（管理科学与工程专业论文）基于ARM的嵌入式linux机房监控设计与实现.pdf

厂 独创性声明 。j 煳蛳 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其它人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津财经大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 ， 学位论文作者签名：魏星 签字日期：加扣年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津财经大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权天津财经大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文， 学位论文作者签名：钇丑导师签名： 茅斌 签字日期：如，年石月f 日签字日期：砌年二月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：很互钟仅钣粥司 电话：o l o 一以j 7 尉彩 通讯地址：儿抖顾如寺托旺角焉v 5 邮编：剜 内容摘要 随着计算机技术的进步，许多政府部门和企事业单位机房内的设备不断增加，现场环 境日趋复杂。若想对机房环境与设备进行集中监控和科学管理，一套优秀而稳定可靠的机 房监控系统将是不可或缺的。 本论文来源于实际的开发项目，介绍了一种低成本但是高可靠性的无人值守机房动力 环境监控系统，并对它的功能特点及结构进行概述。然后针对本系统两个最重要的模块， 环境参数采集模块和主控设备模块展开研究。 环境参数采集模块负责采集机房内部的所有传感器数据。由于监控现场错综复杂，在 某些干扰或噪声作用于模拟信号之后，其a d 转换结果往往会偏离真实值，需要采用数字 滤波算法来使转换结果接近真实值。本文在分析常用八种数字滤波技术之后，提出了对算 法的改善并且按照系统需求选择合适本系统的算法。主控设备是整个项目的核心，它采用 基于a r m 的嵌入式l i n u x 系统。在熟悉a r m 体系结构和周边硬件设计的基础之上，本文给 出了搭建交叉编译环境，移植u - b o o t ，l i n u x ，y a f f s 文件系统的关键步骤。在理解l i n u x 内核驱动流程框架之后，根据项目通信需求修改串口驱动以同时适应r s 23 2 和r s 4 8 5 总线。 最后本文会结合整个主控设备程序，利用l i n u x 多进程和多线程技术，给出程序设计与实 现流程，还包括使用l i n u x 内核的v 4 l 接口来控制u s b 摄像头取得彩信所需要的图片以及 b o aw e b 服务器的移植和c g i 程序的编写。为了确保主控程序的稳定运行，本文给出了如 何提高实时性的方法，并利用查看程序崩溃后产生的c o r e 文件来确定程序问题所在。 本系统经过长时间现场测试后，运行可靠稳定，取得了良好的效果，实现了真正的无 人值守。 关键字：机房监控，数字滤波，a r m ，嵌入式lif l u x lo磷著_套 a b s t r a c t a sc o m p u t e rt e c h n o l o g ya d v a n c e s ，m a n yg o v e r n m e n td e p a r t m e n t sa n de n t e r p r i s e si n c r e a s et h ee n g i n e r o o me q u i p m e n t ，o n - s i t ee n v i r o n m e n ti sb e c o m i n gi n c r e a s i n g l yc o m p l e x i f y o uw a n tt ot h er o o me n v i r o n m e n t a n de q u i p m e n tf o rc e n t r a l i z e dm o n i t o r i n ga n ds c i e n t i f i cm a n a g e m e n t ，ag o o da n ds t a b l ea n dr e l i a b l ep l a n t c o n t r o ls y s t e mi si n d i s p e n s a b l e t h i st h e s i sc o m e sf r o mt h ea c t u a ld e v e l o p m e n tp r o j e c t ，i n t r o d u c e dal o w c o s tb u th i g h l yr e l i a b l ep o w e r u n m a n n e de n g i n er o o me n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gs y s t e m ，i t sf e a t u r e sa n da no v e r v i e wo ft h es t r u c t u r e t h e nt h e t w om o s ti m p o r t a n tf o rt h es y s t e mm o d u l e ，t h ee n v i r o n m e n tp a r a m e t e ra c q u i s i t i o nm o d u l ea n dt h em a s t e r d e v i c et os t a r to ft h em o d u l e c o l l e c t i o no fe n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r sw i t h i nt h em o d u l er e s p o n s i b l ef o rc o l l e c t i n ga l lt h es e n s o rd a t a r o o m a st h ec o m p l e x i t yo fm o n i t o r i n gt h es c e n e ，t h er o l eo fs o m ei n t e r f e r e n c eo rn o i s ei nt h ea n a l o gs i g n a l a f t e rt h ea dc o n v e r s i o nr e s u l t st e n dt od e v i a t ef r o mt h et r u ev a l u eo fd i g i t a lf i l t e r i n ga l g o r i t h m sn e e d e dt o m a k et h ec o n v e r s i o nr e s u l t sc l o s et ot h et r u ev a l u e t h i sa r t i c l ea n a l y z e se i g h tc o m m o n l yu s e dd i g i t a lf i l t e r i n g t e c h n i q u e s ，t h ep r o p o s e da l g o r i t h mt oi m p r o v et h es y s t e mr e q u i r e m e n t sa n di na c c o r d a n c ew i t ht h es y s t e m s e l e c tt h ea p p r o p r i a t ea l g o r i t h m m a s t e rd e v i c ei st h ec o r eo ft h ew h o l ep r o j e c t ，w h i c hu s e sa r m - b a s e d e m b e d d e dl i n u xs y s t e m f a m i l i a rw i t ha r ma r c h i t e c t u r ea n dh a r d w a r ed e s i g na r o u n dt h eb a s i so ft h i sp a p e r , b u i l dc r o s s - c o m p i l e re n v i r o n m e n t ，t r a n s p l a n t su - b o o t ，l i n u x ，y a f f sak e ys t e pi nt h ef i l es y s t e m l i n u xk e r n e l d r i v e r si nu n d e r s t a n d i n gt h ef r a m e w o r ko ft h i sp r o c e s sa f t e rt h ec o m m u n i c a t i o nn e e d so ft h ep r o j e c tt om o d i f y t h es e r i a ld r i v e rr s 2 3 2a n dr s 4 8 5b u sa tt h es a m et i m em e e t f i n a l l y , t h em a s t e rd e v i c ep r o g r a mw i l lc o m b i n e t h eu s eo fl i n u xm u l t i p r o c e s sa n dm u l t i - t h r e a d i n gt e c h n o l o g y , p r o g r a md e s i g na n di m p l e m e n t a t i o np r o c e s si s g i v e n ，a l s oi n c l u d i n gt h eu s eo fl i n u xk e r n e lv 4 l i n t e r f a c et oc o n t r o lu s bc a m e r at oo b t a i nt h er e q u i r e dm m s p i c t u r ea n db o aw e bs e r v e rm i g r a t i o na n dw r i t ec g ip r o g r a m s i no r d e rt oe n s u r et h es t a b l eo p e r a t i o no ft h e m a s t e rp r o g r a m ，t h i sa r t i c l eg i v e sam e t h o do fh o wt oi m p r o v et h er e a l t i m e ，u s i n gt h ev i e wp r o g r a mc r a s h e s r e s u l t i n gf r o mt h ec o r ef i l et od e t e r m i n ew h e r et h eb u go fp r o g r a mi s t h es y s t e mh a sb e e nal o n gt i m eo n s i t et e s t i n g ，r e l i a b l es t a b i l i t y , a n da c h i e v e dg o o dr e s u l t s ，a c h i e v i n ga t r u eu n a t t e n d e d k e yw o r d s ：s u p e r v i s o r ys y s t e mo fe q u i p m e n tr o o m ；d i g i t a lf i l t e r i n g ；a r m ；e m b e d d e dl i n u x i i 目录 内容摘要i a b s t r a c t i i 第l 章绪论1 1 1 课题的背景和意义一1 1 2 国内外发展概况和趋势1 1 3 课题主要创新点2 1 3 1 课题应用创新。2 1 3 2 课题技术创新2 1 4 课题来源及本文主要内容3 1 4 1 本课题来源3 1 4 2 本文主要研究内容及章节安排3 第2 章机房监控系统简介4 2 1 系统的主要功能4 2 1 1 监控功能4 2 1 2 数据存储上传及报警功能4 2 2 系统整体框架5 2 3 系统特点及优势5 第3 章环境参数采集模块的数字滤波算法设计7 3 1 环境参数采集模块功能简介7 3 2 环境参数采集模块的数字滤波算法设计7 3 2 1 软件数字滤波算法简介7 3 2 2 软件数字滤波算法的比较和复合1 0 3 2 3 环境参数采集模块中的数字滤波算法1 1 第4 章主控模块的硬件设计及系统平台搭建1 2 4 1 嵌入式系统简介1 2 4 2 主控模块的硬件设计和操作系统的选择1 2 4 2 1 主控模块硬件设计1 2 4 2 2 主控模块操作系统的选择1 6 4 3 构建目标板交叉工具链17 4 4 移植u b o o t 和l i n u x 1 9 4 4 1 引导加载程序及u b o o t 简介1 9 4 4 2u b o o t 移植2 1 4 4 3l i n u x 操作系统移植2 4 4 5 制作根文件系统2 5 4 6l i n u x 设备驱动程序概述2 7 4 6 1l i n u x 设备驱动简介2 7 4 6 2l i n u x 设备驱动分类2 8 4 6 3l i n u x 内核调试技术。2 9 4 7 修改l i n u x 内核串口驱动31 4 7 1r s 4 8 5 总线简介3 2 4 7 2s 3 c 2 4 4 0 中的u a r t 3 3 4 7 3l i n u x 内核中的串口驱动3 3 4 7 4 修改串口驱动：3 5 4 8 移植网卡驱动程序3 7 第5 章主控设备应用程序的设计与实现4 1 5 1w e b 服务器的实现4 1 5 1 1b o aw e b 服务器简介4 1 5 1 2b o aw e b 服务器移植4 1 5 1 3c g i 程序的编写4 3 5 2 主控设备模块图像采集的实现4 4 5 2 1 加入摄像头驱动程序4 4 5 2 2u s b 摄像头采集图片过程4 4 5 2 - 3 对图像数据进行压缩4 6 5 3 主控模块程序的设计和调试4 6 5 3 1 主控模块程序的整体设计4 6 5 3 2 核心进程的设计4 8 5 3 3 核心进程的互斥及实时性处理5 0 5 3 4 主控程序的可靠性保障及调试5 2 第6 章总结和展望5 4 参考文献5 5 后记5 7 第1 章绪论 1 1 课题的背景和意义 随着网络技术和通信设施的发展和普及，计算机系统及通信设备数量与日俱增，规模 越来越大。现在许多政府部门和企事业单位都有自己专用的计算机网络机房，安装有一些 重要的大中型服务器，路由器交换机，以及专用恒温空调u p s 配电柜等配套设施，一旦机 房环境设备出现故障，就会影响计算机系统运行，造成数据传输或存储故障，当发生严重 事故时会造成机房内计算机设备或通信设备报废，机房服务器长时间瘫痪，后果不堪设想。 因此，随着机房规模不断扩大、动力设备种类和通信协议不断增加、维护难度加大，尤其 目前国内机房设备各自独立运行的情况比较普遍，并且缺乏专业的设备管理人员和综合有 效的管理手段，若采用2 4 小时监守，不仅耗费了大量的人力财力，而且不能准确高效的 实时监测环境设备，不能及时发现故障，排除故障，单位主管部门及有关领导也不能及时 掌握机房的日常管理情况。因此对机房的动力环境进行实时自动化集中的无人监控极其 必要，它在整个机房系统中扮演了越来越重要的角色。 计算机技术日新月异，要想对机房环境与设备进行集中监控和科学管理，一套优秀而 稳定可靠的机房监控系统是不可或缺的，也是未来机房系统发展的大趋势，该系统必须能 够随时随地观察到机房的情况、必须能及时地发出预防报警，通知有关人员采取措施防止 事故发生，因此对机房监控系统和相关嵌入式系统技术的研究是非常有意义的。 1 2 国内外发展概况和趋势 工业现场的监控管理的发展进程大致分以下是三个阶段： 第一代系统是为不同的且互相独立的设备和电路等分别配备各自的监控装置。这就造 成现场的维护管理效率低下，往往由于同一原因产生的告警事件而引起的响应，但又无从 分析诸多告警现象的内在关系，难以尽快的排除故障恢复业务。 第二代系统是将各类设备和电路的监控管理物理地综合为一个集中监控管理系统，利 用一套显示装置对全网进行集中监控。由于各个系统的逻辑功能仍旧是相互分离，难以具 备较强的故障管理和系统维护功能。 。季忠苑，基于嵌入式技术的机房环境监控系统的研究与设计 d ，杭州：浙江工业大学，2 0 0 7 年 。盛森岸，通信机房远程检测监控系统的研究与设计【d 】，重庆：重庆人学，2 0 0 2 年 第三代系统是将工业现场的一切监控和管理功能综合于一个公共的智能平台上，全方 位的检测整个网络的运行状态。能够提供具有高级自动化水平的告警分析和故障定位功 能，支持维护控制行动的决策，具有充分支持新技术，新业务，新标准的扩展和升级能力。 目前，国际上有许多动力环境监控管理产品，其中少数几个产品占据了大部分市场， 例如：美国s e n s a p h o n e 公司的环境监控系统、加拿大万联公司推出的机房动力环境监控产 品和北京恒兴顺达公司自主版权的c c c s 2 0 0 0 机房动力环境监控系统等等，国内也有很 多企业开始投入到这一非常具有发展前景的领域。 机房监控的发展趋势主要体现在网络化，全面化和智能化。网络化使企事业单位不必 重复投资，采用内部局域网通信和管理，更稳定安全。采用t c p i p 协议，监控机房可以 很容易地与监控管理中心及数据库建立起联系，用较低的成本，对监控机房的动力设备、 机房环境、安全保卫、视频图像等信息实施统一平台下的监控。全面化使对机房系统的监 控没有任何死角，从配电系统、u p s 电源、空调、水浸烟感、门禁系统的运行状态到温度、 湿度、供电的电压、电流、配电系统的丌关状态等进行实时监控并记录历史数据，实现对 机房系统最全面的监控和管理功能，为机房高效的管理和安全运营提供有力的保证。由于 系统基于多点信息采集，信息种类繁多，对处理的智能化有很高要求。 但是总的来说，目前机房监控系统整体仍然存在着成本过高，监控手段不完善等缺点， 比如若网络中断，监控系统将会和服务器失去联系，若发生意外值守人员毫无所知，将造 成难以估计的损失。 1 3 课题主要创新点 1 3 1 课题应用创新 系统通过以太网和移动通信网络g p r s ，以有线无线两种方式来传输采集到得数据信 息，实现数据的冗余备份，确保不会因为有线通讯出现故障导致实时性降低或数据丢失， 实现真正的无人值守。 1 3 2 课题技术创新 构建属于本系统需求的基于a r m 的嵌入式l i n u x 系统作为核心主控设备的工作平台， 借助于l i n u x 的开源优势，对它进行适当的裁剪，修改l i n u x 内核串口驱动来满足r s 4 8 5 总线要求。主控设备还可以通过u s b 摄像头采集图片信息，将报警信息和此时的图片信息 。杨丹丹，通信机房动力与环境腑控系统的研究【d 】，重庆：重庆人学，2 0 0 9 年 2 以彩信的形式发送给管理人员的手机。 1 4 课题来源及本文主要内容 1 4 1 本课题来源 本课题的来源是某公司的无人值守动力环境机房监控项目，将智能设备监控、现场数 据采集、图片采集、g p r s 无线传输短信报警集成一体，即使在网络中断的情况下受控端 模块也能主动上传数据发出报警信息，而若遇到断电重启时程序也可自动启动。服务器端 采用b s 架构，值班人员打开浏览器就可以监控所有实时数据，解决了以往机房监控系统 在开发效率低，维护成本高，可维护性差等缺点，使机房监控向无人值守方向更近一步。 1 4 2 本文主要研究内容及章节安排 本文针对无人值守动力环境机房监控系统中最关键的两个模块一一环境参数采集模 块和主控设备模块来展开研究。下面为研究的主要内容： ( 1 ) 无人值守动力环境机房监控系统整体需求，架构和功能实现 ( 2 ) 环境参数采集模块中a d 转换采样的数字滤波技术 ( 3 ) 根据本系统需求对主控设备模块微处理器及一系列硬件资源进行选取，熟悉c p u 体系结构和外围设备的硬件工作原理。 ( 4 ) 主控设备模块是一个基于a r m 的嵌入式l i n u x 平台，需要研究嵌入式系统架构 组成，系统平台搭建，分析b o o t l o a d e r 技术，l i n u x 操作系统内核的原理及配置裁剪，l i n u x 设备驱动模型及开发。 ( 5 ) 嵌入式l i n u x 环境下的编程，l i n u x 的多进程通信以及多线程技术，w e b 服务器 的移植，c g i 程序的开发。 本文将在第二章介绍系统的特点优势及整体框架，第三章介绍我对环境参数采集模块 程序中最关键的部分数字滤波算法做深入的分析和研究，提出自己对目前几种常用的数字 滤波算法的复合改善，并针对本项目的需求选择最适当的数字滤波算法和参数，第四章介 绍主控设备模块的硬件核心微处理器$ 3 c 2 4 4 0 以及外围电路，嵌入式操作系统的比较和选 择，之后针对本模块搭建嵌入式l i n u x 系统平台，包括构建交叉编译器，移植u b o o t 和l i n u x 内核，制作y a f f s 文件系统，简单概述l i n u x 设备驱动，并修改和移植了串口及网口驱动以 满足项目需求，第五章介绍w e b 服务器的选取和移植，c g i 程序的开发，系统主控设备程 序的编写和整体流程。 第2 章机房监控系统简介 2 1 系统的主要功能 本无人值守机房监控系统主要分为两大功能，监控功能和数据上传报警功能。 2 1 1 监控功能 ( 1 ) 配电柜电源参数监控 监控机房内电源进线柜和出线柜电压、电流、频率状态。 ( 2 ) u p s 和空调监控 监控机房内u p s 电源输入、输出电压、电流、频率等各项参数，空调温度及各种运行 状态参数，设置报警参数，设备出现故障及达到报警参数设置范围，可随时向用户发出警 告。 ( 3 ) 图像监控 对机房现场进行图像实时监控与传输，用户可随时查看每个机房内视频图像，并且可 以随时的将视频信息存储到本地服务器中。 ( 4 ) 机房环境监控 在机房设置有线温湿度传感器，在不易布线的区域安装无线湿度传感器，通过网络显 示出各机房的实时温湿度情况，当温度、湿度越界时向用户发出警告报警，在地板下设置 漏水感应线圈，在出现水源时可及时发出警告，天花板和机柜附近安装有烟雾传感器，为 火灾预防和早期发现提供帮助。 2 1 2 数据存储上传及报警功能 ( 1 ) 数据采集存储和上传 数据由传感器采集器( 负责温湿度，电流电压传感器等) 和智能设备协议适配器( 负 责u p s 空调等智能设备) 收集然后通过r s 4 8 5 总线接受主控设备的定时轮询。 而主控设备上传实时监控数据给服务器分为两种方式，一是基于t c p i p 的网络上传， 二是为了避免有线故障或监控端出现异常，再配有一个无线通信模块无线上传，起到数据 冗余和备份的作用。 服务器端接收到数据后会将它们存入数据库中，方便管理人员查询历史数据。 ( 2 ) 报警 报警分为一般报警和严重报警两个级别。如有严重报警发生会马上通过无线网络发出 4 报警短信，也可以通过和摄像头连动发出彩信，服务器端还可以进行声音报警并发送电子 邮件给管理人员，告知问题所在，实现真正可靠的无人值守。 2 2 系统整体框架 本机房无人监管系统主要分为六个模块，服务器软件模块( 采用b s 架构) ，视频采 集模块，主控设备模块，环境参数采集模块，空调u p s 协议转换模块，无线通信模块。系 统中采用有线和无线两种方式将机房中的模拟和开关量信号汇总到环境参数采集模块，空 调u p s 协议转换模块实现针对空调u p s 的状态数据的采集，不同的空调u p s 智能设备都 有使用不同的协议。这两个模块通过r s 4 8 5 总线或r s 2 3 2 总线与主控设备连接，在通过局 域网络上传至服务器。视频模块则通过局域网络直接和服务器软件模块连接，当报警发生 时会启动硬盘录像视频采集，记录报警时的音频视频流信息，传递到服务器端，作为系统 的冗余备份方案。无线模块通过g p r s 无线网络将环境参数测试数据，报警信息传递到指 定服务器，并以彩信方式将报警信息和图片信息传输到管理人员手中。 图2 1 机房监控系统框架 资料来源：作者编制 2 3 系统特点及优势 ( 1 ) 系统核心模块以开源稳定的l i n u x 为操作系统，配以可靠的以$ 3 c 2 4 4 0 为核心 的硬件平台，支持各种总线技术，通过统一的协议，实现可靠的数据数据传输。此外，整 个系统的自检技术确保了系统安全的运行，无论是软件层( 如系统内的守护进程) 还是硬 件层( 如看门狗电路) 都会实时监控整个系统的运行状况，确保模块异常时的自动恢复。 ( 2 ) 系统汇集r s 4 8 5 ，r s 2 3 2 ，u s b ，i i c ，s p i 等多种总线形式，具有很强的兼容性 合优异的功能扩展能力。各种通信总线均以优秀的硬件设计配合高效的的驱动，来有效地 完成数据信息的传输。系统通过以太网和移动通信网络g p r s ，有线无线两种方式来实现 数据信息的冗余备份，确保任意时刻数据都不会丢失。 ( 3 ) 系统主控模块将采用内嵌w e b s e r v e r 移植进设备来允许监控人员通过局域网远程 访问主控设备并对其进行配置。按照c g i 标准编写的外部扩展应用程序可以处理客户端浏 览器输入的数据，从而完成客户端与服务器的交互操。这样大大方便了管理人员对系统的 操作。系统同时可选配有大尺寸的触摸屏，主控模块会实时的将其他模块采集的数据传递 给相应的q t 应用程序，并由其进行显示，以更好的提供一个人机交互接口，使系统更加 人性化。 ( 4 ) 系统采用了声光，视频，数据，彩信，短信多方式报警技术。在产生报警后， 系统能够快速分析报警点，以醒目的灯光和响亮的声音快速的对报警进行标示，触发监控 摄像机采集报警点画面，无线通讯模块发送数据，图片及短消息通知管理员，保证报警信 息及时到达。 ( 5 ) 对于机房不易布线的死角，系统采用高集成度，高速率的无线微型传感器技术， 来进行数据采集。无线传感器采用n r f 9 e 5 模块实现数据低功耗和可靠的短距离通信，同 时通过心跳包的传输实现设备自检功能。 6 第3 章环境参数采集模块的数字滤波算法设计 在本项目中，环境参数采集模块和主控设备模块是整个机房监控系统最核心部分。后 者在整个项目中起着承上启下的关键作用，而前者则需要负责采集机房内部所有传感器数 据。 3 1 环境参数采集模块功能简介 环境参数采集模块主要完成数据采集功能，报警功能以及串口远程数据传输功能。 ( 1 ) 开关量采集：每1 秒进行一次开关量数据采集，采用中断方式，产生报警信息 时，报警信息持续1 0 秒 ( 2 ) 模拟量采集：每4 秒进行一次模拟量的数据采集，采用轮询方式，产生报警信 息时，报警信息持续1 0 秒。 ( 3 ) 开关量远程控制：可对丌关量进行即时控制，开控制开关的断开和闭合。 ( 4 ) 通过r s 4 8 5 总线接收主控设备模块的轮询，将所有数据信息和设备参数传递给 主控设备。 3 2 环境参数采集模块的数字滤波算法设计 3 2 1 软件数字滤波算法简介 对模拟量的采集是环境参数采集模块最重要的功能。环境参数采集模块采用飞利浦公 司生产的基于a r m 7 t d m i s 处理器的l p c 2 2 1 2 微处理器，其片上拥有8 路1 0 位的a d 转换器，一次可选通两路，用于将电压型或电流型传感器输出的模拟信号转换成数字信号。 但是由于监控现场错综复杂，在某些干扰或噪声作用于模拟信号之后，其a d 转换结果往 往会偏离真实值。因此，仅采样一次无法确定该结果是否准确，必须进行多次采样，得到 一个a d 转换的数据集，然后通过某种算法对其处理，才能最后得到一个可信度较高的结 果。这种从采样数据系列中提取逼近真值数据的软件算法，通常称为数字滤波。 相比较于硬件滤波，数字滤波的优越性在于其无需硬件设备，可靠性高，稳定性好， 无阻抗问题，使用灵活方便，可根据需要选择不同的滤波方法，或改变滤波器的参数及相 关的加权系数，对多输入通道可共用同一个滤波程序 。 郏东耀，杨雷，丁天怀，数乒滤波抗干扰技术在a d 转换中的应用 j 半导体技术，2 0 0 3 年8 月：5 2 - 5 4 圆林晓东，浊度仪计算机系统中的数字滤波算法 j 福建农林大学学报( 自然科学版) ，2 0 0 4 年3 月：1 3 3 - 1 3 6 刘艺柱，杨瑞兰，采用滑动平均滤波法提高硬币识别准确率的研究 j ，制造业自动化，2 0 1 0 年1 月：4 2 - 4 4 7 软件数字滤波的不足之处就是需要消耗一定的c p u 时间。当有用信号为高频信号，干 扰为低频信号时，需要采用高通滤波，实时高通滤波算法受到c p u 速度的限制，往往力不 从心，但是硬件( f p g c p l d ) 很容易处理这些实时信号。当有用信号为低频信号( 如温 度，湿度，重量，电流，电压，水位等) ，其频率往往比较低，干扰信号频率相对较高时， 需要采用低通滤波。但是由于硬件低通滤波器往往体积比较大，与当前电子产品微型化趋 势不想容。当前嵌入式系统中的c p u 速度在执行实时低通滤波算法时完全可以胜任，故数 字滤波的主要应用领域为实时低通滤波。 在目前嵌入式系统中常见的进行实时低频信号处理的软件数字滤波算法主要有程序 判断滤波法( 又称限幅滤波法) ，中位值滤波法，算术平均滤波，去极值平均滤波( 又称 防脉冲干扰平均滤波法) ，滑动平均滤波，滑动加权滤波，一阶滞后滤波，消抖滤波法这 八种算法。下面简单介绍并分析一下这几种算法的原理和优缺点。 ( 1 ) 程序判断滤波法( 限幅滤波法) 通常很多物理量的变化是需要一定时间的，也就是说相邻两次采样值之间的变化一般 会有一个合理的限度。如果两次相邻采样值之间的变化未超过预定的范围a y ，说明此次 采样值未受到干扰，可以采用。反之，如果两次相邻采样值之间的变化超过了预定的范围 a y ，则说明此次采样值受到了明显的干扰，不能采用。程序判断滤波法主要用于处理变 化较缓慢的物理量，如温度，湿度，液位等等。它能有效滤除毛刺型干扰( 高频干扰) ， 但是对于幅度比较小的噪声干扰无能为力，即无法滤除随机干扰，因而只能应用于对精度 要求不是很高的场合，其采样输出比为1 ：l 。此算法最关键的是要选取合适的采样周期和 相邻两次采样的最大变化值a y 。 l y 。一y 川l z x y ( 3 1 ) 满足上面公式的y 。即为有效值，否则使用y 川为有效值。 ( 2 ) 中位值滤波 程序判断滤波法的一个潜在隐患就是在连续两个以上的采样周期受到强干扰之后，系 统可能会不稳定。在环境恶略，干扰频发的情况下可以采用中位值滤波算法来处理。本算 法的原理是连续进行n ( n 一般取奇数) 次采样，然后将采样得到的数据样本进行排序( 通 常使用选择排序算法，只排出前叫+ 1 ) 2 位即可) ，取受到噪声干扰最小的中间的样本值 作为本次的有效采样值。由于受到干扰的采样值偏离有效采样值，经过排序之后必然处于 两端的位置。中位值滤波法能有效克服偶然因素引起的波动或采样不稳定引起的误码等脉 8 冲干扰。对温度、液位等缓慢变化的被测参数用此法能收到良好的滤波效果，但是对于流量 压力等快速变化的参数一般不宜采用中位值滤波法。本算法采样输出比为n ：1 。 ( 3 ) 算术平均滤波 由于随机干扰( 噪声型干扰) 随着数据样本的增加其统计平均值趋于零，故对被检测 物理量进行连续多次采样，然后对其求算术平均值作为有效采样值，就可以达到抑制随机 干扰的效果。连续采样的次数越多，对随机干扰的抑制效果也就越好。但是它的缺点也比 较明显，它不能消除毛刺型突发干扰，只要有一个采样数据受到毛刺型突发干扰，算术平 均值将会明显的偏离真实值。本算法采样输出比为n ：l 。 1 芒 y n2 可乙y i v t = i ( 3 2 ) ( 4 ) 去极值平均滤波( 防脉冲干扰平均滤波法) 算术平均滤波无法消除毛刺型突发的干扰，只能通过平均操作将副作用其削弱。因为 毛刺型突发干扰使采样值远离真实值，针对毛刺型突发干扰这个特点可以选择将其剔除， 不参加平均值计算，从而使平均滤波的输出值更接近真实值。本算法原理是连续采样n 次， 将其累加求和，同时找出其中的最大值和最小值，再从累加和中将最大值和最小值减去， 再将剩余的n 2 个采样值求平均，即得有效采样值。本算法采样输出比为n ：1 。 舻击芝y 。 儿2 而缶儿 ( 3 3 ) ( 5 ) 滑动平均滤波 上面两种滤波算法有一个共同点，每个主采样周期取得的一个有效采样值是由连续若 干个子采样周期取得的一批采样值计算出来的，为此，这些主采样周期都比较长。当被检 测的物理量变化较快时，较长的采样周期无法及时采集到被检测物理量中的高频信息，致 使系统反应迟钝，无法保证实时性。但是子采样周期不能随意缩短，而减少连续连续采样 次数又会降低滤波效果。 既然如此，每个采样周期只进行一次采样操作，让后将当前的采样值和之前连续若干 次采样值一起进行平均，将得到的平均值作为当前有效采样值投入使用。由于参加平均计 算的历史采样值个数固定，并且内容不断更新，相当于一个滑动的窗口，故此平均滤波算 法被称为滑动平均滤波。本算法采样输出比为1 ：1 。此算法对周期性干扰有良好的抑制作 用，平滑度高，灵敏度低，但它并不易消除由于毛刺干扰所引起的采样值偏差。 9 y 一2 去擎， ( 3 4 ) 其中，m 是滑动窗口采用的数据样本个数。 ( 6 ) 滑动加权滤波 在滑动平均滤波算法中，窗口的n 个采样数据都是以平等的身份参与运算，这将有超 时严重的滞后效果，降低系统反应速度。滤波算法的输出应当及时反应当前采样值中包含 的有效信息，即增加最近数据样本的权重，降低早期数据样本的权重。因此，滑动加权滤 波就是为滑动窗口的各个数据分配不同的加权系数，进行加权平均运算。它适用于有较大 纯滞后时间常数的对象和采样周期较短的系统，但是对于纯滞后时间常数较小，采样周期 较长，变化缓慢的信号不能迅速反应系统当前所受干扰的严重程度，滤波效果差。本算法 采样输出比为1 ：1 。 1o y ”2 万乞k ，一 蟛i = l ( 7 ) 一阶滞后滤波 将一阶滞后滤波器的微分方程用差分方程来表示，便可用软件算法来模拟硬件滤波功 能。经推导，对于低通滤波算法有： y 。= 锨。+ ( 1 一a ) y 川 ( 3 6 ) 其中，为本次采集值，y 川为上次的滤波输出值，口为滤波系数，其值一般远小于 l ，儿为本次滤波后的输出值。 通过公式可以看出，本次滤波的输出值主要取决于上次滤波的输出值，本次采样对本 次滤波输出影响较小。此算法模拟了具有较大惯性的一阶滞后滤波器的功能。当目标参数 为变化很慢的物理量时，采用本算法是很有效的。它的采样输出比为1 ：1 。 ( 8 ) 消抖滤波 消抖滤波算法需要设置一个滤波计数器，进行n 次采样，将每次采样值与当前有效值 比较，如果采样值等于当前有效值，则计数器清零。如果采样值不等于当前有效值，则计 数器加1 ，并判断计数器是否大于等于上限d ( 溢出) 。如果计数器溢出，则将本次值替换当 前有效值，并清零计数器。消抖滤波对于变化缓慢的被测参数有较好的滤波效果，避免无 谓的数值抖动，它的采样输出比为n ：1 。 3 2 2 软件数字滤波算法的比较和复合 1 n 通过分析以上八种软件滤波算法，可以看出它们均有各自的优缺点以及是应用对象。 表3 。1 八种数字滤波算法的比较 数字滤波算法采样输出比 抗毛刺干扰 抗随机干扰适用性 判断滤波法 1 ：1 较强很弱温湿度，液位等缓慢变化量 中位值滤波法 n ：1 很强一般温湿度，液位等缓慢变化量 算术平均滤波n ：1一般较强温湿度，流量，压力，液面等测量 去极值平均滤波 n ：l 较强较强温湿度，流罱，压力，液面等测量 滑动平均滤波 1 ：1 较弱较强流量，压力等快速变化量 滑动加权滤波 1 ：1 较弱较强温湿度，流量，压力，液面等测量 一阶滞后滤波 1 ：l 一般较强温湿度，液位等缓慢变化量 消抖滤波 n ：l一般较强 缓慢变化量 资料来源：作者编制 虽然这八种算法各有优劣和应用场合，可以通过对其中几种算法的复合来改善算法。 例如，使用滑动平均滤波的基础上，不是将窗口中n 个采样取平均，而是使用去极值平均 滤波中的去掉其中最大值最小值之后再对剩余的n 2 个取平均，并且适当缩短采样周期， 这样就会提高滑动平均滤波消除毛刺干扰的能力，同时将采样输出比维持在1 ：1 。如果需 要系统快速反应的话，还可以加以适当的加权系数。 3 2 3 环境参数采集模块中的数字滤波算法 由于环境参数采集模块挂接的传感器主要采集温度，湿度以及配电柜u p s 的电压电 流，它们不同于一些液体流量，压力等快速变化量，均都属于缓慢变化量。通过分析以上 八种软件滤波算法的优缺点及适应性，我决定采用去极值平均滤波算法来对温湿度及电流 进行滤波，另采用消抖滤波法来对电压进行滤波。 其实，去极值平均滤波算法实际上就是中位值滤波法和算术平均滤波法两者的复合应 用，融合了此两种滤波法的优点。此算法需要对n 2 个采样值取均值，为方便求值，n 2 应为4 、8 、1 6 ，故n 常取6 、1 0 、1 8 。在本项目中n 采用1 8 ，意味着每一次轮询采样要 对每一个传感器进行1 8 次滤波采用。使用这种方法主要针对偶然出现的随机脉冲性干扰， 可消除由其引起的采样值偏差，其缺点是测量速度相对较慢，占用内存比较多。不过由于 环境参数采集模块要每四秒轮询采集一次，主采样周期较长，并且1 p c 2 2 1 2 拥有1 6 k b 的片 上s r a m ，这两点并不会对系统造成影响。 另外，考虑一般供电电压非常稳定在2 2 0 v 2 3 0 v ，变化很少，所以采用消抖滤波算法 来进行滤波。 经过数字滤波处理后得到的值会通过相应的公式( 由对应的传感器决定) 计算得到最 后所要的温湿度，电流，电压等值，再与对应的阀值进行比