（交通信息工程及控制专业论文）列车完整性监测系统设计.pdf

中文摘要 摘要： 随着铁路运输的迅速发展，列车完整性检测系统称为一个越来越重要的课题。 本文设计了一个列车完整性检测系统。主要包括了以下几个部分：需求分析， 系统设计，系统实现。首先，通过选择和使用嵌入式处理器、设计外围硬件和规 划操作系统，让整个设计过程有一个基础的系统；其次，将加速度传感器模块和 g p s 模块整合到系统中；然后，设计了包括双机通讯在内的系统主要逻辑；最后， 介绍滤波算法在系统中的应用，并在本系统实现了滤波算法。 本系统的设计具有可扩展性，可以增加一些新的功能以适应不断变化的系统。 图1 6 幅，表6 个，参考文献1 7 篇。 关键词：嵌入式处理器；c 0 s ；加速度传感器；g p s 模块；双机通讯和同步；滤 波算法 分类号：u 2 8 3 1 t r a i ni n t e 伊a t i o nm o n j t o r i n gs y s t e mb e c o m e s m o r ea n dm o r ei m p o n a n t ，b e c a u s c0 f t h er a p i dd e v e l o p m e n to fr a i l w a yt r a n s p o n a t i o n t l l l ep a i p e rd e s i g n sat r a i ni n t e g m t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m i ti n c l u d e ss e v e r a lp a r t s ： r e q u 洫m e n ta n a l y s i s ，d e s i 印a n di m p l e m e n t f i r s to fa l l ；b ys e l 鳅i n gt h ee m b c d d e d p r o c e s s o r d e s i g n i n gt h ee x t e mh a r d w a r e 柚do p e r a t i o ns y s t e m ，i tm a l 【e s t h eb 勰i c s y 蛳锄i sa v a i l a b l ef 0 rt h es y s t 锄s e c 0 n d l y ；i ti n t c 伊a t c st l l ea c c c i e 洲o ns c n s o r 觚d g p sm o d u l ci n t 0t h cs 灿m 删y ；i td 西g n st h cm a i n l yl o g cb yu s i n g 龇沁 o p e m t i o ns y s t c m f i n a l l yi ti n t m 舡c e st l l ef i l t e ra 制姗e t i c 锄di m p l e m e n t si ti nt h i s e m b e d d e dp n ) c e s s o r 1 n h ed e s 咖o ft i l ep m j 瞅u st l l cp l a 响珊m e t h o d i ti se 疵n d a b l c 1 fn e e d e d ，i t 锄b ea d d e ds 啪en c wf c 锄瑚陀t om c c tt h cv a l i a t 砌a p p 珏酬o n k e y w o r d s ：e m b e d d e dp r o c e s s o r ；肛( 、o sl i ；a c c e l e m t i o ns e n s o r ；g p sm o d u l e ； c 0 m m l i c a t i o n 觚ds y n c h r o i l i z a t i o nb c t w e e nt 、os y s t e m ；f i l t e r 撕t h m e t i c c l a s s n o ：u 2 8 3 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通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。 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 导臌名：刎 签字日期：年月日签字日期：l 夕易年c 溯，日 致谢 在此由衷摩谢导师藏胜华副教授对我的帮助对于我敬爱的导师戴胜华剐教 授，他不仅在本论文和毕业设计的完成过程中，给了我很多指导和帮助，而且在 三年的工作和学习中，时时刻刻给我悉心关怀和指导。 三年前，当我刚刚进入北京交通大学的时候，我还只有电气控制方面的知识， 对电子设计和单片机都是一窍不通。是戴老师在三年中对我的指导，才让我一步 步深入学习了硕士阶段的知识戴老师拥有着渊博的知识，广阔的事业严谨的 学术作风、博爱的胸怀，他对工作非常热心负责、对学生既有师长式的关怀，也 有朋友般的交流在三年中，他不仅教会了很多知识和技术，更教会了我很多为 人处世的道理，这些对我的人生都将有着重大的影响。 感谢蒋大明副教授三年中对我的帮助是蒋老师非常热心的帮助，才让从北京 理工大学保送至北京交通大学，这个事情改变了我一生的轨迹。蒋老师虽然身为 副院长，但是依然平易近人，永远以微笑面对我们。这些都给了我很大的鼓励。 感谢在这年半的时同内中，和我一起并肩奋斗的王巍同学在毕业设计中， 我们共做同一个的项目王巍同学不计较个人的得失，比我付出了更多的时间和 精力。他在学习和技术方面有着非常专著的精神和踏实的态度，这些都给了我很 深的印象和鼓励。 在三年的学习中，和我同实验室的周兴、陈广涛、金青，陈帅、陈曦东、孙 大林等同学同样给了我很大的帮助和鼓励尤其盂一飞同学，他工作热心、性格 宽厚，对技术的执著让我受益匪浅在此一并对他们进行由衷的感谢。 最后，我由衷地感谢我所有的家人和朋友，所有我爱的人和爱我的人，是他们 一起陪我共同度过这三年的风风雨雨，让我可以勇敢地面对挫折，平静地面对成 就，逐步地实现着自己的梦想。 序 本文设计了一个列车完整性检测系统。主要包括了以下几个部分：需求分析， 系统设计，系统实现。首先，通过选择和使用嵌入式处理器、设计外围硬件和规 划操作系统，让整个设计过程有一个基础的系统；其次，将加速度传感器模块和 g p s 模块整合到系统中；然后，设计了包括双机通讯在内的系统主要逻辑；最后， 介绍滤波算法在系统中的应用，并在本系统实现了滤波算法。 拙塞窑耍盍堂亟堂焦j 幺毫烈奎定整挂监嚣丕蕴 第1 章概述 1 1 综述 我国铁路主要技术政策中昵确指出：研制机车和客车车载监测保护系统，完善机 车车辆运行安全和货物装载的地面检测系统，研究采用固定设备在线自动检测、远程 诊断及故障预报预警技术这为列车状态监测和诊断系统的建立奠定了基础。 列车完整性检测系统属于列车运行监测系统。该系统对列车的状态进行动态监 涌，完整性检测的概念是在列车行驶的过程中，利用车载设备检测列车的完整性，即 检测列车是否发生抛车 1 2 列车完整性检测系统现状 列车完整性检溉系统由车头和车尾两部分组成，二者疆过某种方式( 如电台) 通 讯，将各自的信息交互，从而判断列车的状态，用以在列车发生抛事时及时向车载综 合电台发送告警信息，以便机车司机采取有效措施，防止事故发生。 列车在正常运行情况下，车体作为一个钢性整体，车头和车尾应该具有相同的参 数，如运行方向、速度、加速度等，当两端的参数不一致时，说明车体不再是个整 体了。 目前尝试采用测量车身长度和速度的方法来判断列车状态。一方面通过g p s 追踪 列车，定位车头和车尾，计算出车身长度，另方面利用速度传感器采集车两端的速 度信息这种设计虽然简单，便于实现，但是对g p s 信号的依赖严重，定位误差容易 造成错误判断，在某些环境( 如隧道) 中，接收不到g p s 信息，此时系统就无法工作， 同时以速度作为判据精度也不够高因此该系统采用速度的多阶导数为研究对象，即 以加速度及其增量为判据，在求导的同时对数据起到了初步平滑滤波的作用。尤其是 本系统中g p s 只是提供时间信号，作为时钟校对，用以保证两组对比的加速度信息是 同步的，这种辅助功能降低了系统对g p s 信号的依赖性。如图所示，在车头和车尾分 别安装了加速度传感器，采集加速度信息并计算加速度增量，同一时刻下车头和车尾 的数据有差异时，系统立即报警 利用车载设备对列车运行状态参数进行实时跟踪检溯，根据这些参数利用诊断系 统达到完整性监测的目的列车完整性监测系统是铁路行车安全保障体系的重要组成 部分 韭塞空煎太兰亟堂焦监塞到奎宝整性监嚣丕统 国外高速铁路均以列车监测诊断系统作为其安全可靠运行的基础之一美国的 “蓝虎”内燃机车，日本的新干线、法国的删、德国的i c e 等都实现了完整性监 测的微机化德国i c e 高速列车自检系统，在列车运行过程中能不断检测列车的运行 状态是否正常，记录发生的意外现象，其数据可存储也可用文字或图形显示。一且发 生意外，不仅能够报警，还可以通过i c e 的无线通信系统将消息传送给有关的路段， 使其作好准备现在得到广泛应用的欧洲列车运行控制系统( 简称e i c s ) ，其地面 系统的轨道电路，具有轨道占用检查、沿轨道连续传送地车信息功能，能够进行列车 占用检测及完整性检查 我国在这方面已开始了许多工作，研制出很多适合国情的小型列车监测装置。判 定依据有监测列车尾部风压，比较车头车尾g p s 定位位置等等。例如，“c p 一3 c 型 列尾装置”列车运行监控装置，能够全程监控列车地面实际运行状态，靠的就是列尾 风压装置【1 】 3 系统设计概述 ( 车曩分， n 露酮 l ：刘 ( 车头鼍分l 韶8 齄示 和攮t 图1 1 系统衙圈 列车信号整性监测系统由车头和车尾两部分组成。二者在功能上有统一的方面， 也存在着一定的差别： 信息采集部分； 无论车头设备，还是车尾设备，都包括信息采集部分信息采集部分包括得到 当前所需要的速度、加速度、时间、位置等。这就决定车头设备和车尾设备要包括相 同的信息采集的模块所需要硬件和软件这部分对于车头和车尾设备没有区别。 信息处理部分。 对于采集到的信息，可能包含一定的噪声，需要进行部分局处理( 如滤波) 才 2 北基銮显太堂亟兰焦j 幺塞到奎定整性监圆丕蕴 能够使用。信息处理的功能基本设用软件完成，与硬件关系不大，可以放在两个设备 分别进行处理，也可以汇总到一个设备处理。由于放在一个设备处理会增加这个设备 的开销，也会增加双机通讯的复杂程度因此，该部分更适合放在车头设备和车尾设 备分别进行，二者的设计没有区别 双机通讯部分： 车头和车尾设备的通讯要使用同样的硬件一电台二者的硬件基础和软件模 块基本相同，区别仅仅限于二者分别处于收发功能。因此，本部分二者使用基本相同、 具有功能差异的设计 逻辑处理部分： 本系统的设计中，车头和车尾设备的信息将汇总到车头设备，车头设备将根据一 定的策略进行判别处理本部分与硬件无关，且将只在车头设备中存在 综上所述，本系统的两个部分：车头设备和车尾设备，将使用基本相同的设计 车头设备和车尾设备的在硬件上是完全相同的，它们的软件部分基本相同，不同之处 在于逻辑处理部分，仅在车头部分存在 3 第2 章系统需求分析与设计规划 2 1 需求分析 2 2 1 判断抛车的条件 为了实现对列车完整性的检溺，必须在列车的运行过程中获取足够的信息对 于一列正在行驶的列车，判断列车是否抛车的充分必要条件是车头和车尾两个部分的 相对关系 如果列车在正常行驶的过程中，其车头和车尾将保持着某种稳定的关系如果 列车发生抛车，即列车中间的某个部分发生分离，那么车头和车尾必然将不再保持稳 定的关系 根据车头和车尾判断抛车的因素，主要来自于两个方面： l 车头和车尾的相对位置， 对于正常行驶的列车，当行驶方向是一条直线的时候，那么车头和车尾之间的 距离将等于列车的长度( 该长度可能比列车的长度稍小，具体于检测点的位置由关 系) 当列车在转弯的过程中，车头和车尾之问的距离( 实际也是指检测点之间的距 离) 将小于列车的长度而列车的长度应该是一个已知的因素，可以在列车运行之前 测量得出。 图1 - 2 直线行驶的列车位置 4 图1 3 转弯中列车的位置， 总之，由此可以判断当列车的车头和车尾两个检测点之间的距离大于预期的时 候，列车将处于抛车状态进一步考虑，当检测点的距离将不断增大的时候，抛车的 可能性也更丈 因此，根据位置判断跑车可以从两个方面考虑，个方面是检测点之间的匪离 和标准值的比较，另一个方面是检瀑距离的差分特性，印检测距离的增量，当距离持 续增加超过一定时间时，列车抛车可能性更大 根据差分特性的判断，必须考虑列车由转弯过程到直线行驶的过程中，列车的 长度必然存在增大的过程这一过程与抛车的区别在于，抛车之前距离没有变化，抛 车之后距离才会增大而转弯阶段必然存在距离先减小，然后才会增大 2 、车头和车尾的加速度： 在列车正常的运行过程中，加速度是一个在运行时永远存在的物理量。正常的 运行过程中，在同一时刻，车头的加速度和车尾的加速度是相等的 韭塞窑煎盔堂亟堂僮论塞列主宝整挂些酒墓缝 加速度因素和位置因素的一个重要的不同是：位置因素与列车的行驶有关。而 加速度因素是一个绝对的值即加速度的因素不需要考虑某一列列车的长度，因为对 于任何一个列车，其加速度的方向和大小都和列车的长度无关 由于误差酊存在，在根据加速度判断车头与车尾是否分离的时候，需要保存一 个数据队列i 即不但需要考虑加速度( 单位：矗j 2 ) i 还需要考虑加速度的微分( 单 位：脚，r ) 以匀速行驶的列车为例，该状态下车头和车尾的加速度都是o 当发生抛车后， 车尾将产生一个运行方向相反的加速度这一特点被加速度的监测装置监测到之后， 即可以断定已经抛车 综上所述，抛车的两个条件可以综合考虑，根据一定的策略取其加权值，根据 结果判断是否抛车。 幺2 2 系统需求 在列车完整性检测系统设计中，包括车头和车尾两个部分二者需要遥过双机 的信息交互判断列车是否抛车所需要的信息包括系统所需要的时间、位置、速度， 此信息必须车头、车尾两个设备交互才能起到判断的作用 由此，系统所具有功能包括如下： 1 获取当前加速度( a ) 2 获取当前的位置( 经度和纬度) 和时间( t ) 3 双机交互 4 数据处理 5 逻辑判断 根据系统的功能，列车完整性系统所需要如下内容： a 由加速度传感器获取加速度信息( a ) ； b 由g p s 模块获取位置( 经度和纬度) 和时间( t ) ； c 由电台保证车头设备和车尾设备的通讯； d 本嵌入式系统需要具有加速度传感器、g p s 模块、电台的接口 c 本嵌入式系统需要具有一定存储空间用以存储信息 f 本嵌入式系统需要具有一定数据处理能力对采集到的信息进行后处理 6 磊墓鬈显太皇臻擞茎盈址塞旌警震整缝救舞丕缝 如果将藏个歹l j 车完藏性系统( 龟插车头设备和车尾设备) 看作一个撼体，系统外 部输入外部数据是两组加速度和g p s 信息，内部需要做两个设备的信息交互和处理 麴聚：l 冬车头设冬饔车尾设簧善终嚣令系统，它翻瓣数据滚璎燕下爨示： 强厶l 车头莰器数攘渡 匿徽芈尾设备数据漉 根据系统豹数据流图，车尾设备将自己采集剿豹信息送黧车头，车头设备同样采 集弼一维痿怠。然螽有车头设备穰蕹涎缝信塞遥往逻辑憝毽，秀甄舅事楚否蕹车。 将车头部分、车尾部分和整体( 将车头和车尾视为一个糕体) 构成的系统数据流 图如袭所示： 箱久骧窭 车头 l 、车尾位置、加速度、 列车状况信息 时间的集成信息( 是否抛率) 2 、车头g p s 信息( 主要 为整鐾帮瓣褥) 3 ，来自车头加速度传番 器的加速成信息 卓尾 l ，车尾g p s 信息( 主要车尾位置，加速度、 失整至秘酚颡)粒翘豹集成痿纛 2 、来鸯车头加速度传巷 器的加速度信息 整体系统l 、车尾g 飓信息( 主要列车状况信息 为位重和对翅)( 是否撼率) 7 注：疆土剃避鲍蕊息怒瓤葶在蠢被过程串需臻采集熬售意，在掇据攮鼹兹粼鞭过 程中，车头设蠢还必须知道列车的长发。系统从外部采集静加速度信怠和g p s 数擐 是动态的信息，需要在一定的用期内熙新，丽歹i j 车的长度属平静态信息，只需要针对 每令磁车熬蘩猊逶露一次拣辕久 2 2 系统结构功能期分 峦予车头设蓄移莩爨浚釜在臻筑志蠢羞一窥鹣糖嵇毪。裁鼗在系统结稳珐憝麓 分方面，不需器刻意区分两个系统，可以让使用相同的思路设计车头和车耀两个设备。 系统( 包旗车头和攀麾设备) 的设计直划分为若干个横块在本系统是一个以 嵌入式鲣理嚣凳菝心，鬻麴穗应懿努辫模块，套纛孝上弱嚣穗翔分荛若予伞模袭。农 系统中，很多模块都是软硬件结合在起的，需疆使用软硬件协同设计的思路。 系统具有的功能模块题括： 1 燕速瘦模块； 2 g p s 模块 3 数据处理模块 毒。逻辑舞凝模决( 仗车头设答) 5 ，通讯横块 8 霉2 毒系统模块瓣 设计系绕的内容包播： 1 一个嵌入式处理器为核心的硬件系统； 2 。霹以宠或冬令功貔德疫豹嵌入式掇穆系绫； 3 采藏加速度的加遴度传感器模块； 4 采集g p s 信号的g p s 模块； 6 完成逻辑处理熊中心控制纛黟； 2 3 系统设计流猩规划 在一个完楚的系统的设计过程中，有两种奎嚣的思路；种是自上丽下的设计， 另种是在下瓶上的设计本系统的设计工作比较复杂，涉及的流程也娃：较长，需袋 秩逐令戆电予愆器终务基穑，麴遥爨一令其畜一定逻辑控弱凌裁魏系绞。 在本系统的设计过程中，单纯地使用自上而下的设计或者自下而上的设计都是裔 局限性的： l 、 蘩祭装穗鑫上鬻爹夔设谤，嚣要营建幸鼙逵获终静逻罄，嚣软镣又要蔹赣子 低朦的电子器件，软件的拽划很难充分考虑到硬件的情况，期果遇到硬件 不能满足软件逻辑的情况，上层的设计就会被完全推翻 2 、 懿浆采爱鸯下褥主夔莰译，缺乏整嚣熊辏诱性，浚诗主一蓦懿游壤缀霹熬 需爨重新设诗下一层 ， 接盛奎盈太堂亟土茎焦娥塞烈奎蔑整挂魅邂基筑 综上所述，零系统的设诗分成两个阶段，第一个阶段是平台设诗除莰，第二伞阶 段怒上层程序设计与整台阶段 在平台设诗黔致，采爆警下藕上熬设计器路，童要痰是熟是毫子技术秘嵌入式系 统构建的知识。最终将完成本弼车完熬性检测系统所需要的所有资源。 在上层程序设计与整念阶段，采用自上而下的设计方式，分层完成静项功能，簸 中疯层郏分是幽乎台设计除段霉刭戆。上层熬设诗孛，嚣要斑耀软件工羧孛数据滚分 析靳设计思想，以及嵌入式系统孛实时设计的思憋。 3 8 ，上篡程垮没诗与j r l 平台设诗 键 畿入式袋统霸攘 圈2 _ 4 系统结构图 捌车完愁健捡溅系统黪涉及戆疼辔毙较多，楚一个系统纯数工程。在零系统静 设计中， 核心观点； l 。热速度 2 位餮 3 时间同步 在平台设计阶段，主要分成两个部分： 1 嵌入式系统： 巍入式系统戆设羚弱基魏是携建令程黪遂行豹蓼臻，宅是一切茭它设计鲍 麓础嵌入式系统的设计主要包括：处理器芯片，外围硬件设计、调试系统与软 件、操作系统等 ：g 醛模块 g p s 模块是需要袋集位置和时简信息的功能模块。g p s 模块相对标准化，德 是需要根据本系统的特点进行规划。 l o 韭塞窑基太芏亟圭堂僮谂玄召奎塞蔓性监嗣丕蕴 3 加速度传感嚣模块 加速度传感器模块由加速度传感器得到系统的加速度信息，在本模块的设计 中需要根据加速度传感器的特点，设计相应的硬件接口和程序 ，列车完整性、 检测系统完成 t n ：丽稠 l 二叫 。 幸幸， 图2 - 5 系统结构划分图 h 挫塞窆显太堂亟生 兰焦：i 盎塞到奎定整盎藏墨嚣缝 第3 章核心系统繁构设计 图3 * l 系统架构图 3 1 处璞器芯持选择 3 1 1 嵌入式处理卷概述 嵌入式处壤嚣是嵌入姣系统夔孩- 纂冀瓿鼓零，或者狠必镦控裂舔按寒，已经 在人类生活的方方面面都褥到应用玄特别适用予各种专用的、小型的、省电的、研 移动的设备之巾，构成所谓的嵌入式艨用系统。多年来的快滤发展，它的家族越来越 瘫犬，系裂菇耱越来蘧多，嚣显技寒土各具特色。 处理器作为检测系统的核心部件的选择，它对整个系统的功能优化、成本控制怒 着黧关重要的作用。在选择的过程中，主要考虑功能是否满飚应用系统的要求，开发 繇壤是否其备；建否辘够态分嚣霜攀麓撬海熬疆箨瓷深，霭拖系统熬扩袋，提高稳寇 性；是否有利予一体化设计，在性能指标上留有余地；尽可能要求高性价比，在保诞 系统性能前提下，不过分邈究精度，以降低成本：软件模块设计，便于调试、链接、 参羧秘穆藿。 嵌入式系统的核心是秣种类型的嵌入式处理器。嵌入式处理器的体系结构经历了 从c 勰g 湿杂指令集) 到刚s c ( 耩减指令集) 和c c 暇m a c tr j s c 的转变；位数由4 位、8 熬塞奎噩太竺瑟盘堂位没塞 ：礁奎宸整挂糕蠢歪缴 俄、1 6 位、3 2 位发展弼6 4 位 嵌入式徽控制器一般以某种徽处理器内核作为核心，芯片内部集成了 联臻班翻l 酬、趣潮t j | d 溅、秘麓瓤巍a 艇、慧缓，慧线逻爨、定瓣耕数嚣、琰) 口、 a 趴d a 等备种必要的功能和井设。 3 2 艨l 处理嚣摄述 a r m ( a 龇蛐d s c m 扯h i n c s ) 处理器是目前最为流杼的微处理嚣架构1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国蒯桥，主要出售芯片设计技术的授权丑前，采用a r m 技 零簌诱产较( 撑) 菝瓣徽簸毽器，帮我孵逶零所滋懿a r 醒缴楚霪器，溅遽及工鼗羧 制、消费类电予产品、通倍系统、网络系统、无线聚统等各粪产品市场，熬于a r m 技 术的徽处理器波用约占据丁3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额，a r m 技零 燕京逐步渗入列我 蠢生溪蠹孽各伞方蠢。 a r m 公掰是专门从攀基于r l s c 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供废 商，本身不直接从事芯片缴产，靠转镰设计许可融合作公司煞产各具特色的芯片，馓 ：器务大半导体黧产裔获制t 辩登霉魏哭荚霰诗瓣a 薹泓蒺薤壤器菝，壤蘩备鑫不霹瓣 应用领域，加入适当的外阑电路，从而形成自己的a r m 微处理器芯片遴入市场。目 蔚，全世界有几十家大的半导体公司都使用a r m 公司的授权，因此既使得a r m 技 零获褥更多瓣繁兰方工兵、锈造、软黪魏支撩，义使整夸系缝蔽本降繇，馒产鑫更容 易谶入市场被消费者所接蹙，更具有觉争力 在a r m 系强豹楚壤器孛，嚣秀蓼a r 醚7 燕在芏控赣域孛瘟霜最广泛茨： a r m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位砌s c 处理器，凝适合用于对价位和功耗 要求较高豹消费类应用触m 7 微处理器系列其宥如下特点： l 襄存嵌入笈l c e 一鼯逻辑，诱试嚣发方便。 ， 一极低的功耗，适合对功耗要求较黼的应用，如便携式产晶。 一鼹够提供识9 m 酬 妇的三级流水线结构。 - 健玛密凌舞莠蓑察1 6 诬耱髓嘲务指令集。 一对操作系统的支持广泛，包括w i n d o 螨c e l 妇妪、p a 触o s 等 指令系统岛a 】r m 9 系猫、a r m 9 b 系列和a 欺m 1 娆系列兼容，便予用户的产品 舞缓换代。 主频最高w 达1 3 0 m 讲s ，高速的逡算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用 捌r m 7 系列微处理器的主要应用领域为：工娥控制，h 懈n c l 设备、鄹终和调制 韭藏窆重煮堂亟纛堂焦娥毫旌奎蔗整挂艇釜歪绂 解游器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应鹰 a l 嘲阴雕枞是目前使用最广泛的3 2 位嵌入式砌s c 觳理器。属低端删她 理器挟弧) 锻瓣基本含义为； 瓢支持1 6 为压缩攒令集髓u 靠l b d ： 支持片上d e b u g ； m ：内嵌磺律乘法嚣( 溅u | 蛀唾e r ) l ： 嵌入式l c e ，支持片上断点和游试点； 3 ，3 本系统对处理器的需求 按照一般的应用规则，可以简单| 墩将现有的嵌入式系统分为猡暨个类烈：一种是王 控炎系统，另一种是类似计算机的系绕 在工控系绞孛，瑟对豹莛瀑爱嵌入式熬瘗震。觳系统豹逻髯毙较笼攀，主要怒 对外闰的接口的操作和一魏计算任务在工控类的系统中，一般只需要简单的操作系 统，或者不需要操作系统。核心处理器的功能也不会太复杂，一般不需要太高的主频， 氇零器要m 糕毽等功耱。 对于类似计算机系统的嵌入式系统，可能应用“n u 或者w 玳c e 等负责的操作 系缝，主要的内容集中在网络、用户交短等方面，更多地是上层逻辑的设计。这类系 绞黪浚诗方式镌类戳p c 系统。本类系绕需要支持操传系绞，觳震要带骞艇醛内 存静理单元1 的处理器，也需要较高盼黧频 对于本列攀完整性检测系统，显然属于前者量控系统的范畴。在本系统中，一般 健瘸熊m 刃d m l 懿内孩鹃筮理器，藏剪瑟完成系统豹零求。 下面就本系统的特点，总结出对处理器的需求：a r m 刀m l 的内桉的处理器怒 由内核和外围 殳备所组成的，因此本系统对处理器的需求也分为内核和岁卜嗣设备两个 部分。 内核部分； l 、操作系统的支持； 癌蔹豢代疆建器懿棱心，由予本系统懿功缝穰块魄较多：遴谖、g p 瓢燕速度传 感器，如果采用单一任务的操作系统，系统的设计将非常困潍，因此本系统的处理器 核心应该可以使用多任务豹操作系统 觳懿羽嫱1 7 l d 蠢程核心，帮霹戮支持彗( 淡舔等麓蕈豹攥律系统 激及纛痔整理过稳孛嚣嚣要瓣 缓冲( b i l 妇瞬) 外固部件部分： l 、终瓤串叛裁考攘获 由于在处理器中需累获墩加速度传感器的输出，丽加速度传感器是使用脉冲的矗 空比来输出这个数值的 憝_ 璎器瓣侮获裴占窆魄骞薅静方筵，一静楚软舞方式，嚣秘翅整囊器海萼l 鞫避移 查询，这种方式开锖过大，不适合在嵌入式系统中使用。另种方式就怒使用外部的 中断或者捕获功能，这两种实现方式类似，都是只需要处理器干涉和计时。如果使用 孛鞭凌藐，楚壤器还叠缓莓戳支持书裁茬铡。 2 、定时器( 瓢m c f ) 定时器是操作系统必须要使用的部件，没有定时器操作系统是不能逯作的，无论 菱条懿掇终系统，还是楚攀豹调度痣狻。嚣琵，为了支持撩撂系统，必缀骞一令撵供 时钟接拍的定时器。 如前面所述，在本系统中，加速度传感器必须使用定时器计时才能获取时间，也 嚣黉一令定霹攀。 本系统一按需要两个定时器，对于定时器的精度，一般处理器都欺有主分频釉 1 联 2 位的定时，基本上都可以满足骚求。 3 、t 璇r 零( 逶建事蠢惹线) 在本系统巾，至少需要个u a | h 用于连接e 咿s 模块，j 袅个u | 斌r 不需要r s 2 3 2 完众的功能，硬件流控制功能也不需簧，只需要输入输出( 糊如) 的引脚 燕筹，粼氇是稳生巍p c 连接熬囊方便豹芋爱，吴鸯一令扩爱瓣l 溯鼹浸掰 会为主机目标机的调试撼供很大的方便 综上所述，本系统对处理器的需求较多a 】蛾f 7 n m l 内核的很多的处理器都w a e 墓銮五太茎亟土兰位途塞殂圭完整盐监麴丕蕴 以满足系统的需求，如：s 3 c 4 4 i x ，i 目眩2 1 0 等这些处理器的内核使用方式相同， 外围功能模块会有略微的差别，但是基本的使用方式也是相同的 3 2 外围硬件设计 本节是外围硬件设计的内容，主要关注于处理器周边的硬件扩展。而对于实际上 扩展所需要连接的单元，如( 加速度传感器模块、g p s 模块) 将在下面一章中介绍。 系统的外围硬件是指处理器的扩展，仅有处流器的是不能形成一个具有功能的系 统的这些处理器扩展对处理器的类型以来比较大，主要包括了三种形式的扩展： l ，内部部件扩展：这些只是处理器内部模块必要的硬件支持，没有逻辑功能 2 、g p d 的扩展：利用通用的可编程引脚通过处流器软件编程操作 3 、总线扩展：利用处理器的地址总线、数据总线扩展外部的内存 在系统扩展中，每一种处流器的外围器件有很多的，没有必要将所有的部件都连 接出来，只需要选择本系统所需要的就可以了对于s 3 c 4 4 肋处流器，如果依照其 处理器的特点，扩展外围硬件使之构成本列车完整性检测系统。 系统的结构如图所示。 主机 并口 主机 串口 ，。一 ；f 1 柚s d r a m ； - j i 加速度 传蓐器 模块 圈3 2 系统硬件结构图 电源模块 复位 时钟 g p s 模块 表3 1 系统扩展的硬件： 扩展部件 扩展类型 作用 电源、复位、时钟 | 最小系统必需 j 1 a g 处理器内核扩展 调试、下载程序 h a s h 总线同化程序代码 s d r a m 总线 运行程序代码 存放数据b u 雠r u a l h u 内部部件主机调试 u a r r l 内部部件 g p s 模块 通用引脚g p l o + 中断加速度传感器 3 3 调试系统与软件设计 3 3 1 开发环境 a r m 7 1 d m i 的处理器，使用a d s ( a 咖执：、，c l o ps u i t c ) 作为开发环境。本开发 环境支持c 语言和汇编语言交互编程且该编译环境支持c 语言与标准a i l i sc 非常 类似 使用a d s 将c 语言和汇编的代码转化为二进制的可执行代码，然后利用调试接 口载入处理器运行运行的环境分为调试状态和固化状态两种 在调试状态下，可以通过j 1 a g 下载程序至s d 黜w ，利用主机控制程序的运行 可以设置断点、观测点等 在固化状态下，将二进制代码载入处理器的f l a s h 中，然后复位使程序自动运行。 3 3 2 运算的优化 在本系统中，主要使用的物理量有以下几个，经纬度、位置、时间、加速度在 实际的物理量中，很多都是使用小数来表示的。例如：加速度的范围大致是o 一5 9 培- 9 8 晰，2 为了保证精度，一般加速度的小数点后都会保留2 _ 4 位的有效数字这样，加速 度就是一个小数( 实数) 数据的处理需要使用删处理器来实现，由于处理器的内核是不支持浮点运算 的而在程序可以使用浮点数类型，如：n o 缸、d 伽b l c 等类型 1 7 蕴藏奎亟太差毯塞耄位缝塞到奎宝整挂藏曼薹缴 攀实上，如榘在程序审使甩了浮躐类型( 实型) ，a r m 编译器将调用浮点库来簸 理浮点数调用浮点库的黼数是将每步都使用浮点的方式娥理( 包括赋值、四则邋 算镣) 都转换隽璃惩一组黪法来廷理。零震上是搜翅一系列虢籀令来替代处理器没衡 浮点指令的阕鼷。 由此可见，如果直接使用浮点数，对系统的资源开销是很大的。在本系统中资源 比较蠹隈，嚣戴爨要，嚣爨也可以搜翅更好弱方法处理浮点数。 定点数表涿法； 利用定点数表示浮点数的本质楚使用整型数据代替浮点数，实际上，整形的 数撰哭嚣要知邀夺数点豹像墨羲可以黉荤浮点数 q 1 6 格式； 对于q 1 6 格式，小数点在第1 6 位七，即； 对于一令3 2 经豹二迸龌数，箕1 6 遴潮豹数德为钕5 2 0 ，鲤栗该数毽兔q 1 6 掺 式。那么其小数点的位置实际在5 和2 之阔。 蠢越霉觅该数暴表示豹实际数夔建麟2 c ，转纯为十避铡戆数篷为： 0 譬5 2 cm 5 2 0 + 2 宰2 _ i + 1 2 掌2 - 3 ；s 1 7 1 8 7 5 或者实际使用计算的方式： 溉5 2 c o 晒2 c o + 2 “4 ；5 1 7 王8 7 5 在程序中研以使用q 格式的定点数来表示浮点数。由予本系统特殊性，即不需 要褥霹q 格式爨孽定点数遴行装位操露等诗算。炙嚣要霞耀数据之霾熬魄铰。由蘧霹 以默认将浮点数扩大l o 的貉数次幂倍，使其划为熬数的范畴为。 例如在加遴度需要保襻4 位小数的情况下：原本需要定义 氛隧a o t l = 1 6 2 弘s 实际上可以定义： j n t a o l l 1 6 2 3 4 5 实震上，这是将数豢扩大了王矿镶。垂手王0 4 = 堇挺o o ，这不是一令2 懿莹数。 因此，该表示方法不符合q ! n 格式的数据。 编译器会自动将该十嫩制数转换为内存中的：进制数，计撵的过程也是使用二进 翱缒整数。虽熬这令二遴餐苓是添数字经逑霞移零罄弱熬。餐怒，由予该数獾只是瑁采 计算和比较使用的，不用禚惫它在内襻中占用的格式在本稔序的计算中，将都是用 取熬洋点数的方式，简化处理器的开铺 蠡塞窑重表兰壅盘茎岔泛塞礁至定釜挂藏美丕绂 3 操作系统规麓 3 tl 撩作系统熬傩罔 在本系统中，所谓操作系统不是类似p c 上w 跏d o 懈或者“n u x 那样的功能丰富、 宠簸弱操作系统。和一般深度嵌入式麴系统类似，在本系统哮需要使用操作系统作用 只麓提供一个强务调度的棱心。 在本系统的逻辑中，徽少有g p s 、加速度传感器、数据熟理和逻辑判断等几个方 蕊豹内容，热栗没有多任务调度功麓，任务豹设诗就会穗当复杂如果其寿了多任务 调麟豹搡俸系统，可瑷证备个任务猿务设计，在设计敢焉赣利媚操箨系统豹蠡数将各 个饭务整合在一起 3 毒t 2 赫鑫，o l l 裳嚣重露攘 对于任何附类系统的设计，增加操作系统以厩都会比没有撵作系统熨多地有一贱 受掇毽是捷趱撵终泵统熬好楚是曼聪荔鼹瓣，宅嚣潋连系绫突瑰蒺块能瓣设诗彝谴 试。因此，选择操作系统实际上要考虑上述两个阍题的折中。选择i lc i ，0 s n 作为本 设计的操作系统，主要是考虑到它的寓时性完全可控。 | l 潍珏读藏。整l 汹c o s 2 0 意秀。微撩锲纂攥露装缝数本2 气| l s 辩 怒源码公开的稽名实时内核，可用于番类8 位、1 6 位和3 2 便犟片枫或d s p 。该内棱 已脊1 0 多年应用史，在诸多领域得捌广泛应用。【1 8 】 瑟踊s 镬莲一令完蘩戆、哥移攘、每嚣纯、霹努裁瓣蠢煲式实辩多经务内捩。 ha o s h 使用a n s ic 谬害编写，包含一小部分汇编代码，便之可以供不同架梅的 微处理器使用。至今，从8 位到6 4 假，i l c 托塔_ h 已在超过4 0 种不同架构的微处璁 嚣土运孬。 l ic 徊s ，n 搡作系统程枷7 1 d m l 的移植主黉具有以下优势： l 、主频赢，使得操作系统调度开镝比例很小； 2 、壤鼓没褰聚裁，竞余由麴理痣荐决定 3 、开关中断方便 4 、快速任务切换 3 。毒，2p g 内秘l l 在本豢统的应用 本系统结构。 救粹鼙分 魂件簟舟 翻3 0 列车究整性系统操作系统结构图 移植： 拜e a 潞珏黪移蕴主要分为跨令酚羧： 1 、针对a r m 体系的移植 2 、针对具体芯片的移植 瓣于锌对a 袋m 俸系戆移植，骞覆多麴手段妻簧需要攘攒蠹孩静特熹缓写良下三 个文件： o sc p u h t 2 其中二者的时间差，可以通过测爨通讯时间( 即车头发送指令到车尾接受的时间) 延迟褥劐。 在实际的系统中，遥诫孵闻可能怒徭小静。闲诧在这种情况下，只要牟头车趸的 时间延迟相等( t l = t 2 ) ，就可以保证时间基本是同步的。 在系统时瓣疑步豹过耧孛，有以下嚣个器要诞弱的蛔题； l 、在本系统中，需要保证同步的必有两个设备数据采集的过程。至予数据楚褒、 逻辑判断，都举需要同步。因此保证数据采集的同步就可以寓现系统的骤求 由于车头设备j 秘事您设备数据采集豹软硬撵撄是一致的，鞠就只要采集戆对刻 致，一般来说。：者斡数攒采集酶绪巢就是一致的。在车头与攀尾的数掇采集信号瓣 g p s 部分也需瓣采集时间信号。然而，这个时间储号并不是为了保证二糟时间同步使 薅盼，它只起戮一令辏动静终援。瘁擞据该事终德号，判断数据结果是否胃耀。遮令 过糕是由车头设备来处理的。 当一次运行周期后，率头设备得到本地的数据和来自车熙的数据，可以先比较： 者懿对闯。理论上，只要系统静对瘸瓣步痒慰，二嚣豹薛隧裁怒耀等或者蒸零耀等的， 静数据可以傻掰。如果二畿的时闻耜麓太大，邸说端数据采集在没有傲翮同步。该数 据将被车头设备抛弃。 5 3 系统任务分配 5 3 1 系统任务结构 由于本系统属于嵌入式实时系统，时间的概念缀重要。在设计的过糕孛，基本舔 一个模块是一个任务，因i 墩在各个任务之间的时问分配就非常厦要。每个任务都是一 个戈限熬箨繇，在一定熬射闽段疼执移耱应静功缝，在另终戆曩重阕段内“缝起”，将 系统的控制权交由其它任务。 在某些多任务实时系统中，只需要将各个任务的程序设计完成，确定各个任务的 魏笼缀。然后，建操捧系统控制程务，经务豹调度完全垂 骧份系统完成。德鲡，在一 个系统中，具有入机交互、a d 采集、控制信号、显示等多个模块，可以将每个模块 设计成一个任务，由操作系绕负责调度这样在纛观上看，备个任务似乎是在同时运 戴毫奎曩太堂毯土茎位j 幺塞殛奎蛊基性监翌嚣筮 行的 利用实时操作系统调度多任务的设计理念为实时系统的设计提供了很大的方便 然而，在本系统的设计中，却不能完全依赖于操作系统的调度 闯题如下：一般来说，g p s 和加速度传感器将分别使用两个任务，而逻辑控制也 将作为一个任务，但是g p s 和加速度传感器采集信息是需要时间的，在这段时间内 逻辑控制任务没有一段完整的信息，不能做任何事情。因此，必须依靠另外一个任务： 数据综合处理任务，负责信息的汇总和归纳， 总而言之，本系统的几个任务之间有着明确先后关系，也就是说，任务之间有着 较强的关联性因此本系统不但需要操作系统的对任务调度，也需要任务之间的相互 控镧只有这样，才能保证系统各个任务之间的时间相关性 5 3 2 车头系统的任务 在车头系统中，主要分成四个任务： 1 逻辑控翻任务 2 数据综合处理任务 3 g p s 任务 4 加速度传感器任务 其中，g p s 任务和加速度传感器任务将通过相应的硬件采集加速度信息和g p s 信息各个任务之间的控制关系如图所示： 圈孓6 车头任务时序图 拉塞窑基太堂亟土星位监奎烈奎宝整性监酒丕统 由图中可见，车头系统的几个任务的核心是逻辑控制任务。整个车头系统的运作 一个无限的循环，这个循环的周期是由车头的逻辑控制任务决定的 车头的逻辑控制任务的每个运行周期包括： a - 向车尾发送指令 b 延迟( 此延迟时间可以调整，方法是通过测试得到车头和车尾的最佳同步时 间，此段延迟时间，车头逻辑任务将自我挂起) c 准备获取数据( 打开数据综合处理任务) d 延迟( 等待采集数据结束，这次延迟是逻辑控制任务自我的延迟，与其它任 务没有任何同步或者异步的信号) c 接收车尾数据 f 逻辑判断( 根据车头和车尾的数据进行逻辑判断，确定是否抛车) 5 3 3 车尾系统的任务 在车尾系统中，由于车尾的通讯部分是在被动模式下运行的，即只有车头发送 的指令到达后，车尾才进行自己的动作，因此车尾的通讯部分需要随时处于“查询” 状态的模式下。所以，在车尾的部分中，除了车头的四个任务外，还需增加通讯任务： 1 逻辑控制任务 2 数据综合处理任务 3 g p s 任务 4 加速度传感器任务 5 通讯任务 讯任务 逻辑控制 任务 羹据综合 娃理任务 g r s 任务 加遗度 传曩量任务 竺鐾鞍车又 釉l擀品茹妊函 下一 -髓一 等特准鲁 专藏囊螂 置迟挠 开羹曩综合齄 曩任务 开下晨藏鼍孽 任务合 盈园越图 囊囊 一日- 耀嘞湖 果曩 滋垂矗矗勉i 玉l 图5 - 7 车尾任务时序图 5 3 4 车头与车尾整体结构 车头系统和车尾系统的综合任务如图所示： 报警信号 车头系统车尾系统 圈5 7 车头车尾总体结构图 韭塞窆重式堂煎纛茎焦渔塞型笺蠹整性监置垂藏 在任务瓣分配上，攀头帮车趸系统有区巍。像有籀雹【之娥 相似之处， 1 车头系统和擎壤都具有逻鹈控制任务、数据综合缝理任务、加速度传感嚣 经务藉g p s 浆集任务。它弱之簿静逻髯都莛蠹滗辑控铜任务受责调度综 合数据处理任务，由综合处理任务调腹加速度传感器任务和g p s 采集住 务。 2 系统瓣控截滚舔是获逻耱控裁 王务翻综合廷瑾锓务，霉由综仑楚瑾饪务蠲 加速度传感器任务和g p s 采集任务。 3 系绞的数据滤方向与系统的控制流向反，由加速度传感器任务翱g p s 采 集任务驽数黎综合薤璎强务，再弼逻辩控囊| 霞务。 不同之缝： 车头系统的核心是逻辑控制任务，箍车尾的拨心是通讯任务这是粥为，车尾嚣 簧经蔫逶 l 任务来等德来务车头懿黎令孬对予攀爻系统，聚然氇有逶嘏豹在务，懿 是燕要是由逻辑控制任务来控制整个鬃统，通讯部分只是被逻辑控制任务调用的模块 而穗。 莰系统懿蘩傣来考瘩，车头纛辜嚣系统是蕊令夭撰块，宅锯之麓瓣关系是控裁滚 由率头指向率彪，而数据流从车尾流向车头。实际上，在整个系统中( 包括车头系统 和率尾系统) ，只有车头的逻辑控制任务有时间的概念，车熬控制任务的调度周期即 整个系统豹诱发。整令系绕豹诱度交攀头系统豹逻辑控裁径务懿发送掺令拜始，弱率 头系统的逻辑控制任务判断结束。 在每一次系统调度中，需要完成以下内容： - 车头戮攀蓬第一次指令发送( 采集撵令) ； - 车头和率尾各一缀加速度采繁； 车头和车尾各一缀g p s 采集； 车头秘车蓬各一缀数嚣荣含鲶毽采集； 一车头剿车尾第二次指令发送( 发送指令) ； 一车尾到车头的数据发送； 一车头逻辑粼赣( 魏浆戆车裂掇蘩) ； 表5 - l 率头车尾对廊任务 任务类型车头车尾 遥讯发送撸令 接收指令 筵迟延迟 廷迟 数据采集g p s 数据聚集g p s 数攒聚集 加速度数搦采集 加速度数描采集 数据处理数据处理数据处理 爨藏室基太差萋毒兰焦豫奎瑾生意董挂藏翌蠢绂 l 延迟延迟延迟 l发送指令接收指夸 i接收效据发送教撼 i 逻舞翔粝 | 5 4 系统各任务设计 系统静各个任务采焉| lc 箍i s 懿任务模式，铥务之闺虿酸遴逑弘a o s 蠡每瓤露辐纛 控制和通讯，而且还可以相互抢断。出于本系统的时间先后棚关性比较强，因此将袋 用| la o s 的饺务闽相互控制的功能。 5 3 1 露头逻辑按镧任务 车头的逻辑任务是整个裘统豹核心 逻辑控铡程务需要得戮摇下数据结褥豹数舔 t y p c d c f 蚰qj r 瑚