（交通信息工程及控制专业论文）基于GPRS的大型机械远程测控系统.pdf

j e 瘟銮通太堂亟堂焦i 幺毫生室擅墓 中文摘要 远程测控技术在现代科学技术、工业生产和国防等领域应用十分广泛。无线 远程测控系统是在嵌入式技术的基础上，结合无线通信技术而形成的新型监测控 制系统。 本文研究了大型养路机械电气控制系统。针对其结构特点，从系统总体设计 的角度考虑，结合嵌入式技术，采用g p r s 无线传输方式，构建了基于g p r s 的 大型机械远程测控系统重点研究了系统的结构组成、软硬件系统设计，实现了 基于g p r s 无线通信链路。 本文结合捣固车的工作特点，对捣固车远程测控系统进行整体设计，包括： 车载控制器、地面监控中心和无线通信链路。车载控制器完成信息的采集、存储、 显示、传输；地面监控中心作为信息集中处理设备，内置数据库，完成数据的记 录、综合，远程控制命令的发送等；无线通信链路提供二者间信息传输通道。车 载控制器采用嵌入式技术，硬件电路选用3 2 位s 3 c 帅o x 作为处理器，扩展了 r o m 、r a m 、a ，d 、液晶屏等外围接口；并进行了多串口，c a n 总线的扩展，控 制器通过串口连接g p r s 模块进行远程通信、通过c a n 总线与本车其它模块完成 本地通信。控制器的软件采用“c l i 加xo s 作为操作系统，完成了基于硬件平台的 移植和多串口驱动程序的编写研究了基于嵌入式p c l i n 憾和g p r s 的无线通信系 统，实现了g p r s 无线通信功能，为捣固车与监控中心进行通信提供无线传输通 道。 论文最后对所作的研究工作进行了总结，同时指出了进一步研究的方向 关键词：远程测控；g p r s ；嵌入式；斗c l i n 腿 j e 塞变亟太堂亟堂焦论奎旦s 至r 王 a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fr 锄。把m 瑚s i 嗍饥ta n dc o m lh a sa l a d yb e e nw i d e l yu s e d i l lm o d 锄t c c h n o l o g xi n d l 蚵a lc o 咖l 觚dn a 虹a ld e f b n 咖w i r e l e 懿r 黝o t e m 鲫姗c n ta n d 湖扫r o is y s t 鼬i sa n 烈i v 柚c e dt e c i l i 】d o g 弘b 舔c do na n b c d d e ds ) r s t 锄 舭dw i r e l e 嚣c 0 咖m u l l i 训o nt c c h n 0 1 0 9 弘 f i r s t t h ep 印盯s 嘣嚣t h ee l c c 啊c n b f o ls y s t c l no f l 嘲es i z e d 仃a c km a i n t 吼锄 m 觚五i l l 髓yi nd e t 枷t h 锄，a i l l l 砒i t s 台砒n w ，o r k ，c o 邶i 妇a b o u tm cw h o l es y s 啪，w e b i l i i d i l p as c | o f 舢o t em e 嬲u 舢e m 锄dc 0 曲n o ls y s t 啪f o rl 缸g ps i z 。d n 翟c k - m a i n t 锄a n m 幽e b 鹤e do n 锄1 b c d d c dt e c h n o l o g y 锄dg p r sw i r e l e 船 c c 旺n m l l i l i 酬o nt e c b r l o l o g ym a i n l y 如c t 玛o ns t m c t i l o ft h ew h o l cs 坶唧，h a r d w a r e 锄d 胁a md 鹤i 弘o ft l l e 嘶a f dc o n h d l l s t l l d i 鹤a i l d 舰l i z e dg p r sw i r e l 瞄s c 0 i i l m l l n i c a n o ns ”舱m t h es y s t 锄c o i s 协o ft h r s u b s y s t a n s ：t h e0 n b o a r dc o m r o l l 盯s y s t 即呜m e g f o u n ds u p 硎s i o nc t a l l dw i r c i e 鼹c 椭m u n i c a t i s y s t 锄t h eo n b o a r d c o l l 舡0 1 1 盯a c 唧l i s h 岱d a t ac o l l e c t h l 岛出l 诅m 锄0 r i z i 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采集与处理功能：主要是对生产过程中的各种模拟或数字量进行检测、采样 和必要的预处理，并以一定的形式输出，如打印报表、显示屏和电视等，为现场 人员提供翔实的数据 监督功能：将检测到的实时数据、以及生产人员在现场发出的指令和输入的 数据进行分析、归纳、整理、计算等加工，作为实时数据和历史数据加以存储。 管理功能：利用已有的有效数据、图像、报表等对工况进行分析、故障诊断 等，并以声光电的形式对故障和突发事件报警。 控制功能：在检测的基础上进行信息加工，根据事先决定的控制策略形成控 制输出，直接用于被控对象”。 远程测控系统可以将企业内部的信息网( h l 仃锄e t ) 与控制网有效地连接起来， 实现对生产、运营情况的随时掌握，把生产运营状况同企业的经营管理策略紧密 结合，实现企业的综合自动化。通过远程监控可以实现现场运行数据的实时采集 和快速集中，获得现场监控数据，为远程故障诊断技术提供物质基础；通过远程 监控，技术人员无须亲临现场或恶劣的环境就可以监视并控制生产系统和现场设 备的运行状态及各种参数，从而减少值守工作人员，最终实现远端的无人或少人 值守，达到减员增效的目的。 远程测控系统一般由监控中心、远程测控终端和通信链路三部分组成。监控 中心由相应的监控软件负责控制管理整个系统的运行；远程测控终端采用m c u ( m i c f o o 咖i l e f u l l i t ) 或d s p ( d i 百t a ls i 鲈a lp r o o 韶s o r ) 可独立运行的智能测控模 块，完成各种远程现场数据的采集与处理、现场执行机构的控制以及实现与远程 控制中心的通信；通信链路负责完成远程测控终端与监控中心的双向数据通信。 1 2 基于g p r s 技术实现无线数据传输的研究 通信链路的实现根据实际需求和应用对象的不同有多种实现方法。通信链路 的实现可以分为有线和无线两类，其中基于g p r s ( g 蜘c 糟lp a 凼tr a d i os 盯“， 通用分组无线业务) 的传输方式属于无线链路数据传输方式。g p r s 通信充分利用 现有的网络资源，可以实现数据高速、大容量传输。同时由于g p r s 网络自身的 优势，使得基于g p r s 的测控系统具有实时在线，按流量计费、快捷登录、传输 速度高、使用费用低等特点。 1 2 i 当前国内外研究概况 国外由于g p r s 网络建成开通时间比国内要早，在g p r s 无线数传技术的应 用研究也比国内起步早在基于g p r s 的测控系统研究方面，很多研究成果已经 投入使用。除了利用g p r s 技术开发的终端能够实现对实时数据无线传输外，很 多企业也开发了可以传输图像信息的无线设备。如瑞士的p a c k e t v i d 公司通过使 用g p r s 开发出了能够传输多媒体信息的p d a 和能够传输图像和数据信息的便携 式数据采集分析仪器。德国柏林市对城市中交通拥挤的路目使用g p r s 实时图像 监控。世界上一些著名的汽车制造商也在开发利用及g p s 和g p r s 技术为一体的 车载定位调度系统。可以应用在特种车辆如运钞车、警车、消防车和公交车等车 辆上啪。 目前，国内的一些高科技企业和科研院校对于g 聃峪无线数传技术的应用研 究主要集中在g p r s 无线m o d e m 和基于g p r s 的无线s c a d a 系统研究并 且己经取得了巨大的进展。截止到现在，国内的一些企业己经开发出来g p r s 无 线数传m o d e m ，并以成功地投入到实际应用当中如深圳依天科技、上海蓝峰 电子技术、厦门桑荣公司开发出来的g p r s 无线数传m o d e m 。这些无线数传g p r s m o d e m 己经成功地使用在远程抄表、环境监控和城市公交调度等远程监控系统 中 从上面可以看出，国内外对于利用移动网络g p r s 技术实现无线数传的研究 相当活跃，并且一些企业己经实现了产品化。针对竞争激烈的市场，降低生产成 本，实现测控系统的微型化、集成化，将是未来的发展方向。本课题利用嵌入式 操作系统阅i 慨和a l n l 7 微控制器，实现远程测控系统中的g p r s 无线通信模 块以及数据的采集、处理、控制，使其系统功能集成化和微型化。 1 3 本文选题背景和研究内容 2 1 本文选题背景 随着国民经济的快速发展，铁路运输起着越来越重要的作用然而，铁路线 路长时间的运行和自然条件的作用，会不可避免的发生变形或损坏，出现线路水 平方向和垂直方向发生错位的现象，影响行车安全为确保列车安全、平稳、快 速的运行，消除或减少轨道的不良变化，要对铁路线路进行养护和维修，使线路 设备经常保持良好状态抄平起拨道捣固车( 业界简称捣固车) 就是一种用于铁 路线路自动化养护的大型养路机械，通过对轨道线路进行拨道、起道超平、石渣 捣鼓以及夯实作业，使轨道线路方向、左右水平和前后高低均达到线路设计标准 或维修规则的要求，保证列车的运行速度与行车安全” 现有捣固车能较好的养护铁路线路，为铁路运行提供保障。但是在现场实际 中，也发现了一些需要完善的方面： ( 1 ) 捣固车不能是一个独立的实体，应该与外界交换信息。捣固车在运行状 态下与其它机械连挂进入工作区域，到达工地点后即开展工作。经过捣固车的复 杂作业后，需要将捣固车作业后线路的状态参数反馈给铁路有关部门，以便分析 评估捣固车作业质量，同时也应当接收铁路有关部门发送的有关线路参数信息。 这都要求捣固车不能是一个独立的实体，应该与外界保持必要的信息通信。 ( 2 ) 捣固车工作的特殊性，给操作人员的舒适度带来很大影响。 例如常规0 8 3 2 型捣固车的作业方式为“定点式”捣固，即一次捣固循环周期 为：主机运行一主机制动一捣固镐振动下插一捣镐枕下夹实一捣镐提升一主机运 行，共五个环节。捣固车的频繁制动运行、捣固搞频繁下插提起、捣镐枕频繁下 夹实，使捣固车持续工作在颠簸状态下，恶化了操作人员的工作环境因此可以 通过远程测控系统，技术人员无须亲临现场而远程监视并控制捣固车工作，实现 远端的无人或少人值守，达到减员增效的目的。 ( 3 ) 工作环境的恶劣以及频繁的振动，使部件更易发生损坏。因此需要对捣 固车的关键部件进行实时监控，根据现场发送的实时数据，随时了解捣固车运行 一状态，及时发现捣固车隐患，避免发生故障。 ( 4 ) 捣固车电气控制系统的数字化改造问题。我国现有0 8 、0 9 系列捣固车 的作业控制系统大多采用模拟电路，结构复杂、故障率高，往往影响现场工作， 因此采用新技术对其改造，势在必行。 2 本文研究内容 本文以大型养路机械一一捣固车为研究对象，从系统总体设计的角度考虑， 构建一套远程测控系统。重点研究了系统的组成、完成了软硬件平台的设计、实 现了基于g p r s 无线数据链路主要做了以下工作： ( 1 ) 阐述了远程测控技术以及国内外基于g p r s 无线数据传输技术的研究和 3 发展状况。并由此提出了针对捣固车的远程测控系统设计了系统的结构组成， 研究了各组成部分的功能及实现方案 ( 2 ) 完成车载控制器软、硬件系统设计，包括核心电路、多串口扩展、c a n 通信以及数据采集模块：并针对硬件平台移植了p c l i 眦操作系统，完成了多串口 驱动的编写 ( 3 ) 研究了基于g p r s 无线数据传输技术，实现了基于闷i 玎_ 强的g p r s 无 线通信链路。 ( 4 ) 最后总结论文所作工作，指出进一步努力方向 4 j e 哀交通太亟堂位论塞 2 远程涮控丕统逡让 2 远程测控系统设计 本文以大型养路机械一一捣固车为研究对象，针对捣固车作业控制特点从系 统总体设计的角度考虑，构建了基于g p r s 的大型机械远程测控系统，进行了系 统的总体设计，研究了各组成部分的实现。 2 1 捣固车电气控制系统 捣固车用在铁道线路的新线建设、旧线大修清筛和运营线路维修作业中，对 轨道进行拨道、起道抄平、石渣捣固及道床肩部石渣的夯实作业，保证列车安全 运行常见的捣固车有0 8 型步进式捣固车和0 9 型连续式捣固车。本文是针对0 8 型捣固车研制开发的远程测控系统，但预留了升级接口以适合0 9 型捣固车为了 分析监控系统的功能与组成，有必要对捣固车电气控制系统进行介绍嘲 0 8 3 2 型捣固车的电气系统担负着全车各种作业的控制任务。它是整车的大 脑，直接指挥各种作业从电路控制而言，它涉及到模拟控制、数字控制、计算 机、软、硬件控制以及电器控制等方面。 整车的电气系统分为作业控制系统和辅助控制系统两大部分我们只关心与 捣固车工作密切相关的作业控制系统。 作业控制系统分为程序控制系统、捣固控制系统、拨道控制系统、起到抄平 控制系统和轨道参数自动处理系统( g v a ) 等。 程序控制系统担负着全车的逻辑控制和逻辑联锁。机械的各种操作，如作业 行走、制动、捣固、起道、拨道、夯拍等均是在程控系统的统一指挥和协调下进 行的。 捣固控制系统可以精确地控制捣固装置的下降、提升，并与下降深度、捣固 深度传感器构成闭环系统，在程序控制系统的严格控制下进行捣固作业，并将捣 固装置的位置信号反馈到程控系统，供程控系统进行逻辑控制和联锁。 拨道控制系统用于完成轨道的横向移动。在程控系统的控制下，液压伺服阀 动作，执行机构将轨道拨到要求的位置。 起道抄平系统则是针对轨道的超高和纵平。通过输入的轨道基本起道量和超 高值，并与辅助给定信号一起送入相应侧的起道伺服控制电路。伺服控制电路在 程控系统的协调控制下完成起道作业。 轨道参数自动处理系统为拨道控制系统和起道抄平系统提供当前作业点的5 个工作给定值：拨道正失、基本起道量、起道减少值、作业区理论超高和前端理 j e 京窑道太亟堂僮论玄2 远程测蕉丕统设让 论超高。 2 2 捣固车远程测控系统特点 捣固车是一个独立的工作实体，作业过程繁琐，工作环境恶劣，电气控制系 统复杂捣固车的远程测控系统有以下特点： 系统中应该有与机车本身各个模块相互通信的接口； 系统应该满足作业参数采集、显示以及远程控制等功能： 系统应该有足够的外部传感器接口，用以连接各种传感器，以便获取机车的 重要信息； 应该具有大容量的存储空间，对运行数据予以记录； 系统应该具有强大的本地和远程通信功能，保证车体和监控中心信息的交互； 铁路施工现场环境恶劣，对控制系统设备的可靠性有较高的要求，满足工业 控制的标准； 控制系统要有快速处理信息的能力，要具有实时性。 2 3 远程测控系统设计 根据捣固车远程测控系统的特点，系统不但具有机车作业状态检测、作业后 线路状态采集等功能，还应具有远程通信、简易控制功能 完整的远程测控系统包括三部分：车载控制器、通信链路及地面监控中心。 车载控制器完成信息的采集、处理、显示以及信息的发送；地面监控中心负责机 车状态的监控、数据信息的存储、控制命令的发送等；通信链路以某种传输媒介 将车载控制器和监控中心连接起来，完成数据的传输。系统结构如图2 1 所示： 某种传输媒介 r i 车载控制器 p 二：二二二二二二= 二二二耐 墙面r l 控中心 l l j 双向数据传输l 一 图2 1 系统结构组成 2 3 1 通信系统设计 在控制系统的解决方案中，通信方式是首先需要确定的内容。采用何种通信 方式，将直接影响到车载控制器和地面控制中心的组成形式。例如：如果采用数 传电台，那么终端就要相应配置数传电台，中心则有一台计算机连接数传电台即 6 北京交通太亟堂焦论毫2 亟握测控基统遨让 可。 在本系统中，首先可以明确的是捣固车的工作范围很广，所以无法采用有线 通信，如以太网、总线、电缆等。故本系统中的通信方式应该选用无线方式 目前国内外采用的通信方式有：无线电台、卫星通信、数字集群通信、g s m 短信、g p r s 网络” 无线数传电台是传统的方式，也是最常用的通信方式计算机和数传电台 通过串口传输协议进行通信通讯距离可达3 l o 公里，连接简单数传电台的 建立是专网，同公网比，费用较低，组网方便，传输快捷，有良好的实时性，符 合工业应用要求。但是电台专网的建立需要当地( 市级) 无委会提出书面申请， 指配业务频点建立和维护电台基站的成本高，不利于推广 卫星通信方式是利用卫星基站的转发功能，实现远距离覆盖通信。卫星通 信覆盖面广。可以覆盖全国乃至全球范围，但卫星通信系统设备复杂、成本高、 通信费用昂贵，适合军用。 数字集群通信系统是多个用户共用一组动态分配的无线频道的移动通信系 统。其特点是频率共用。它将有限的频率资源动态的、自动的、最优的分配给系 统内的用户，从而使资源能够充分利用。它是从常规通信方式上发展起来的。与 常规通信方式相比，集群系统采用频率共用技术，使原来通信网独立使用频率的 状况，改变为指派一组频道分配给若干网共同使用。通信网一次性建设投资、通 信不收费，但是集群通信网，系统容量有线，覆盖范围小( 仅几十公里) ，无法保 证大范围通信传输4 g s m ( g l o b a ls ”t 锄矗) rm o b i l ec o m 蛐m i c a t i o n ) 蜂窝移动通信系统，综合 利用了移动通信技术、网络技术、数字信号处理、计算机处理技术等研究成果。 g s m 无线移动网络覆盖范围广、技术成熟、保密性好。短消息是g s m 网所提供 的电信业务之一短消息是指长度不超过1 6 0 个字符的文本信息，传送给移动台 的短消息在用户识别模块( s i m ) 上存储由于短消息传输用的是信令信道，采用 的存储转发方式与话音、数据传输需要建立连接相比，不占用业务信道，但是短 消息的传输会发生网络阻塞、传输量也有限” g p r s 是基于g s m 网络的通信网络，与g s m 电路交互相比，g p r s 引入了 分组交换能力，具有永远在线、按流量计费、传输速度高等特点，可以提供连续 的、双向数据通信。适合在本系统中应用“”。 各种通信方式的比较： 表2 1 通信方式的比较 无线电台卫星通信集群通信g s m 短信 g p r s l 建立投资 无无高无无 7 运行费用无很高无中低 覆盖范围 很小 很广 小 广 广 系统容量 小 很大 大 大大 数话兼容 难难 易易易 可靠性低低低高高 信息类型蓝一单一单一苴一丰富 通过以上的分析，比较，可知利用基于g s m 网的g p r s 服务具有投资少，网 络覆盖范围广、终端设备简单、网络可靠性高、传输速度快、服务便宜、接入方 便等其它系统难以比拟的优点 放本系统选用g p r s 作为车地问通信方式 2 3 2 车载控制器的选择 在通方式确定后，需要考虑车载控制器的选择。作为工程机械捣固车的车载 设备，由于其工作环境恶劣需要频繁制动运行、持续颠簸振动以及机车内空间限 制等因素，不适合采用工控机。因此可以采用功能定制、可靠性高的嵌入式系统 可以满足测控系统要求 1 车载控制器硬件模块选择 嵌入式系统的核心是各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 i s c ( 复杂指令集) 到r i s c ( 精简指令集) 和c 伽叩a c tr j s c 的转变；位数由4 位、8 位、1 6 位、3 2 位发展到6 4 位。 从应用的角度划分，嵌入式处理器包含以下几种类型1 ： ( 1 ) 嵌入式微处理器( e m b o d e d m i c r o p f o c c s s o r u l l i t ，e m p u ) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机的c p u 在应用中，将微处理器装配在 专门设计的电路板上，只保留与嵌入式应用有关的功能，大大减少了系统的体积 和功耗。并且在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面做了增强，满足工业现场 的要求。 嵌入式处理器目前主要有删、p o w 盯p c 、m 妒s 、a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 系列 等。其中a r m 在3 2 位嵌入式处理器中占据着8 0 左右的市场份额。 a r m 结构的关键优点是在兼顾高性能、低功耗、低价格等方面做得比较好。 a r m 的高性能表现为其体系结构是基于r j s c 流水线架构，它的指令系统和 相关译码机制比那些采用复杂指令系统的计算机( c i s c ) 简单得多。 流水线结构可以使所有的处理部件和存储器系统连续操作，典型情况是当 条指令正在被执行时，后一条指令正在被译码，第三条指令同时从存储器中取出。 8 j 慑m 微处理器目前包括下面几个系列：a i t m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m l 0 e 系列、s c o 他系列、h l t 茁的x s c a l e 、i r i 嘧的s 灯o n 沫m 除了具有删体系结构的共同特点以外，每一个系列的a i t m 微处理器都有 各自的特点和应用领域 a r m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位l u s c 处理器，最适合用于对价位和功 耗要求较高的消费类应用a i 【m 7 微处理器系列具有如下特点“4 ： 一具有嵌入式i c e r t 逻辑，调试开发方便。 一极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品 一能够提供o 9 m 口s m h z 的三级流水线结构。 一代码密度高并兼容1 6 位的1 r h 瑚1 b 指令集。 一对操作系统的支持广泛，包括w 访d o 粥c e 、l i i l 强、p a l i i lo s 等。 一指令系统与删9 系列、a 蹦9 e 系列和a r m l o e 系列兼容，便于用户的 产品升级换代 一主频最商可达”o m 坤s ，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应 用。 a 础v | 7 系列微处理器包括如下几种类型的核：a r m 7 1 d m i 、a r m 7 t d m i s 、 a r m 7 2 卯、j 娘m 7 e j 其中，a r m 舢i 是目前使用最广泛的3 2 位嵌入式r i s c 处理器，属低端a r m 处理器核。 本文所使用的s 3 c 4 4 8 0 x 属于该系列的处理器。 ( 2 ) 嵌入式微控制器( m i c r o o a 昀l l 盯u n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器是将整个计算机系统集成到一块芯片中嵌入式微控制器一 般以某种微处理器为核心，内部集成r o m 、r a m 、总线逻辑、定时器等各种必要 功能模块与微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减少，从 而使功耗和成本下降，可靠性增加。 嵌入式微控制器目前的品种和数量繁多，比较有代表性的通用系列包括8 0 5 1 、 p 5 l x a 、m c s 2 5 l 、m c s 9 6 l 、m c 6 8 h c 0 5 l l 1 2 ，1 6 等。 ( 3 ) 嵌入式d s p ( e m b c d d c dd i g i t a ls i 印a lp r o c 龉8 0 r ，e d s p ) d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算法， 编译效率较高，指令执行速度较快。嵌入式d s p 处理器的长处在于能够进行向量 运算、指针线性寻址等运算量较大的数据处理。 嵌入式d s p 比较有代表性的产品是1 奴b s 劬l m 钮t 的1 m s 3 2 0 系列和 m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 0 系列。 d s p 的设计者们把重点放在处理连续的数据流上。如果嵌入式应用中强调对 连续数据流的处理及高精度复杂运算，则应考虑选择d s p 器件。 9 ( 4 ) 嵌入式片上系统( s y g t 锄o nc l l i p ) 随着v l s i 设计的普及和半导体工艺的迅速发展，可以在一块硅片上实现一个 更为复杂的系统，这就是s 0 c ( s y 懒no nc h i p ) 。各种通用处理器内核和其它外 围设备都将成为s o c 设计公司的标准库中的器件，用v 】旺i l 等硬件语言描述。整 个嵌入式系统的大部分都可以集成到一块芯片中，有利于减少体积和功耗，提高 系统的可靠性 根据捣固车远程测控系统的功能要求和实际需求，本控制器的硬件模块选择 a r m 7 t d m i 系列的微处理器。 2 车载控制器操作系统的选择 由于本测控系统需要完成复杂的系统功能，所以需要操作系统来完成各任务 的调度。常用的操作系统有v x w b d 岱、q n x 、p a l n lo s 、黜w sc e 、嵌入式i j n l l 】【 m c l i n 隧以及心o s “”。 由于我们所选用的微处理器a r m 7 1 d m i 不带m m u ，因此操作系统的选择就 集中到“c o s i i 和| c l i 棚x 上。 ( 1 ) 脚s 操作系统n 叮 u c ，o s 是源码公开的免费型实时操作系统内孩，支特6 4 个任务。它的大部 分源代码都是使用c 语言编写，有很强的移植性。它的内核功能丰富，具有可裁 减性，用户可根据自身需要进行配置编译条件，将实时内核裁减到满足自己功能 的最小状态。但是，u c o s 1 1 只是一个实时操作内核，仅仅包含了任务调度、任 务管理、时间管理、内存管理、任务间通信和同步等基本功能，在实际应用中， 需要针对具体的需求对u c 0 s i i 进行功能扩展，包括底层的硬件驱动、文件系统、 用户图形接口等。 ( 2 ) i c l i n u x 操作系统“” 肛c l i m 就是m i c r o c o n 们1 l i i m x ，字面上的理解就是“针对微控制领域而设 计的l i l i 峨系统”心l i n l l ) 【针对n o m m u 的特殊处理，即p c l i n 憾不能使用处理 器的虚拟内存管理技术肛c l i n 弧仍然采用存储器的分页管理，系统在启动时把实 际存储器进行分页在加载应用程序时程序分页加载。但是由于没有m m u 管理， 所以实际上“c l i n 慨采用实存储器管理策略( r e a lm 锄e o r y m a i l a 蹦n e m ) 车载控制器选择u c l i n 腿作为o s 平台，主要考虑是a r m 7 1 d m i 是不带m m u 的处理器，而心l i n u x 是适合于微控制领域的r 1 d s ，以及删i n 吸的实时性和方 便性。 2 3 3 监控中心设计 1 0 在通信方式和车载控制器选型确定后，我们进行了控制中心的设计“由于 g p r s 是通过网络传输信息的，移动终端也是通过移动网接入i n t 咖e t ，所以控制 中心只需有一台能够接入h b 咖d 且固定p 地址的计算机以及配备必要的数据库。 在本文中，监控中心不是重点研究内容，仅作简单介绍。 2 3 4 远程测控系统组成 通过详细的分析、比较，完成了远程测控系统的总体设计：g p r s 无线通信方 式、嵌入式车载控制器硬件平台、实时操作系统肛c l i n 峨、控制中心。最终控制系 统的结构如图2 2 示 图2 2 远程测控系统结构图 2 4 远程测控系统功能分析 无线链路 l 远程测控系统中，最重要的功能模块是移动车载控制器和g p r s 无线通信链 路。车载控制器除了实时采集、显示参数数据，还为控制器和控制中心提供无线 通信接口。g p r s 无线通信链路为车载和地面提供通信手段。监控中心负责信息的 接收、存储及控制命令的发送等功能。 2 4 1 车载控制器功能 根据捣固车的工作原理以及本身电气控制系统的功能特点，车载控制器应该 具有以下主要功能： 1 参数采集 作为一个控制系统，首先需要获取机车的运行状况，及时发现存在的隐患， 避免发生故障需要采集的状态参数有风冷系统的捧气温度、发动机机油压力， 制动器压力、液压油温度、燃油量、蓄电池电压等这些参数对捣固车工作的可 靠性和准确性起着重要作用 其次需要通过脉冲速度传感器获取捣固车的定位信息以及作业后线路状态参 数信息。 这些参数通过不同的传感器传送到控制器的采集端口 2 输入功能 可以通过人机界面输入捣固车类型、编号、工作区段、作业操作人员名称、 日期等基本信息这些信息一方面在车载显示单元显示，一方面传送至q 监控中心 进行记录保存 3 显示功能 采集的信息、输入的参数应该在车载控制器和监控中心显示车载控制器将 各种参数在车载l e d 显示，使操作人员得到系统的直观信息。显示模块除了正常 的显示功能外，在出现异常时，也应对操作人员警报、提示 4 错误处理 车载控制系统应具有简单的差错标准，结合机体本身的状态作出报警或者自 动纠错的功能。报警可以是声音的或者闪烁的，便于引起注意。 5 通信功能 通信功能是车载控制器中最重要的功能单元。车载控制器的通信功能包括两 方面：1 本地通讯，使用c a n 总线与车载其它电子设备通信2 是远程通信功能， 使用g p r s 连接控制中心，进行信息的交互和命令的发送 2 4 2 地面监控中心功能 控制中心作为机车信息集中处理设备，其主要任务是内置数据库，对捣固车 信息、线路信息记录、处理、综合，远程控制命令的发送等功能。 与车载系统建立网络连接 接收车载控制器发来的数据并形成数据库 数据查询功能 对收到的线路数据进行图形化显示 生成报表 发送捣固车控制命令，遥控捣固车作业 监控中心软件结构图如下示： 北京交运本亟堂焦论塞 2 远程测撞丕统设让 广_ = t s e o p c 獭 数= = = 爿显示与查询 ，l 卜k据+ 。，入 据 e 处 库 p t 理 = = ：划分析形或报表协 接 议 a 一 图2 3 地面监控中心软件结构 监控中心实现g p r s 信息的接收、保存以及控制命令的发送，设计语言可采 用c 卜 。c - h 语言应用灵活，功能强大，并对网络编程和数据库有强大的支持。 由于通过g p r s ，监控中心可以直接访问互联网，所以监控中心并不需要再设 置g p r s 模块。中心只需通过软件帧听网络，接收g p r s 无线模块传来的t c p ，u d p 协议的口包、发送监控中心控制命令，实现与g p r s 终端的口协议通信接收 到的信息要保存到中心数据库中，以备查询历史数据数据库采用a c c 髓s ，通过 s o c k c t 编程接收网络终端信息本设计中采用面向连接的数据报文式s o c k e t ，对 应于有连接的t c p 服务。 3 1 嵌入式系统 车载控制器硬件系统设计 嵌入式系统是嵌入式硬件与软件的统一，它是以应用为中心，以计算机技术 为基础，软硬件可裁剪，从而能够适应实际应用中对功能、可靠性、成本、体积、 功耗等严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统一般具有如下特点n 刀： ( 1 ) 系统内核小。由于嵌入式系统通常运用于小型电子装置，系统资源相对 有限，所以内核较之传统的操作系统小得多。 ( 2 ) 专用性强软件系统和硬件的结合非常紧密，通常只执行特定的功能。 ( 3 ) 系统精简。嵌入式系统的软硬件设计都很高效，量体裁衣、去除冗余。 ( 4 ) 实时操作系统的支持。嵌入式系统的应用可以不需要操作系统的支持而 直接运行，但是为了合理的调度多任务、充分利用系统资源，用户必须选配实时 操作系统，以保证程序执行的实时性和可靠性。 ( 5 ) 嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境。开发工具和环境一般基于 通用计算机的软硬件设备、逻辑分析仪和信号示波器等。 嵌入式系统是硬件和软件的统一体。硬件主要是由嵌入式微处理器和微控制 器组成的开发板，软件包括r 1 d s 和系统应用软件“”系统结构如图3 1 所示。 嵌入式处理器系统： 嵌入式处理器 各种类型的存储器 模拟电路及电源 接口控制器及插件 嵌入式软件系统： 实时操作系统( r t o s ) 板级支持包( b s p ) 设备驱动( d e v i c ed r i v e r ) 协议栈( p r o t o c o ls t a c k ) 应用程序( a p p l i c a t i 蚰) 处理器是嵌入式系统硬件部分的运算核心；存储器( r o m 、兜a m ) 用来保存 可执行代码，以及中间结果；模拟电路及电源形成对系统的必要支持；接口控制 器及插件完成与系统外部的信息交换。 应用软件用来完成系统的主要功能，它可以有单独的一个任务来实现，也可 以由多个并行的任务来实现“蚰。 1 4 实时操作系统用来管理应用软件，并提供一种机制，使应用任务高效、实时 的运行 独立于硬件的软件 应用程序 i ，o 系统r 1 o s 函数库 l 一 t c 叭p 协议 文件系统 l 吣内核l 娶 硬件抽象层；b s p 和设备驱动 s c s i 驱动f i a s h 驱动m m u 驱动i c b e 驱动串口驱动网口驱动其它驱动 i硬件 i 图3 1 嵌入式系统结构 3 2 车载控制器硬件模块设计 3 2 1 核心电路模块设计 1 s 3 c 4 4 踟x 处理器特点 在本系统中，我们的主控c p u 采用的是具有a r m 7 t d m i 内核的s 3 0 “b o x 。 s 3 c 4 4 b o x 是s a m s 嘲g 公司生产的1 6 3 2 位砌s c 的a r mc p u ，它采用嵌入 总线结构s a m b a 2 ，最高主频达6 6 砌z 。其片上资源有： 内核带有8 k c a c h 。； 可选的内部s r a m ； l c dc o n 仃o l l e f ( 最大支持2 5 6 色s t n ，使用l c d 专用d m a ) ； 2 通道u 越盯； 2 通道通用d m a ； 外部存储控制器( 芯片选择逻辑，刚e d 0 s d r a mc o n 打o l l 神； 5 个p w m 时钟和1 个内部时钟； 看门狗时钟； 7 l 路通用i ，o 口； 8 路外部中断源； 带日历功能的实时时钟l 盯c ； 8 通道1 0 位a d c ； 片上带p l l 的时钟发生器； 其片上资源能够满足本系统功能要求 图3 2s 3 啪o x 逻辑框图 2 车载控制器硬件电路设计 作为一个实际的应用系统，只有c p u 是远不能满足要求的，我们还应根据实 际需要为系统添加必要的外围电路叫1 本车载控制器的硬件结构如图3 3 所示。 从图中可以看出车载控制器应该包括以下资源： 外部存储器：2 mb y t 龄的f l a s h ，8 mb ”鹤的s d r a m 。 数据采集模块：数据采集模块用于采集作业后线路方向、水平等信息以及车 体的一些关键信息 接口模块：包括人机接口、l c d 接口、串行接口以及c a n 总线接口。其中串 口在该系统中显得尤为重要，g p r s 模块要通过串口工作，其它模块也需通过串口 1 6 传输数据为了便于系统的升级与完善，本系统进行了多串口的扩展。 数据采集模块采集到机车的定位信息、轨道参数信息后，在系统c p u 的控制 下通过串口由g p r s 模块传送到地面监控中心 图3 3 车载控制器硬件结构豳 ( 1 ) f l a s h 接口电路 f l a s h 连接电路如图3 4 所示芯片h y 2 9 l v l 6 0 通过n g c s o 与处理器相连。 h y 2 9 i ，v 1 6 0 是可以配成l m 1 6 位或2 m 8 位的c m o sf l a s h 存储器。在 本系统中，将配成l m 1 6 位的存储器，故将o m 【1 ：o 】配成o ：l ，即本b 觚k o 的 总线宽度为1 6 位。在1 6 位数据总线的情况下，f l a s h 的地址线a 啦a 1 9 与c p u 的 地址线a l 叫也o 相连。f l a s h 的地址空间为o x 0 0 0 0 0 0 0 0 o x 0 0 2 0 0 0 0 0 。 s 3 0 “b o ) ( l y 2 9 l v l 卯 f l 缸h a d d r e 2 0 ：1 】a 【1 9 ：o 】 d a 似【1 5 ：0 1 d a t a 【1 5 ：o 】 d q f l 5 ： o m 【o 】 o m l l l n g c s o n c e 日o e n o e n w e n 晡，e 图3 4f l h 连接电路图 f l a s h 存储器的最开始存储的是名叫b o o tl o a d 盯的一段小程序。该程序约 8 0 k b ，可以打通c p u 板的通信端口，如以太网口、u s b 口和串口，使主板可以 直接与p c 相连，从而达到下载和调试“