基于CAN总线技术的电路板维修系统研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 51 基于 CAN 总线技术的电路板维修系统研究 吴吉伟 李 阳 徐先勇（通讯作者）海军士官学校 兵器系，安徽 蚌埠 233012 摘要：摘要：针对某型武器系统操作细分步骤时间不够细化，故障排除等维修技能训练条件不足的问题，设计一种维修技能训练模拟器。该模拟器采用 C#程序搭建人机交互界面和装备控制页面，以继电器、运动检测传感器、激光器等元件为基础通过 CAN 总线实现各器件的互联互通；针对其中的关键步骤更换电路板，采用定制外形与实装板一致的训练电路板，加入控制芯片，实现对电路板故障现象的复现和电路板姿态的数据采集；采用 CAN 总线技术采集各部位人员的操作时间，特别是电路板更换过程中的数据，实现各台位之间的联系；记录操作过程并存储回放，便于后续学习和提高。该模拟器实现了软硬件的有机结合，提高了军士日常训练的效率。关键词：关键词：维修技能训练；CAN 总线；电路板 中图分类号：中图分类号：P631 Research on Training simulator of Petty Officer Maintenance Skills based on CAN Bus Technology WU Jiwei LI Yang XU Xianyong(corresponding author)Department of Naval Non commissioned Officer School,Anhui Bengbu 233012 Abstract:Aiming at the problem that the operation subdivision step time of a certain type of weapon system is not detailed enough,and the maintenance skills training conditions such as troubleshooting are insufficient,a maintenance skills training simulator is designed.The simulator uses C#program to build human-computer interaction interface and equipment control page,and the interconnection between the devices is realized by the CAN bus based on the relay,motion detection sensor and laser;aiming at the key step of replacing the circuit board,a training circuit board with a customized shape and the actual installation is adopted,and the circuit board failure phenomenon is reproduced and he circuit board positon data collection is realized through the control chip;the CAN bus technology is used to collect the operation time of the personnel at each position,especially the data during the replacement of the circuit board,to realize the connection between each station;the recording operation process can be replayed,which is convenient for subsequent learning and improvement.The simulator realizes the organic combination of hardware and software and improves the efficiency of the daily training of petty officers.Keywords:Maintenance Skills Training;CAN bus;Circuit Board 1 概述 为了提高舰艇某岗位军士操作技能和水平，部队逐渐提高了武器系统的使用频率，舰员的掌握能力逐渐增强。在训练中也发现存在以下问题：一是目前训练的提前量比较大，武器系统准备超前时间比较长，无法真正检验部队的应急作战反应能力；二是在平时模拟训练中，作为训练指标的大多是总体时间，不够细化，舰员没有办法量化每一步的操作过程所需时间，限制了技能的快速提高。为了确保舰员技能的快速提高，需要加快对维修技能训练模拟器（特别是特情处置）的研究，随着系统集成度的提高，舰员级维修更多的是更换电路板进行换件修理，如何提高更换电路板的训练水平也是模拟器研制的重点内容。中国科技期刊数据库 工业 A 52 1 功能需求 随着舰艇连续出航时间和任务增加，对舰员进行海上训练和应急处置的技能要求提高了，迫切需要提高舰员的装备操作熟练程度和维修技能的提高，特别是军士的故障排除能力。根据实际确定模拟器需要满足以下功能：1.1.1 操作训练功能 装备的正常状态响应，包括按键和灯的控制关系展示，比如按下某一个开关/按键，同时有几个控制部件响应（灯亮/灭、发出信息等）。1.1.2 维修训练功能 装备的故障状态响应，能够设置常见故障或者需要的故障点，并且能够展示该故障点产生的故障现象。而且能够在学员操作完成后，自动解除故障的设置恢复装备的正常响应状态。1.1.3 考核评估功能 能够记录操作手的操作状态和动作，主要是用来进行考核评估，可以考核操作训练技能和维修训练技能。2 设计 以某型深弹武器系统为基本模型，电气操作面板采用半实物仿真模拟、大型机械操作部件采用虚拟仿真进行设计。该模拟器采用 C#程序搭建人机交互界面和装备控制页面，以继电器、运动检测传感器、激光器等元件为基础通过 CAN 总线实现各器件的互联互通；针对其中的关键步骤更换电路板，采用定制外形与实装板一致的训练电路板，加入控制芯片，实现对电路板故障现象的复现和电路板姿态的数据采集；采用CAN总线技术采集各部位人员的操作时间，特别是电路板更换过程中的数据，实现各台位之间的联系；记录操作过程并存储回放，采用故障树的形式将案例库存储在数据库中，便于后续学习和提高。整个系统中各部位操控信息通过串口通信传递到总线端口，汇总到控制台位，经过程序控制，再通过总线控制硬件的动作和状态显示，同时传送给总控系统记录；通过 C#语言在 VS2010平台进行编译控制台软件，信息传递到控制台位软件，经过记录，在数据库中能够自行分析训练不足，同时通过已有的数据模型，能够进行维修技能操作过程记录和评估分析，个人通过持续训练达到提高技能的目的。3 电路板维修模块设计 3.1 目的 主要是训练学员拔插电路板时做到动作规范、迅速；帮助教员科学地检测评估学员的训练效果。3.2 功能 准确自动检测学员拔插电路板的全过程动作姿态、速度，电路板在上下导向槽中的运动偏差量，电路板接触到主板插槽后的通电时间序列和联通情况，并实时将检测结果通过无线方式传到教员的手持机中进行数据的处理，如存储、识别和评估；通过对该学员的多次训练过程的分析，辅助教员找准该学员的操作不足点，同时给出科学的评价和成绩。3.3 组成 主要有训练电路板 3 块（电路板的接口类型和尺寸与实装一致）、姿态传感器、电路板在上下导槽中运动一致性检测、拔插过程中电路导通序列检测、电路板拔插过程速度检测、各种动作的采集与存储、标准操作自学习、操作的模式识别和拔插操作考核评估等组成。如图 1 所示。图 1 电路板拔插系统组成 3.4 设计 3.4.1 训练电路板 制作的 3 块训练电路板其电路板的接口类型和尺寸与实装一致，能替代实装进行模拟训练。主控模块的 MCU 选用 STM32F427IIH6。该芯片是基于以高达 180MHz 的频率工作的高性能 Arm 的 32 位RISC 核心，Cortex-M4 内核具有浮点单元（FPU）的单精度特性，它支持所有ARM数据处理指令和数据类型。它还实现了一套完整的 DSP 指令和一个增强应用程序安全性的存储器保护单元（MPU），TM32F427 IIH6 包括高速嵌入式存储器、4K 字节的备份 SRAM，连接到两个AHB 总线、两个 APB 总线和 32 位多 AHB 总线矩阵的外围设备和增强 I/O。如提供三个 12 位 ADCs，两个 DAC，中国科技期刊数据库 工业 A 53 一个低功耗 RTC。它包括 16 位定时器和 32 位定时器，同时还具有标准、高级两种通信接口。供电模块应具备电源过压、防反接、缓启动电路等功能，电源输入接口采用标准的 XT30 接口，电源输入首先并联 28V 的 TVS 管，防止瞬态高电压烧坏主控板，然后通过 PMOS 三极管 Q1 和 NMOS 三极管 Q2 组成缓启动与防反接电路，有效防止电源接头接触瞬间打火，造成接头损坏，并且防止电源正负极反接对开发板造成损害。当输入电压超过其击穿电压（302V）时，三极管 Q3 导通，三极管 Q1 关断，该电路起到过压保护的作用。通信模块主要包括常用的 wifi、USART、USB、CAN和 DBUS 等。（1）wifi wifi 作为近距离宽带传递模块，有很强的适应性，同时也可以辅助室内定位。选用正点原子的 ATK-ESP8266 模块。（2）USART 主控板提供四路USART接口，分别连接到 USART3、USART6、USART7 和 USART8。在使用串口时请注意 TX和 RX 需要交叉连接。接口只支持 3.3V 和 5V 电平，在电机控制模块中通过电平转换芯片与 RS485 或 RS232 接口通信。（3）USB 主控板提供一个 USB 全速接口，该端口完全符合 USB2.0 规范的 On-The-Go 补充标准，在主机模式下。OTG_FS 支持全速（FS，12Mbps）和低速（LS，1.5Mbps）收发器，而从机模式下仅支持全速（FS，12Mbps）收发器。（4）CAN 主控板为满足用户外接设备的需求，一共引出4个 CAN2 接口，可以接 UWB 定位系统以及其他 CAN 通讯的模块。（5）DBUS DBUS 是遥控器通用协议，它是 UART 信号的反相形式，因此从接插件进入后，经过三极管反相之后再送入 MCU 的 UART1。波特率一般设置为 100kbps。3.4.2 各种动作的采集与存储（1）电路板在上下导槽中运动一致性检测 主要使用激光器，主配合上下导向槽中的线阵图像传感器使用，检测出电路板在上下导向槽中运动是否一致，因为如果不一致不仅会加速电路板和导向槽的磨损，更严重会造成最终的接触不良，影响装备的可靠性和使用寿命；电路板的拔插过程为首先将电路板以正确的姿势对准上下导槽，然后平衡用力保持上下运动速度和位置一致，最大程度降低由于操作不正确造成的应力和摩擦力，具体的拔插过程示意图如图 2 所示。图 2 电路板拔插过程示意图（2）拔插过程中电路导通序列检测 记录电路板接触到主板插槽的通电时间序列和接触情况；包括组合门和触发器两个组成部分。电路设计重点在设计组合逻辑结构，主要包括电路板的各个姿态进入的不同状态检测。在触发器进行选择时，一般根据电路状态的个数确定，这里我我们采用 4 个状态，每个组合门有 4 个触发器。（3）电路板拔插过程速度检测 为了更好测量微小物体，特别是微小旋转体，采用光纤封装的光电式测速传感器。由于传感器内装有光源(LED)、感光元件(光电晶体管)、以及放大器等，所以体积设计的很小，使用方便。光源是经过频率调制的，所以抗干扰性强，还有状态显示，测量时确认工作状态。振荡回路是用来产生一个调制频率来点亮光源发光二极管，采用不稳定多谐振荡方式，振荡频率约为 7kHz，脉宽约 25s。从光源发射出来的的脉冲光，经过被检测物体的反射，被传感器的光电晶体管所接受，然后经过交流放大器，被放大到适当的电平后，进行检波和积分，再转换成直流电压信号。然后是波形整形，与一定的直流电压相比较，高于此值，输出为 Hi，低于此值，输出为 Lo。状态指示灯也是，输出高电平 Hi 时，LED 点亮，输出低电平时，LED 不亮，以作为状态确认用9。（4）电路板姿态检测 中国科技期刊数据库 工业 A 54 电路板姿态检测过程中，主要依靠运动检测传感器，要求集成度高，可以就直接通过 MCU 读取数据，采用的 ATK-IMU901 运动检测传感器。模块有如下特点：模块集成高精度的陀螺仪、加速度计、磁力计、气压计，采用 32 位 72MHz 高性能微处理器快速求解出模块当前的实时运动姿态。4 结论 通过设计和建设，可以完成操作、维修等项目的训练任务。在故障排除时对于更换电路板的技能训练，起到很好的锻炼作用。综上，该维修系统进行军士操作能力的评估和分析，故障现象复现、排除和考核评估。帮助操作人员分析训练中存在的薄弱环节，短时间内准确的弥补训练的短板。本研究成果可以设置故障，缓解维修能力训练培养措施不足的矛盾。目前平时的操作和维修训练主要依靠实装来完成，一方面训练时间受限，因为实装必须通舰电的情况下才能训练，另一方面，大量的训练对实装的磨损较大，提高了装备发生故障的概率，训练成本较高。而利用本系统可以缩短训练时间，降低训练成本。对于科学考核和评估维修技能水平，还需要进一步细化研究。参考文献 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