显。

传统的巡检仪器由于其技术以及容纳空间的限制，其所提供的功能有限，且不能达到较高的测量精度。随着传感器技术、计算机技术、网络技术的不断发展，这些问题逐步得到解决。尤其是嵌入式系统技术的发展，给移动便携仪器的开发与应用提供了强有力的技术推动与支持，使便携仪表进入智能化时代。智能仪表是把一个微型计算机系统嵌入到数字式电子测量仪器中而构成的独立式仪器。智能仪表由于引入了嵌入式计算机系统技术，与传统仪表相比，具有诸多优势：功能强大、性能优异、使用灵活、方便，已经成为现阶段高档电子仪器的主体。智能仪表中嵌入的计算机系统可以是芯片级架构：单片机、数字信号处理(DigitalSignal Processer，DSP)或者嵌入式中央处理器，也可以是系统级架构：微型计算机系统、可编程单芯片系统(System on a Programmable Chip，SOPC)等。智能仪表在结构上自成一体，有的仪器内部还带有专用的微型计算机系统和通用接口总线(General Purpose Interface Bus，GPIB)接口，可以独立完成测试、仿真、执行的功能任务。

智能仪表的性能除了决定于硬件系统构架外，其内置的软件也非常重要，且软件往往成为衡量仪表智能化的主要技术标准。智能化巡检仪器仪表应具备良好的软件环境平台，具备二次开发能力，以满足特殊的功能巡检仪先进的模块化结构，配合功能强大的仪表芯片，实现系统模块的优惠功能组合、系统升级与换代。当前各类智能仪表规范不一，且数据通信协议不兼容，给智能仪表的通用性、可配置性带来了诸多不便。因此，开发一种面向巡检仪器仪表的，具有通用性的嵌入式控制平台非常有必要。

发明内容

为了克服传统工业设备巡回监控系统的通用性较差、不具有可配置性的不足，本发明提供一种通用性良好、具有可配置性的面向巡回监测智能仪器的嵌入式巡检仪器控制平台。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种嵌入式巡检仪器控制平台，所述控制平台的工具链包括可裁剪的嵌入式实时操作系统、嵌入式数据库管理系统EDMS和数据采集/通信与处理系统，所述的可裁剪的实时嵌入式操作系统为基于RT-Linux内核、面向设备巡检配置的实时操作系统，所述的嵌入式数据库管理系统EDMS为基于MySQL的注采设备历史数据库，所述的数据采集/通信与处理系统根据注采设备的不同功能硬件配套需求支持多种图形接口模块与数据处理模块，提供可裁减、配置的通信协议栈；

所述控制平台包括为嵌入式数据采集模块和嵌入式分析处理模块，所述的嵌入式数据采集模块采集目标设备的多路实时数据，进行预处理操作后，上传至嵌入式分析处理模块，所述的嵌入式分析处理模块是面向巡回目标监控的精简专家系统，用以对监控目标的数据处理、状态判断、置信评估、报表生成、即时处理措施建议；

所述的多路实时数据分为3类：一是目标设备的机械振动信号，变化频度高，数据量接近音频，将其定义为高频度信号；二是流量、压力、温度信号，变化频度与数据量均较低，将其定义为低频度信号；三是目标设备主机及其相关配套设备的工作执行状态，将其定义为开关量信号；

所述的预处理操作利用最小二乘法消除多项式趋势项，再利用五点三次平滑法对采集到的注采设备振动信号进行平滑处理，最后利用自回归方法进行信号插值与填补；

所述的精简专家系统通过多目标信息融合技术构建符合嵌入式系统环境要求的目标设备运行状态知识框架，对目标设备的工作状态进行在线判断与识别。

作为优选的一种方案：所述嵌入式数据采集模块中，通过系统底层软件设置接口，读写嵌入式处理器的系列寄存器与程序存储器，进而控制其有关引脚或功能模块的输入和输出。

所述的系统底层软件利用定时器配合模数转换模块来完成采样、转换和数据存储；利用硬件通用异步接收/发送装置模块来完成串口的初始化，实现通用串行接口通讯；按照功能任务要求将系统底层软件分为AD采样模块、数据存储模块、通用串行通讯模块、数据分组封装模块和数据分组发送模块；系统底层软件采用软件看门狗技术，即利用中断程序监视另一中断程序以及主程序的运行状况，而完成监视功能的中断程序则由硬件看门狗来监控。

作为优选的另一种方案：所述嵌入式分析处理模块包括外围设备驱动接口、嵌入式中文支持环境、数据处理与管理构件、状态监测构件簇、历史数据分析构件和智能诊断构件；其中，

所述的外围设备驱动接口提供了控制平台与其挂载外部设备的驱动程序与通讯接口；所述的外部设备包括移动存储器、主/从通用串行接口、九针串口、内部集成电路接口、音频信号接口、脉宽调制输出接口、液晶显示驱动接口、矩阵键盘驱动接口、以太网接口和联合测试行动小组接口；

所述的嵌入式中文支持环境是利用Unicode导入汉字国标代码，生成汉字标签构件，并在此基础上提供汉字全拼输入法接口，为中文监控日志文件提供数据元素；

所述的数据处理与管理构件根据权多路实时数据分类，实现数据的接收、拆解、分类、存储和分发，为用户提供统一的数据读写、访问与查询接口；

所述的状态监测构件簇提供设备运行时技术参数的时域图、频域图、轴心轨迹图、低频度数据趋势图、静态数据的趋势图、开关量棒状图的实时显示支持；状态监测构件簇通过数据处理与管理构件的应用程序接口从底层得到需要显示的数据，同时也提供与用户界面进行交互的程序调用接口；

所述的历史数据分析构件读取数据缓存中的监控数据进行数据回放与离线分析，并根据用户监控需求完成同一设备不同时段的状态比较分析、邻近设备的耦合干扰分析和不同设备的同时段比较分析等对比分析任务；

所述的智能诊断构件具有开放架构的设备过程状态监控知识库，对目标设备当前的运行状态进行自我判断与识别，给出故障发生时故障的可能原因和置信度；对与复杂故障问题，智能诊断构件提供人工对话诊断接口，并给出诊断结果的解释及特定故障处理意见。

进一步，所述嵌入式分析处理模块还包括远程监控构件，所述的远程网络监控构件通过以太网套接字技术实现对目标设备的在线监测与控制；所述的远程网络监控构件内嵌巡检专家系统知识库，根据目标设备的异常表现解析其故障原因，并对数据进行时域、频域及非线性分析。

本发明的有益效果主要表现在：

1)是一个面向分布式工业生产设备巡回监测仪器开发特点的、具有自主版权的嵌入式系统软件集成开发环境。

2)可供进行构件化定制或二次开发，可为嵌入式分布式工业生产设备的状态监测与故障诊断提供应用程序接口支持，满足嵌入式智能化仪器仪表的通用性需求。

3)完善的底层软件接口、数据处理与应用分析构件设计，可满足设备巡检的各种功能任务需求。

附图说明

图1是底层系统软件程序流程图；

图2是嵌入式分析处理模块结构图。

具体实施方式

结合附图，下面对本发明进行详细说明。

参照图1和图2，一种嵌入式巡检仪器控制平台，是一个面向分布式工业生产设备巡回监测仪器开发特点的、具有自主版权的嵌入式系统软件集成开发环境(Integrated Developing Environment，IDE)。该集成开发环境可供进行构件化定制或二次开发，可为嵌入式分布式工业生产设备的状态监测与故障诊断提供应用程序接口(Application Program Interface，API)支持，满足嵌入式智能化仪器的共性需求，其构成工具链主要包括可裁剪的嵌入式实时操作系统、嵌入式数据库管理系统(Embedded Data Management System，EDMS)、数据采集/通信与处理系统。

上述方案中所涉及的可裁剪的实时嵌入式操作系统，为基于RT-Linux-2.6内核、面向设备巡检配置的实时操作系统，支持实时多任务、可抢占内核，占用硬件与软件资源少，可满足多目标设备巡检的并行监控需求。EDMS为基于MySQL的注采设备历史数据库，利用第三范式方法(3NF)构建数据表，满足面向目标设备状态监测与故障诊断对数据管理的基本要求。设备状态的数据采集、处理和通信构件根据注采设备的不同功能硬件配套需求，支持多种图形接口模块与数据处理模块，提供可裁减、配置的通信协议栈。

嵌入式巡检仪器控制平台的系统总体功能框架可分为嵌入式数据采集模块和嵌入式分析处理模块两部分。其中，嵌入式数据采集模块采集目标设备的多路实时信号，进行预处理操作后，上传至嵌入式分析处理模块。嵌入式分析处理模块是面向巡回目标监控的精简专家系统，负责对监控目标的数据处理、状态判断、置信评估、报表生成、即时处理措施建议等功能任务。

上述方案中所涉及的多路实时数据分为3类：一是目标设备的机械振动信号，如机床主轴振动信号、风机基础振动信号等，其变化频度高，数据量接近音频，将其定义为高频度信号；二是流量、压力、温度信号，变化频度与数据量均较低，将其定义为低频度信号；三是目标设备主机及其相关配套设备的工作执行状态，将其定义为开关量信号。预处理过程利用最小二乘法消除多项式趋势项，再利用五点三次平滑法对采集到的注采设备振动信号进行平滑处理，减少混入振动信号中的高频随机噪声，最后利用自回归方法进行信号插值与填补，确保振动信号序列的可计算性与有效性。精简专家系统按照嵌入式分析处理模块定制，通过多目标信息融合技术构建符合嵌入式系统环境要求的目标设备运行状态知识框架，进而对目标设备的工作状态进行在线判断与识别。

嵌入式数据采集模块为嵌入式数据分析模块提供数据来源支持，通过系统底层软件设置接口，读写嵌入式处理器的系列寄存器与程序存储器，进而控制其有关引脚或功能模块的输入和输出。

上述方案中所涉及的系统底层软件利用定时器配合模数转换模块来完成采样、转换和数据存储；利用硬件通用异步接收/发送装置模块来完成串口的初始化，实现通用串行接口通讯。按照功能任务要求，可将系统底层软件分为AD采样模块、数据存储模块、通用串行通讯模块和数据分组封装模块、数据分组发送模块。为增加系统的抗干扰性能，系统底层软件自检程序的设计将根据自身的特点进行编制，采用了一种软件看门狗技术，即利用中断程序监视另一中断程序以及主程序的运行状况，而完成监视功能的中断程序则由硬件看门狗来监控。具体程序流程如附图1所示。

嵌入式分析处理模块为系统核心功能部分，由外围设备驱动接口、嵌入式中文支持环境、数据处理与管理构件、状态监测构件簇、历史数据分析构件、智能诊断构件、远程监控构件组成，如附图2所示。

其中，外围设备驱动接口提供了软件平台与其挂载外部设备的驱动程序与通讯接口；所述的外部设备包括移动存储器、主/从通用串行接口、九针串口、内部集成电路接口、音频信号接口、脉宽调制输出接口、液晶显示驱动接口、矩阵键盘驱动接口、以太网接口、联合测试行动小组接口。嵌入式中文支持环境是利用Unicode导入汉字国标代码，生成汉字标签构件，并在此基础上提供汉字全拼输入法接口，为中文监控日志文件提供数据元素；数据处理与管理构件根据权利要求2所述的实时信号分类，实现数据的接收、拆解、分类、存储和分发等功能，为用户提供统一的数据读写、访问与查询接口；状态监测构件簇提供了设备运行时技术参数的时域图、频域图、轴心轨迹图、低频度数据趋势图、静态数据的趋势图、开关量棒状图等的实时显示支持；状态监测构件簇通过数据处理与管理构件的应用程序接口从底层得到需要显示的数据，同时也提供与用户界面进行交互的程序调用接口，达到用户对图形显示的灵活控制；历史数据分析构件读取数据缓存中的监控数据进行数据回放与离线分析，并根据用户监控需求完成同一设备不同时段的状态比较分析、邻近设备的耦合干扰分析和不同设备的同时段比较分析等对比分析任务；智能诊断构件具有开放架构的设备过程状态监控知识库，可对目标设备当前的运行状态进行自我判断与识别，给出故障发生时故障的可能原因和置信度；对与复杂故障问题，智能诊断构件可提供人工对话诊断接口，并给出诊断结果的解释及特定故障处理意见；远程网络监控构件通过以太网套接字技术实现对目标设备的在线监测与控制；该构件可内嵌巡检专家系统知识库，可以根据目标设备的异常表现解析其故障原因，并可以对数据进行时域、频域及非线性分析，为前端现场提供技术支持。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明所描述内容不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种嵌入式巡检仪器控制平台，其特征在于，所述控制平台的工具链包括可裁剪的嵌入式实时操作系统、嵌入式数据库管理系统EDMS和数据采集/通信与处理系统，所述的可裁剪的实时嵌入式操作系统为基于RT-Linux内核、面向设备巡检配置的实时操作系统，所述的嵌入式数据库管理系统EDMS为基于MySQL的注采设备历史数据库，所述的数据采集/通信与处理系统根据注采设备的不同功能硬件配套需求支持多种图形接口模块与数据处理模块，提供可裁减、配置的通信协议栈；

所述控制平台包括为嵌入式数据采集模块和嵌入式分析处理模块，所述的嵌入式数据采集模块采集目标设备的多路实时数据，进行预处理操作后，上传至嵌入式分析处理模块，所述的嵌入式分析处理模块是面向巡回目标监控的精简专家系统，用以对监控目标的数据处理、状态判断、置信评估、报表生成、即时处理措施建议；

所述的多路实时数据分为3类：一是目标设备的机械振动信号，变化频度高，数据量接近音频，将其定义为高频度信号；二是流量、压力、温度信号，变化频度与数据量均较低，将其定义为低频度信号；三是目标设备主机及其相关配套设备的工作执行状态，将其定义为开关量信号；

所述的预处理操作利用最小二乘法消除多项式趋势项，再利用五点三次平滑法对采集到的注采设备振动信号进行平滑处理，最后利用自回归方法进行信号插值与填补；

所述的精简专家系统通过多目标信息融合技术构建符合嵌入式系统环境要求的目标设备运行状态知识框架，对目标设备的工作状态进行在线判断与识别。

2.如权利要求1所述的嵌入式巡检仪器控制平台，其特征在于：所述嵌入式数据采集模块中，通过系统底层软件设置接口，读写嵌入式处理器的系列寄存器与程序存储器，进而控制其有关引脚或功能模块的输入和输出。

所述的系统底层软件利用定时器配合模数转换模块来完成采样、转换和数据存储；利用硬件通用异步接收/发送装置模块来完成串口的初始化，实现通用串行接口通讯；按照功能任务要求将系统底层软件分为AD采样模块、数据存储模块、通用串行通讯模块、数据分组封装模块和数据分组发送模块；系统底层软件采用软件看门狗技术，即利用中断程序监视另一中断程序以及主程序的运行状况，而完成监视功能的中断程序则由硬件看门狗来监控。

3.根据权利要求1或2所述的嵌入式巡检仪器控制平台，其特征在于：所述嵌入式分析处理模块包括外围设备驱动接口、嵌入式中文支持环境、数据处理与管理构件、状态监测构件簇、历史数据分析构件和智能诊断构件；其中，

所述的外围设备驱动接口提供了控制平台与其挂载外部设备的驱动程序与通讯接口；所述的外部设备包括移动存储器、主/从通用串行接口、九针串口、内部集成电路接口、音频信号接口、脉宽调制输出接口、液晶显示驱动接口、矩阵键盘驱动接口、以太网接口和联合测试行动小组接口；

所述的嵌入式中文支持环境是利用Unicode导入汉字国标代码，生成汉字标签构件，并在此基础上提供汉字全拼输入法接口，为中文监控日志文件提供数据元素；

所述的数据处理与管理构件根据权多路实时数据分类，实现数据的接收、拆解、分类、存储和分发，为用户提供统一的数据读写、访问与查询接口；

所述的状态监测构件簇提供设备运行时技术参数的时域图、频域图、轴心轨迹图、低频度数据趋势图、静态数据的趋势图、开关量棒状图的实时显示支持；状态监测构件簇通过数据处理与管理构件的应用程序接口从底层得到需要显示的数据，同时也提供与用户界面进行交互的程序调用接口；

所述的历史数据分析构件读取数据缓存中的监控数据进行数据回放与离线分析，并根据用户监控需求完成同一设备不同时段的状态比较分析、邻近设备的耦合干扰分析和不同设备的同时段比较分析等对比分析任务；

所述的智能诊断构件具有开放架构的设备过程状态监控知识库，对目标设备当前的运行状态进行自我判断与识别，给出故障发生时故障的可能原因和置信度；对与复杂故障问题，智能诊断构件提供人工对话诊断接口，并给出诊断结果的解释及特定故障处理意见。

4.根据权利要求3所述的嵌入式巡检仪器控制平台，其特征在于：所述嵌入式分析处理模块还包括远程监控构件，所述的远程网络监控构件通过以太网套接字技术实现对目标设备的在线监测与控制；所述的远程网络监控构件内嵌巡检专家系统知识库，根据目标设备的异常表现解析其故障原因，并对数据进行时域、频域及非线性分析。

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