锚杆检测应力仪_硕士论文.doc

摘 要针对现阶段使用的基于八位或十六位单片机设计的锚杆检测应力仪在数据处理、人机交互和智能化等功能上存在的不足，在对电阻应力仪测量原理的了解和嵌入式技术的掌握的基础上，本文进行了基于嵌入式技术的锚杆检测应力仪的设计。从锚杆检测应力仪功能需求出发，确定了系统的总体方案。其中主要包括系统硬件构架设计、uclinux设计平台的构建和功能模块的实现三方面内容。在硬件设计方面重点讨论嵌入式系统的设计，包括以lpc2210微处理器为核心的最小扩展系统的设计和系统功能电路的设计两个方面，其中详细阐述了采用高精度ad器件进行数据采集的方法，并在设计中利用fifo实现ad数据缓存从而提高处理器效率；在开发平台构建方面，介绍了系统引导程序的实现，给出了uclinux和文件系统的移植步骤，且着重分析了移植uclinux内核的修改，为进一步的应用开发作铺垫；在功能模块的设计方面，结合底层硬件特性，实现了相关接口的驱动程序，并从设备需要的具体功能出发，利用qt/embedded设计了数据采集模块、数据存储模块、人机交互模块和数据处理模块等。使设备具有良好的人机交互界面，并能够对数据进行实时的显示和处理，是设计的重点和难点。关键词：锚杆检测应力仪；lpc2210；uclinux；人机交互；数据处理abstractthe most of blot detector used in mine roadway are based on 8-bit or 16-bit mcu at present, because of the restriction of normal mcu, this kind of bolt detector exists many deficiencies in some aspects, such as data processing, man-machine interaction and intelligence function. based on the understanding of the resistance strain gauges measure principle and the mastering of embedded technology, the article proposes the research and design of bolt detector based on embedded system. considering the function demand, the whole scheme of the system was ascertained. the key points of this dissertation can be divided into three parts, the design and implementation of hardware architecture, construction of the uclinux design platform and implementation of application modules.hardware focused on the design of embedded systems. on the design of hardware, the paper discusses two aspects, the design of a smallest expander circuits and system functional circuits based on lpc2210. the implementation of fifo to interface high precision ad converter with arm lpc2210 which can improve the efficiency of the processor is described in detail. on the development platform construction, the paper introduces the realization of bootloader, transplant process of uclinux and file system. it emphatically analyses the modification of transplant core of uclinux that pave the way for further research. on the design of application module, combining with hardware features, the paper realized the relevant interface driver. according to concrete functions of bolt detector, the data acquisition module, data storage module, man-machine interaction module, data processing module are designed by qt/embedded. they are the key points of the design.keywords: bolt detector;lpc2210;uclinux;man-machine interaction;data processing目 录摘 要i目 录iii1绪论11.1引言11.2锚杆检测应力仪发展现状及问题的提出21.3课题研究的目的与意义41.4本文的工作41.5论文结构42 测力仪的测量原理62.1电阻应变片原理62.2 测量电桥原理73 系统方案选型103.1 系统方案的选型103.2硬件总体结构及选型113.2.1.微处理选型113.2.2硬件设计关键技术143.3操作系统选型153.3.1 uclinux特点介绍163.3.2 软件设计关键技术194 硬件电路设计204.1最小扩展系统电路设计214.1.1 电源模块214.1.2 复位电路224.1.3 存储器扩展224.1.4 系统时钟电路264.1.5 jtag接口电路264.1.6 串口电路274.2系统功能电路设计274.2.1 a/d采样模块274.2.2 usb模块324.2.3 lcd显示模块334.2.4 触摸屏模块345 uclinux平台的构建和软件设计365.1 uclinux设计平台的构建365.1.1 构建宿主机交叉编译环境365.1.2 移植bootloader395.1.3 uclinux内核移植425.1.4 文件系统的移植465.2 数据采集模块设计475.3 usb模块设计505.4 人机交互模块545.4.1 图形用户接口（gui）开发工具545.4.2 硬件驱动程序的设计565.5 数据处理软件的设计595.5.1 应用程序的主程序605.5.2 采样模块615.5.3 绘图模块625.5.4 数据保存模块635.5.5 软键盘模块645.5.6 数据处理与分析656 总结与展望716.1 研究总结716.2 工作展望71参考文献73作者简历76学位论文原创性声明77学位论文数据集78table of contentsabstractiitable of contentsv1 introduction11.1 introduction11.2 present situation and deficiency of bolt detector21.3 purpose and significance of research41.4 work of paper41.5 structure of paper42 measuring principle of dynamometer62.1 theory of resistance strain gauge62.2 theory of measuring bridge73 selection of system scheme103.1 system scheme selection103.2 overall structure and selection of hardware113.2.1 selection of processor113.2.2 key technology of hardware design143.3 selection of operating system153.3.1 introduction of uclinux163.3.2 composition structure of uclinux194 hardware circuit design204.1 design of minimum system214.1.1 power module214.1.2 reset circuit224.1.3 memory expansion224.1.4 system clock circuit264.1.5 jtag interface circuit264.1.6 serial interface circuit274.2 design of system functional circuit274.2.1 a/d module274.2.2 usb module324.2.3 lcd display module334.2.4 touch screen module345 platform construction of uclinux and software design365.1 platform construction of uclinux365.1.1 constructing of the host cross-compile development environment365.1.2 transplant of bootloader395.1.3 transplant of uclinux kernel425.1.4 transplant of file system465.2 design of data acquisition475.3 design of usb module505.4 man-machine interaction545.4.1 development tool of gui545.4.2 driver of hardware565.5 data processing software design595.5.1 main program of application605.5.2 sampling setting module615.5.3 drawing module625.5.4 data storage module635.5.5 soft keyboard module645.5.6 data processing and analyse656 summary and prospect716.1 summary716.2 prospect71references73author resume76declaration of thesis originality77dissertation date collection78771 绪论1绪论1 introduction1.1引言(introduction)保障矿井的安全性对煤矿生产有着重要的作用，但是在巷道开掘后，原来处于平衡状态的围岩应力受到破坏而产生应力集中并重新分布1。巷道围岩应力由原来的三向应力状态变为两向或单向应力状态，围岩出现破坏区和塑性区，此时若巷道未得到有效、及时的支护，则巷道的破坏区和塑性区会愈来愈大，巷道围岩不可能处于稳定状态2。在这种情况下可采用锚杆支护技术。它是一种结构简单的主动支护，它能最大限度地保持矿井围岩的完整性、稳定性，能有效地控制围岩变形、位移和裂缝的发展，充分发挥围岩自身的支撑作用，把围岩从荷载变为承载体，变被动支护为主动支护，从而能有效防止巷道围岩的内聚力、内摩擦角的大幅度降低，阻止巷道围岩塑性区的扩大，大大降低围岩的变形量，使巷道处于稳定状态3。由于锚杆技术具有运输施工方便、效率高，有利于加快施工进度，施工成本低、支护效果好、施工噪音小等优点，在实践中被证明是一种行之有效的锚固支护技术，目前被广泛应用于矿山井巷45。因此在“九五”期间，锚杆支护已被确定为我国煤矿巷道支护技术发展方向。据1994年统计，我国有重点煤矿年掘进5230公里。其中岩巷半煤岩巷锚杆支护总进尺1130公里，煤巷2540公里。煤巷中约有2/3巷道可以用锚杆。然而，在锚杆支护作为永久支护的无数工程中，他们使用寿命究竟有多长? 随着锚杆支护强度、锚固力变弱，其周边附近围岩应力重新分布和时间的延长，巷道围岩的破坏与变形由表面逐步向巷道深部扩展。由于回采巷道围岩的蠕变作用，巷道围岩内部的破坏和塑性范围会逐渐加大，该范围内的围岩强度大大降低(低围压或零围压状态)，从而使巷道处于不稳定状态。由于锚杆支护巷道顶板冒落是一个由渐变到突变的过程，一般单凭人们的直觉是难以发现的。重大工程结构中埋设的锚杆如果存在的内部缺陷，往往具有很大的危险性，会使整座建筑物倒塌，造成巨大的损失6。比如在2005年11月,南漳县东巩镇罗家湾煤矿1号矿井,因顶板冒落，导致两名工人死亡，一人受伤；2007年3月，山西乡宁县西坡镇硬家沟煤矿二口，突发顶板的冒落事故，三人被困井下。这些正是由于未能及时有效的检测到锚固的失效而导致的灾难性后果。因此，国家计委就将锚杆锚固状态与锚固力检测方法和仪器的研究作为国家重点科技攻关项目。锚杆监测的意义在于：1. 监控锚杆支护的施工质量，及时发现施工隐患，随时观测巷道围岩活动情况，一旦发现异常，可及时采取措施，确保施工安全生产；2. 锚杆支护是一项隐蔽性工程。锚杆支护实施于井下后，要对巷道围岩变形量、锚杆受力大小等数据进行技术统计，以获得支护体和围岩的位移和应力信息，从而判断锚杆支护初始设计的合理性和可靠性，以及巷道围岩的稳定程度和安全性，还可做到根据技术统计信息修改初始设计，使锚杆支护参数更趋合理7；3. 掌握巷道围岩动态及其规律性，为锚杆支护进行日常的动态化管理提供科学依据；同时施工量测的结果，可以应用到其他类似的巷道中，作为设计和施工的依据。综上，在锚杆支护的锚固工程中，避免结构发生事故，延长结构的使用寿命，提高结构的可靠性、安全性，对锚杆锚固质量的检测研究成为一项十分必要和迫切的任务。1.2锚杆检测应力仪发展现状及问题的提出(present situation and deficiency of bolt detector)随着高强度锚杆支护技术的快速发展与全面推广应用，对锚杆支护的监控和检测设备也随之发展起来。锚杆拉拔计作为一种比较传统的锚杆检测应力仪由于在实际使用时会破坏支护锚杆，以及抽检的样本数十分有限，检测面小难免会偏概全，逐渐被无损的检测方法所替代。其中基于电阻应变片的无损锚杆检测应力仪因具有灵敏度高、频率响应快、体积小和可在恶劣环境下工作等优点，已经广泛的应用到锚杆检测中来。电阻应力仪是把结构或弹性体的应变转换为电阻变化而进行测量的，应用到井下锚杆检测时电阻变化是非常小的，因此，必须在电路加以放大后才能测量，专门用于测量锚杆应变的仪器设置，被称为电阻应变锚杆检测应力仪。从电阻应变锚杆检测应力仪的目的来看，过去和现在并没有什么变化，但是其功能、从应变信号的传递、测量、数据存储和数据处理等方面，则发生了很大的变化。 模拟式锚杆检测应力仪锚杆检测应力仪最初是手动式零位的模拟测量仪器，手动切换、人工读数和记录。有关应力仪的设计在文献中出现比较早的是于1957年在同济学报上由胡雨人发表的电阻应变仪的文章，那时的电阻应力仪由应变片、电桥和放大器组成。其中放大器是由三极管，三级放大，电阻耦合构成，放大器的下限较小且容易饱和，需要通过外接电流计的读数来反映应变并手工记录8。那时的应力仪体积笨重，设备不稳定，并且只能进行单点测量，不能够实际的应用到锚杆测量中去。随着研究的深入，应力仪加配了预调平衡箱，从而实现了多点测量，能够在实际中使用，但是还需要逐点手动切换接入应力仪进行测量，人工记录下测量的应变值，再进行人工计算该应变值对应的应力，这类仪器常用的有yjd-1型和yj-5型9。该阶段的应力仪速度较慢，工作效率也低。随着电子技术的发展，电阻应力仪开始向着数字化、自动化发展。 初期数字式锚杆检测应力仪到七十年代，随着数字仪表的出现，同时也出现了各种数字电阻应力仪。通过增加a/d模块实现直接用数字显示应变值，其结果可用打印机记录、数字显示，比人工读数和记录更便捷，大大提高了效率。一般一台设备可作多点应变测量，相应增加了自动模点和自动平衡装置。例如，华东电子仪器厂的yjs-14型静态数字应力仪，测量桥路信号通过转换器切换后，送到yjs-14应力仪，应力仪对信号进行放大，再通过双积分型a-d转换器转换为8421码数字，再通过外配的数字打字机打印记录，或者外接pz-5直流数字电压表进行数字显示10。 广泛使用的数字式锚杆检测应力仪九十年代后随着计算机技术的快速发展，人们开始借助计算机的强大功能对应力仪采集的数据进行处理和分析。于是电阻应力仪与计算机的接口设计成为了重点，在ibm-pc/xt与yj-16静态电阻应变的接口设计文章中，提出了将应力仪的输出信号经过电平转换后，送给总线驱动，通过ibm-pc/xt计算机运行的程序对采集的数据进行保存和处理11。随着单片机技术的发展，使得便携式的电阻应力仪开始出现，在单片机控制的高精密静态数字电阻应变仪文章中，设计了一个基于单片机的电阻应力仪，较之以前的设备，其采用直流电桥、低漂移高精度放大器、a/d转换器及单片微机控制技术,具有4.5位数字显示精度。但是该设计只能对锚杆的数据进行采集和显示，需要操作人员凭经验判断锚杆的状态，所以实用性不强12。于是在此基础上，应力仪被改进成带有与计算机通信接口的便携式设备。例如在2007年发表的矿用便携式锚杆测力仪的研制文章中，提出采用先进的ti公司的超低功耗msp430flash型单片机为核心，组成了一个集数据采集、存储、显示和通信功能为一体的锚杆检测应力仪。该设备具有12位的a/d精度，能够将采集的数据进行显示和存储，并通过rs232接口可将保存的数据送入计算机中进行数据的处理13。基于以上思想实现的锚杆检测应力仪已经成熟的使用在井下锚杆检测中。但是，仍然存在以下问题：1. 这类应力仪必须借助计算机才能完成数据的处理和分析，这样就需要操作人员将锚杆检测应力仪从井下带到井上再通过计算机进行处理，不能直观和实时的显示锚杆的实际情况。2. 只能显示采样的数值，不具备良好的人机交互界面。3. 只能根据预先程序设定参数对锚杆进行采样和分析，无法根据不同矿的实际情况对参数进行实地设置。1.3课题研究的目的与意义(purpose and significance of research)由上文对应变式锚杆检测应力仪的发展可看出此设备已经完成由手动式仪表向基于八位或十六位单片机为基础设计的数字化仪表的转换，但由于常规单片机资源的限制，还存在诸如上文所述的不足，所以本项目拟采用嵌入式技术，利用32位arm处理器丰富的可配置硬件资源及强大的数据处理能力设计出一种便携式智能型锚杆检测应力仪，除了完成常规的功能，还具有良好的人机交互界面，能够根据具体的矿井锚杆情况设定参数的，从而真正的实现可独立进行锚杆实时检测、存储、分析、显示的智能型锚杆检测设备，能够在一定程度上提高锚杆支护的安全性。1.4本文的工作(work of paper)本文的工作是根据电阻应变原理，采用嵌入式技术设计一种便携智能型的锚杆测力仪。设计主要包括硬件设计和软件设计两个部分：硬件部分主要包括：根据功能需要和成本控制对嵌入式处理器进行选型；处理器外围电路的基本配置；a/d转换模块；lcd显示模块；触摸屏模块；usb存储模块等。软件部分主要包括：选择适合的嵌入式操作系统平台；根据功能需要对bootloader、内核和文件系统进行剪裁和移植；针对相应的硬件和所需要的功能编写驱动程序，利用图形用户接口完成对人机交互界面的设计，并实现对锚杆检测的数据进行处理和显示。1.5论文结构(structure of paper)本文的组织结构如下：第二章，主要对应变式锚杆检测应力仪的原理进行简要的阐述；第三章，根据锚杆检测应力仪的原理和要实现的功能确定系统的总体结构设计，其中包括嵌入式处理器硬件的选择、嵌入式操作系统的选择等内容；第四章，详细介绍锚杆测力仪的硬件设计，包括最小扩展系统的电路设计和系统功能电路的设计两个部分；第五章，详细介绍锚杆测力仪的软件设计，包括软件设计平台的构建；数据采集模块、数据存储模块、人机交互模块和数据处理模块等几大功能模块的驱动程序和应用程序的设计；第六章，总结完成论文期间所做的工作和取得的成果，并讨论现有系统存在的不足和有待改善的方向。2 测力仪的测量原理2 测力仪的测量原理2 measuring principle of dynamometer锚杆检测应力仪系统主要由三个部分组成：1.应变片，它作为传感元件必不可少；2.测量电桥，它将输出的应变信号转换成电压；3.应力仪，对输出的电压信号进行调理、采集、存储和显示。前面两个部分对与应力仪系统准确获取应力数据起着非常重要的作用。2.1电阻应变片原理(theory of resistance strain gauge)电阻应变片采用的是物理学原理：金属导体的电阻与其长度成正比，当一定长度的电阻丝受力伸长，其电阻值将发生变化。从而将被测试件的应变转换为电阻变化实现测量。电阻应变片一般由敏感栅(即金属丝)、粘结剂、基底、引出线和覆盖层五部分组成，如图2-1所示。应变片进行应变测量时，需要对应变片中的金属丝加上一定的电压14。为了防止电流过大，产生发热和熔断等现象，要求金属丝有一定的长度，以获得较大的初始电阻值.但在测量构件的应变时，又要求尽可能缩短应变片的长度，以测得“一点”的真实应变。因此，应变片中的金属丝一般做成如图1所示的栅状，称为敏感栅。粘贴在构件上的应变片，其金属丝的电阻值随着构件的变形而发生变化的现象，称为电阻应变现象。图2-1 应变片结构figure 2-1 structure of strain gauges应用到锚杆检测时，是使用可靠的粘贴技术将多个电阻应变片精确地分段粘结在锚杆的矩形面沟槽内，每片引出两条脚线联接至杆尾保护套内的集中插头上，并用环氧树脂灌封沟槽，如图2所示。即可组成一个多点电阻应变式传感器。锚杆作为弹性体，当其受到外力作用时，会产生弹性变形，形变量的大小与外力作用的大小成正比，这时金属丝随锚杆一起变形时，其电阻值也随之变化。在一定范围内，应变片电阻的相对变化量与试件的相对变化量即应变成线性关系1516，即有： （2-1）由于锚杆工作状况属静态长时间受力，应变量大，因此选用康铜材料的电阻应变片较为适宜。粘贴好的电阻应变片，应涂以环氧树脂或氯丁橡胶，以防机械划伤，保证电阻应变片工作性能稳定可靠。图2-2 锚杆及应变片布置方式figure 2-2 arrangement of rock bolts and strain gauges2.2 测量电桥原理(theory of measuring bridge)通过应变片可以将锚杆的应变信号转换成电阻变化，但是由于非常小，一般都是uv的级别。所以需要适当的方法检测电阻微小变化。为此，需把应变片接入特定电路，将应变片的电阻变化信号转换成电信号。常用的电路有三种，即电位计、惠斯登电桥和双恒流源电路。其中惠斯登电桥具有结构简单，精度较高等优点，是典型的测量电桥。由于金属应变片感受物体表面应变，阻值变化而引起了电桥的不平衡，产生了差动信号。根据测量电桥的电源性质的不同，主要可以分为直流电桥和交流电桥。其中交流桥路和引线分布电容影响桥路平衡，增加了调平衡的困难。另外，由于受调制频率的限制，不宜测量高频变化的信号。而用直流供电，采用的放大器微直流放大器。应用直流电桥的测量电路的分布电容不影响桥路的平衡，操作简单，可测量频率较高的信号，且对传感器至仪表的连接导线要求较低。在90年代后，随着集成电路的发展，目前己有零漂小，稳定性好，精度高的直流放大器。所以在本设计中采用直流电桥。由于其直流放大器输入级阻抗很高，与桥臂阻抗相比，其负载阻抗可视为无穷大。典型的电桥电路如图2-3所示17：电桥各桥臂电阻分别为r1，r2，r3，r4；电桥a，c为输入端，接直流电源，输入电压为e，而d，b为输出端，输出电压为u0。电桥的输出端一般接高阻抗的图2-3 惠斯登电桥figure 2-3 wheatstone bridge放大器，这样电桥输出电流很小，可以忽略不计，认为电桥输出对角是开路的。现在推导输出端开路情况下电桥输出电压的表达式。通过推理可得电桥输出电压u0 为： （2-2）电桥各桥臂相应电阻增量分别为r1、r2、r3、r4，则直流电桥的输出电压u0+u0为：（2-3）在测试前一般先将电桥调平衡，即u00。当被测锚杆形变时应变片感应应变，电阻值发生改变，使得电桥输出不再为零。当u00时整理得：（2-4）在设计中令r1r2和r3r4，则（2-5）设各应变片得灵敏系数均相等且为，各应变片得应变量分别为，则（2-6） （2-7）从而可得到电桥输出电压与被测应变得关系：（2-8）在锚杆应力仪的实际设计中，测量电桥必须要考虑温度补偿的问题。因为温度的变化对电桥的输出电压影响很大，严重时，每升温1oc，电阻应变片中可产生几十微应变。显然，这是非被测(虚假)的应变，在必须设法排除18。本设计中采用温度补偿片的方法来排除温度效应，如图3- 1所示。就是在测量桥中与测量桥臂相邻的桥臂上，接入一个与测量片完全一样的温度补偿片，将它粘贴在一块与被测构件材料相同但不受力的试件上。将此试件和被测构件放在一起，使它们处于同一温度场中。粘贴在被测构件上的应变片称为工作片。在连接电桥时，使工作片与温度补偿片处于相邻的桥臂。因为工作片和温度补偿片的温度始终相同，所以它们因温度变化所引起的电阻值的变化也相同，又因为它们处于电桥相邻的两臂，所以并不产生电桥的输出电压，从而使得温度效应的影响被消除。3 系统方案选型3 系统方案选型3 selection of system scheme 通过上一章的阐述应力信号经过传感器以及惠斯登电桥之后能够转化为电压信号。该电压信号再经过调理电路后送入ad转换器件输出数字信号，送给微处理器进行显示、处理和保存。基于这样一个基本功能来设计电路。如图3-1所示： 图3-1 系统总体结构figure3-1 overall structure of system根据锚杆应力检测仪的功能以及微处理器硬件系统的特点。大概可以将其化分为几个部分：1. 信号采集模块：应力经过传感器、调理电路后进行ad转换将数据送入微处器；2. 微处理器最小扩展系统：任何处理器不能实现某个功能，必须添加适当的外围电路如存储器扩展、调试接口、时钟等电路；3. 功能模块：主要是便携式存储模块和人机交互模块。人机交互是智能仪器不可或缺的部分，其功能如何在某种程度上能说明仪器的性能，也是系统设计的重点，存储模块是将处理后的数据进行存储，方便历史数据的调用以及与pc机间数据的传输。3.1 系统方案的选型(system scheme selection)近年来，利用嵌入式系统进行产品设计已成为主流，由于它开发周期短并且软件移植性好，越来越被广泛的工程师应用。根据ieee（国际电气和电子工程师协会）的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”。由此可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体。嵌入式系统的精髓在于：以应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统19。这个定义将操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中，简单的说就是系统的应用软件与系统的硬件一体化，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时性和多任务的系统。将嵌入式技术应用到锚杆检测应力仪的设计中，能够根据具体的应用要求对软硬件进行裁减，从而满足系统要求的最小软硬件配置，因此可以发挥强大性能，使得测量仪将传感测量、数据处理与数据传输等功能集于一身，并能充分利用其功能优势，完成故障预报等以前无法处理的功能。所以本设计采用嵌入式技术设计的锚杆检测应力仪功能更加强大且具有本质安全、便携式、功能全、功耗低等特点，比较于以往基于单片机等技术设计的指针式锚杆测力仪，该设计在数字化、自动化、智能化和多功能等方向得到发展，其有如下特点20：1 系统内核小，专用性强2 系统精简嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求功能的设计及实现过于复杂，这样不仅可以控制系统成本，还可以实现系统安全。3 高实时性的操作系统软件是嵌入式系统的基本要求，而且软件要求固化存储，以提高速度。4 嵌入式系统软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统，这样才能保证程序的实时性、可靠性、并减少开发时间，保证软件质量。5 嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境，开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。这样嵌入式操作系统的开发可以分为两个大方面：硬件和软件。硬件设计的任务就是构建一个可靠的硬件平台，提供经过移植的嵌入式操作系统和硬件驱动，而软件设计的任务是通过交叉编译环境在 pc 机上开发基于该操作系统的应用程序，最后完成软硬件的调试。3.2硬件总体结构及选型(overall structure and selection of hardware)3.2.1.微处理选型(selection of processor)嵌入式硬件平台的建立，其关键是对嵌入式微处理器的选择。因为嵌入式微处理器是嵌入式硬件平台的核心，它决定了其他硬件电路的设计方案，甚至是嵌入式操作系统的选择，而且影响选择微处理器的因素很多，往往要全局考虑。能否选择合适的嵌入式微处理器是嵌入式系统开发成败的关键。1 嵌入式微处理器的分类考察当前嵌入式微处理器状况，大概可归为以下几类21：1) 嵌入式微处理器（empu）：这种处理器采用增强型通用处理器，它体积小、成本低、可靠性高、但是，其电路板上必须包括 rom、ram、总线接口以及各种外设等资源。目前主要有 arm、power pc、mips、386ex 等系列。2) 嵌入式微控制器（mcu）：又称为单片机，它往往把整个计算机系统集成到一块芯片中，应用体积很小，可靠性高，比较有代表性的有 8051、mcs-96 等系列。但嵌入式微控制器的数据处理能力和人机交互接口能力往往比较低，不能满足锚杆测力仪的功能需要。3) 嵌入式 dsp 处理器（edsp）：适用于实时数字信号的处理，不适合当前项目，不于考虑。4) 嵌入式片上系统（soc）：各种通用处理器内核将做为 soc 设计公司的标准库，用户可以用标准的 vhdl、verlog 等硬件描述语言定义出适合自己需要的整个应用系统，即可以设计出自己专用的嵌入式系统。这种方式，成本较高，不适合当前的开发要求。通过深入分析本应力仪的应用需求，确定其所具备的功能和性能指标。如系统处理的数据量大小和处理实时性要求、系统正常运行时的工作环境、系统运行过程中可能遇到的突发事件、系统的尺寸大小和功耗指标等。结合当前市场上各大厂商提供的各款嵌入式处理器的性能指标，如功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等。我们决定在嵌入式微处理器中选择。arm公司的高性能嵌入式处理器arm 芯片系列是嵌入式处理器领域的后起之秀，它功能强大，并且授权给多家cpu生产设计公司，推出了种类繁多、适合多种应用场合的嵌入式微处理器。通过分析比较和综合考虑实现技术方案的可行性、技术资料来源的丰富性、技术的支持的及时性以及器件的性价比等方面，本系统选择了飞利浦公司生产的32位arm7tdmi-s微处理器 lpc2210做为主控处理器。支持 wince、palm、symbian 和 linux 操作系统。2 lpc2210微处理器介绍lpc2210是一个通用的32位微处理器，它可提供高性能和低功耗。arm结构是基于精简指令集计算机(risc)原理而设计的。指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单得多。这样使用一个小的、廉价的处理器核就可实现很高的指令吞吐量和实时的中断响应。 由于使用了流水线技术，处理和存储系统的所有部分都可连续工作。通常在执行一条指令的同时对下一条指令进行译码，并将第三条指令从存储器中取出22。 lpc2210具有144脚封装、极低的功耗、多个32位定时器、8路10位adc、pwm输出以及多达9个外部中断使它们特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和电子收款机（pos）。通过配置总线，lpc2210最多可提供76个gpio。由于内置了宽范围的串行通信接口，lpc2210也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软件调制解调器以及其它各种类型的应用，如图3.2所示为其内部结构框图23。图3-2 lpc2210内部结构框图figure 3-2 internal block diagram of lpc2210 lpc2210的主要特性有：串行boot装载程序通过uart0来实现在系统下载和编程； embeddedice-rt和嵌入式跟踪接口使用片内realmonitor软件对任务进行实时调试并支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪； 8路10位a/d转换器，转换时间低至2.44s；2个32位定时器（带4路捕获和4路比较通道）、pwm单元（6路输出）、实时时钟和看门狗；多个串行接口，包括2个16c550工业标准uart、高速i2c接口（400 kbit/s）和2个spi接口；向量中断控制器。可配置优先级和向量地址；通过外部存储器接口可将存储器配置成4组，每组的容量高达16mb，数据宽度为8/16/32位，如图3-3所示为其存储器划分情况。多达76个通用i/o口（可承受5v电压），9个边沿或电平触发的外部中断引脚。；通过片内锁相环（pll）可实现最大为60mhz的 cpu操作频率；2个低功耗模式：空闲和掉电；通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒；可通过个别使能/禁止外部功能来优化功耗。图3-3 lpc2210存储器划分figure 3-3 memory map of lpc22103.2.2硬件设计关键技术(key technology of hardware design)1. 多通道选择测力锚杆采用多对电阻应变片，通过过惠斯登电桥完成应变电测的转换。在测量测力锚杆数据时，需要进行通道切换来测量同一锚杆不同应变片的相关数据。现阶段主要是人工采集，手动切换应变通道的方式。人工采集手动切换主要采用三刀六掷波段开关，随着煤矿现代化生产的发展，需要实现多通道自动采集数据。固态继电器是一种将电子控制电路和电气执行电路良好隔离的功率开关器件，但是不能很好的满足多通道的要求，且体积、功耗较大不适合便携式的设备24。测力锚杆用来监测围岩和杆体的相互作用，属于缓慢变化的应变式传感器。测力锚杆多通道数据采集过程中，不需要快速的通道切换技术。根据测力锚杆特点，可以采用诸如cd4067芯片（16路模拟开关）为信号采集通道的切换开关。微处理器将控制cd4067将多路电桥输出的信号送到集成运放的输入端。cd4067导通电阻变化对测量电桥几乎没有影响，保证电桥的输出信号能够真是的反映传感器的工作状态，同时集成运放的有很高的输入阻抗，能够满足高精度测量的要求。2. 微弱信号的放大电桥电路输出的的信号很微弱，只有微安级，这就要求放大电路的性能比较好，放大电路的好坏是与所选运放特性密切相关的。一般集成运算放大器都是利用参数补偿原理的直接耦合或者阻容耦合，它们的初始失调参数并不等于零，而是用调零电位器或精密修正技术的调节来进行失调参数的补偿。如此使得直接耦合放大器在放大信号的同时也放大了温漂，而阻容耦合放大器虽然能够抑制温漂，但不能用来放大微弱的直流信号或缓慢变化的信号，它会把这种信号作为温漂给抑制掉。对此综合考虑选择了icl7650运放很好的解决了抑制温漂和放大微弱直流信号这个问题，该信号调理电路非常成熟可以直接借鉴，不作为本文系统设计阐述的重点25。3. 提高ad转换精度锚杆支护应力变化在一定时间范围内变化非常微小，数据采集要求应具有较高的精确度，而lpc2210内部的ad转换器是11位的，为了使测试结果更准确，系统采用外扩16位精度的ad转换器与微处理器接口，是系统硬件设计的关键技术之一。4. 人机交互设计采用嵌入式芯片将操作系统引入到系统中来，良好的人机接口能够充分体现系统智能化的特点。3.3操作系统选型(selection of operating system)嵌入式操作系统是嵌入式测控系统软、硬件资源的控制中心，它以尽量合理的有效方法组织多个用户共享嵌入式系统的各种资源，这里的用户指的是系统程序之上的所有软件。所谓合理有效的方法，指的就是操作系统如何协调并充分利用硬件资源来实现多任务。复杂的操作系统都支持文件系统，方便组织文件并易于对其规范化操作。嵌入式操作系统是嵌入式系统的重要组成部分。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，能够有效管理复杂的系统资源，并且把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来；能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序等。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点26。3.3.1 uclinux特点介绍(introduction of uclinux)嵌入式操作系统通常分为商用型和免费型两类。商用的嵌入式操作系统有windriver（风河）的vxworks和psos、美国ati的nucleus plus以及microsoft的windows ce等。免费的嵌入式操作系统有嵌入式linux、uclinux、uc/os 等27。商用型操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术支持和售后服务，但往往价格昂贵。免费型操作系统具有源代码公开和无需版税的优势。故从本设计的成本、资源方面考虑，采用免费型的操作系统。针对arm7tdmi-s处理器，可采用的操作系统为uclinux和uc/os。其中uclinux是一个完全符合cnu/gpl公约的操作系统，完全开放代码，现在由lineo公司支持维护。uclinux从linux2.0/2.4内核派生而来，沿袭了主流linux的绝大部分特性。它是专门针对没有内存管理单元（mmu）的cpu，并且为嵌入式系统做了许多小型化的工作，例如arm7tdmi。它通常用于具有很少内存或flash的嵌入式系统，为硬件平台更好的运行各种程序提供了保证。在gnu通用公共许可证的保证下，运行uclinux操作系统的用户可以使用几乎所有的linux api函数，不会因为没有mmu而受到影响。由于uclinux在标准的linux 基础上进行了适当的裁剪和优化，形成了一个高度优化的、代码紧凑的嵌入式linux，虽然它的体积很小，uclinux仍然保留了linux的大多数的优点28。1. uclinux的优点1) mmu和vm（虚拟内存）许多嵌入式微处理器都由于没有mmu而不支持虚拟内存。没有内存管理单元所带来的好处是简化了芯片设计，降低了产品成本。由于大多数的嵌入式设备没有磁盘或者只有很有限的内存空间，所以无需复杂的内存管理机制。但是由于没有mmu的管理，操作系统对内存空间是没有保护的，所有程序访问的地址都是实际物理地址。但从嵌入式系统一般都是实现某种特定功能的角度考虑，对于内存管理的要求完全可以由程序开发人员考虑。2) 实时性的支持uclinux本身并不支持实时性，目前存在两种不同的方案提供uclinux对实时性的支持，它们分别是rtlinux(rtl)和rtal(real time application lnterface).有了这两种方案，uclinux可以应用到对实时性要求较高的场合。3) 平台支持开发uclinux的工具链：开发uclinux通常用标准的gnu工具链。经过修改的工具链支持一些高级特性，比如xip(execute in-place)技术，共享库支持等。4) 与标准linux的兼容性uclinux除了不能实现fork()而是使用vfork()外，其余uclinux的api函数与标准