（控制理论与控制工程专业论文）嵌入式称重配料系统记录仪的研制.pdf

摘要 摘要 称重配料系统在工业生产中应用非常广泛，其中精确的称重配料仪表是配料系统最 重要的组成部分，因此研究与设计基于嵌入式技术的称重配料仪表有十分重要的意义。 本课题研究可适用于移动式配料车使用的嵌入式称重配料记录仪，为耐火材料等工业生 产的精确配料和数据记录、管理提供了有效的解决方案。 论文在分析了称重配料记录仪工作原理和功能需求的基础上，提出了一种以 m i n i a i 洲工控板m 2 0 0 5 - n u l1 为核心控制器，以嵌入式操作系统“c o s i i 为软件平台的 称重配料记录仪。对硬件设计进行了详细的描述，并给出了底层驱动软件和应用程序实 现的具体方法。 论文在z l g g u i 软件包的基础上，设计了友好的人机交互图形用户界面( g u i ) 。记 录仪的各个功能如设置、运行、数据查询、u 盘存储、时间、关于、帮助等均以图标菜 单的方式显示，便于用户结合键盘进行相应的操作。 论文针对记录仪的功能特点，设计了数据存储系统，将每一次的配料时问、配料料 仓号、配料值、累计配料值按规定格式存入d a t a f l a s h 中。同时设计了u 盘读写功能模 块，在u 盘中创建文本文件，可将d a t a f l a s h 中的历史数据写入文本文件中。将u 盘插 入电脑，可以打开该文件进行数据观察。 论文针对称重配料记录仪的工业应用特点，进行抗干扰设计。对硬件电路板采取各 种抗电磁干扰的措施，用软件抗下扰如平均值数字滤波的方法有效弥补硬件抗干扰的不 足。 关键词：m i n i a r m ；称重配料；人机图形界面；记录仪 一一 a b s t r a c t a b s t r a c t p r o p o r t i o n i n gw e i g h t i n gs y s t e mh a sb e e nw i d e l yu s e di ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o n a c c u r a t e w e i g h i n gi n s t r u m e n ti st h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n to fp r o p o n i o n i n gs y s t e m t h e r e f o r ，“i s 黟e a ts i g n i f i c a i l tj os t u d ya n dd e s i g nw e i 曲i n gi n s t m m e n tb a s e do ne m b e d d e dt e c l l i l o l o g y t h e s u 场e c ts t u d i e se m b e d d e dp r o p o n i o n i n g 、e i g h t i n gr e c o r d e rw h i c hc a i lb ea p p l i e dt om o b i l e p r o p o i r t i o n i n gv e h i c l e i tp r o v i d e da ne 行e c t i v es o l u t i o nf b rt h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o no f r e 行a c t o r ym a t e r i a l sa n do t h e r st oa c h i e v ea c c u r a t ep r o p o i r t i o n i n g ，d a t ar e c o r d i n g ，a n d m a n a g e m e m o nm eb a s i so fr e c o r d e rw o r k i n gp r i n c i p l ea n df h n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，t h i sd i s s e r t a t i o n p m p o s e d ap r o p o n i o n i n g w e i g h t i n g r e c o r d e rw h i c hu s e sm i n i a r mc o n t r o lb o a r d m 2 0 0 5 一n u11a st h ec o r ec o n t r o l l e ra 1 1 de m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mu c o s i ia ss o r w a r e p l a t f o m l t h eh a r d w a r ed e s i g ni sd e s c r i b e di nd e t a i l ，a n dt h em e t h o do fb o t t o md r i v e r s o f t w a r ea n d 印p l i c a t i o np r o g r 锄i m p l e m e n t a t i o ni sp r e s e n t e d o nt h eb a s i so fz l g g u is o r w a f ep a c k e t ，t h i sd i s s e r t a t i o nh a dd e s i g n e daf a c i l i 田 i n t e r a c t i v eg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ( g u i ) e a c hf u n c t i o no ft l er e c o r d e r ，s u c ha ss e t ，r u n ，d a t a c h e c k ，u - d i s ks t o r e ，h e l p ，a b o u t ，t i m ea j l ds oo n ，w a sd i s p l a y e da st h ew a yo fi c o nm e n u si n t h el c d i tc o u l db ee a s i l yo p e r a t e dw i t ht h ek e y b o a r db yt h eu s e r s a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so fm er e c o r d e r ，t h ed a t as t o r a g es y s t e mw a sd e s i g n e d i ne a c h p r o p o l r t i o n i n gp r o c e s s ，p r o p o r t i o n i n gt i m e ， s i l o n 岫b e f ，w e i g h t i n gv a l u e sa n dt o t a lv a l u e w o u l db es t o r e di m od a t a f l a s ha sr e q u i r e df o n n a t a tt h es 锄et i m e ，t h eu d i s ko p e r a t i n g m o d u l ew a s d e s i g n e d i tc o u l dc r e a t et e x tf i l ei nt h eu d i s k ，a 1 1 dt h eh i s t o r vd a t ao fd a t a f l a s h w o u l db e 、r i t t e ni n t ot h et e x tf i l e w ec o u 王do p e nt h ef i l et oo b s e r v et h eh i s t o 珂d a t aa r e ru d i s k 、 ，a si n s e r t e di n t ot h ec o m p u t e r f i n a l l y ，i no r d e rt oi m p r o v et h ep r o p o r t i o n i n gw e i g h t i n gr e c o r d e rr e “a b i l i 哆，v a r i o u s a n t i i n t e r f i e r e n c em e t h o d sh a v eb e e na d o p t e di nh a r d w a r ec i r c u i tp c bd e s ig n ，a n d ，s o 缸w a r e a n t i - i n t e r f e r e n c e ( f o re x a m p l e ，a v e r a g ed i g i t a l6 1 t e r ) h a sb e e na l s oi m r o d u c e dt oc o m p e n s a t e f o r t h el a c ko fh a r d w a r ee m c k e y w o r d s ：m i n i a r m ，p r o p o r t i o n i n gw e i g h t i n g ，g u i ，r e c o r d e r 独创性声明 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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 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。 签名： 日 期： 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学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，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， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 导师签名： 沙p 黾6 、f 口 第一章绪论 第一章绪论 1 1引言 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m s ) 是以应用为中心，以计算技术为基础，软件硬件可 剪裁的适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格综合性要求的专用计 算机系统。它是一个技术密集，资金密集，高度分散，不断创新的基于硅片的知识集成 系统。今天的嵌入式系统己普遍应用于航空航天、数字家庭、工业自动化、汽车电子、 医学科技、消费电子、无线通讯、电力系统等国民经济的主要行业。随着嵌入式技术的 发展，嵌入式系统将更广泛地应用于人类生活的方方面面1 1 2 】。 信息时代的到来无疑为3 2 位嵌入式系统高端应用提供了空前的发展空间，同时也 为力不从心的8 位机向高端发展起到了接力作用。一般来说，嵌入式系统的高低端应用 模糊的定界为：高端用于具有海量数据处理的网络、通信和多媒体领域，低端则应用于 对象系统的控制领域。然而，控制系统的智能化的发展趋势要求在这些8 位机应用中提 升海量数据处理能力。当8 位机无法满足这些提升要求时，便会转而求助3 2 位机的解 决办法。因此，3 2 位机的市场需求发展有两方面所致：一方面足高端新兴领域的拓展； 另一方面是低端控制领域应用在数据处理能力的提升要求【2 】。 称重和配料系统在各种领域的生产和过程控制系统中都起着举足轻重的作用。称重 配料系统包括原料的储存、输送、称重配料、除尘、物料混合等多种设备，涉及粉粒状 固体散料、液体等多种物料。其中称重配料设备可根据行业特点，生产工艺要求，具体 物料特性，合理的选择称重方式，具有单斗单秤、单斗多秤、多斗多秤等多种工作模式。 通过专业、精确的称重配料，不仅协助用户提高产品质量，而且还为用户生产的科学管 理提供了强有力的保证1 3 4 】。 传统的称重配料仪表大多是由8 位单片机控制的【5 】，控制过程简单，人机接口设计 粗糙，只有几个数码管显示数值，由于内存小，无法保存称重配料的历史数据。如果采 用基于a r mc o r e 处理器的微控制器，我们可以设计友好的人机交互图形界面，将采集 到的工业现场的数据在图形界面上动态实时显示，并且可以保存历史数据，同时设计嵌 入式u s b 主机( h o s t ) 模块，将历史记录数据随时取出通过u s b 口快速传送到外部可移 动大容量存储器，性能价格比高。 综上所述，采用3 2 位的高端a r m 处理器，丰富的通讯接口、友好的人机交互界面、 u s bh o s t 大容量存储系统接口使得孤立的嵌入式系统具有称重不受地域、环境等限 制，同时保存大容量历史记录，帮助使用者追溯每一笔称重数据，实现了低端设备的高 端升级，具有重大的意义。 1 2 本课题国内外研究的历史、现状和发展趋势 1 2 1 称重配料仪表 仪器仪表是传统产业中的高新技术产业，是集各门类先进科学与技术之精华发展起 江南大学硕十学位论文 来的高新技术产业，是软、硬件技术结合和机、光、电的结合，也是影响国家科技水平 的重要产业。现代仪器仪表门类繁多、种类齐全，包括工业自动化仪表与控制系统、科 学仪器、医疗仪器、电子与电工仪器及其相关的各类传感器、元器件和装备等等。现在 是信息化时代，企业信息化带动仪器仪表产业的现代化，仪器仪表产业的现代化能更强 力地推动企业的信息化l 铺j 。 本课题所要研究的是嵌入式记录仪表，它是现代化仪表中重要的一种。记录仪是自 动化中十分常用的二次仪表，尤其在过程工业中的使用相当广泛，也是记录数据、保存 数据比较有效的仪表。记录仪的发展大致经历了两个时期：模拟记录仪和无纸记录仪。 模拟记录仪是用笔在记录纸上绘制曲线，这种记录方式不仅精度低，而且需要使用大量 保存数据的记录纸，使用成本高，维护工作量大，显示方式单一，相比之下，无纸记录 仪只需一次性投资，其运行成本很低，是比较经济的，并且一般都拥有大容量的存储器， 有的还有u s b 接口，可以转移记录仪中的数据，因此，在工业过程的数据记录中被大 量的使用- 9 1 。 我国的称重仪表生产厂家很多，称重配料仪表大多是南8 位单片机控制的，显示部 分大都采用数码管或荧光管，虽然其具有醒目、直观的特点，但是，控制命令的输入只 能采用代码和按键相配合，其过程繁琐、难记且不直观。虽然能满足基本的生产要求， 但在信息化时代的今天，此类仪表就显得落后。 国外研制生产称重配料仪表的著名厂家有西门子公司、梅特勒托利多公司等。西 门子公司把称重系统组件和西门子妙卢力皮带秤、配料电子皮带称以及固体流量计一 起，组成了适用于各种应用的称重系统l l 。为了能够向所有工业过程提供最佳的分析解 决方案，西门子公司不仅系统地修订了其产品范刚，并且通过对一些重要公司的收购， 极大地扩充了自己的二争业经验和技术知识。从单一的分析设备，到具体的系统解决方案， 两门子公司都可提供全面的领先的过程分析技术。通过将分析设备集成于西门子公司的 全集成自动化理念中，将使过程分析得益于西门子先进的通信、系统设计及数据管理的 系统集成中。梅特勒托利多公司是全球领先的精密仪器及衡器制造商，在百年悠久发 展历程中一直保持着技术和市场的领先性。从高精度的微量分析到千吨以上的称重应 用，梅特勒托利多提供的解决方案遍布实验宅、工业及零售业( 商业) 的各个流程与 环节，该公司研制的t 8 0 0 车辆衡终端是一款非常先进的称重记录仪【l ，该记录仪具有 界面图形化、接口网络化、存储海量化、格式多样化、维护简单化等特点。 随着信息技术的发展，记录仪的网络化智能化需求越来越多，现在网络记录仪的发 展很快，国内的浙大中控、东辉、上海自动化仪表有限公司和国外的梅特勒托利多等 一批有实力的生产仪表的公司都在研发。 1 2 2 嵌入式g u i 嵌入式图形用户介面g u i ( g r a p h i c su s e ri n t e r f a c e ) 足嵌入式系统的重要组成部分， g u i 的广泛流行是当今计算机技术的重大成就之一，它极大的方便了非专业用户的使 用，人们不再需要死记硬背大量的命令，而是通过窗口，菜单来完成。对于g u i 的研究 最可以追溯到2 0 世纪5 0 年代，但是直到7 0 年代g u i 技术才真正发展起来。早期的 第一章绪论 计算机是通过面板上的指示灯来显示数据和指令的，人们则通过面板上的开关及穿孔纸 带送入各种数据和命令。1 9 6 3 年美国麻省理工学院i s u t h e r l a i l d 开创了计算机图形学的 新领域。7 0 年代美国硅谷的施乐( x e r o x ) 研究中心的a l a nk a y 提出了s m a l l t a l k 面向对象 程序设计等思想，并发明了重叠式多窗口系统。1 9 8 3 年，苹果电脑研制成功了第一个商 用g u i 系统a p p l el i s a 。9 0 年代美国麻省理工学院n n e g r o p o n t e 领导的媒体实验室在 新一代多通道用户晃面方面包括( 语音、手势、智能体等) ，做了大量开创性的工作。 目前国内外常用的嵌入式g u i 系统有，美国m i t 开发的用于u n i x l i n u x 的x w i n d o w s 窗口系统，清华大学博士魏永明开发的一款国产跨操作系统的轻量级图形用户界面支持 系统m i n i g u i ，现由北京飞漫软件有限公司维护并进行后续开发。m i n i g u i 性能稳定， 在国内外赢得了不少客户【1 2 j 。m i c r o w i n d o w s 是一个开源项目，是一个基于客户朋艮务器 体系结构的g u i 系统，目前由美国世纪公司主持开发维护。q 耽m b e d d e d 是著名的q t 库开发商t r o l t e c h 公司发布的面向嵌入式q t 版本。此外还有一些代码量且小应用方便 的g u i 系统，如：周立功公司的z l g g u i ，美国j e a nj l a b r o s s e 开发的“c g u i 等i 。 1 2 3u s b 技术 u s b 是英文u n i v e r s a ls e r i a lb u s 的缩写，中文含义是“通用串行总线”。它是一种应 用在p c 领域的新型接口技术。早在1 9 9 5 年，就已经有p c 机带有u s b 接口了，但由 于缺乏软件及硬件设备的支持，这些p c 机的u s b 接口都闲置未用。1 9 9 8 年后，随着 微软在w i n d o w s 9 8 中内置了对u s b 接口的支持模块，加上u s b 设备的日渐增多，u s b 接口才逐步走进了实用阶段。c o m p a q 、h e w l e t tp a c k a r d 、i n t e l 、l u c e n t 、m i c r o s o r 、 n e c 和p h i l i p s 这7 家厂商联合制定了u s b2 o 接口标准f 1 3 】。u s b2 o 将设备之间的数 据传输速度增加到了4 8 0 m b p s ，比u s b1 1 标准快4 0 倍左右，速度的提高对于用户的 最大好处就是意味着用户可以使用到更高效的外部设备，而且具有多种速度的周边设备 都可以被连接到u s b2 o 的线路上，而且无需担心数据传输时发生瓶颈效应。 随着u s b 规范的完善和成熟，u s b 外设的种类不断丰富，应用领域也不断扩大。 在传统的应用中，主要是p c 扮演着主机的角色。根据u s b 的规范，可以看到在u s b 的拓朴结构中居于核心地位的是主机，每一次的数据传输都必须由主机发起和控制。但 是随着嵌入式产品应用领域的日益增长，u s b 外设的应用范围也随之扩大，为此在嵌入 式系统中实现对u s b 外设控制也变得日益迫切。 通用串行总线( u s b ) 接口具有简单灵活、高带宽、易于扩展和热插拔等优点，它目前 已成为数码设备的标准接口之一，小到u 盘、m p 3 ，大到数码相机、打印机，u s b 接 口的身影无处不在。但我们目前所使用的u s b 移动设备多为u s b 的外没( d e v i c e ) ，比 如u s b 的移动硬盘、u s b 接口的数码相机，一般只能在p c 上使用，即只能通过p c 实 现文件和数据的交换。业界和用户的需求l l 乎唤u s b 主机的嵌入式化，因此在嵌入式系 统中实现u s b 主机功能成了u s b 设计领域的热点之一。 嵌入式u s b 主机也逐渐用于工业测控领域，用来实现数据的采集和交换。原来数 据采集和交换大多足使用软盘、串行接u ( r s 2 3 2 爪s 4 8 5 ) 或以太网等方式。软盘存储容 量小、可靠性差，而串行接口或以太网都需要命线施工，接入成本大，而且不具备移动 江南大学硕士学位论文 性。现在，越来越多的嵌入式系统采用通过u s b 总线连接的测控设备。在嵌入式系统 中利用u s b 主控芯片实现与u 盘的操作技术，完成控制器与u 盘之间的各类信息的传 输，为数据分析提供有利的手段【体1 5 】。u s b 技术必将得到更为广阔的应用。 1 3 本文的主要研究工作 纵览称重仪表研制所经历的整个发展过程，分析和总结称重配料记录仪以及记录仪 中所用到的g u i 和u s b 技术的现状和发展趋势，在此基础上，同时根据嵌入式称重配 料记录仪的系统需求，本文确定了研制目标：设计上需要新颖，满足不同场合的记录需 求；功能上上要求强大，不仅要实现实时测量与液晶显示功能，还要对历史数据存储， 多种方式与外界通信；性能上可扩展性强，能够根据未来的技术发展方便的进行技术升 级。 在本课题研究过程中，所做的工作主要有以下几点： 1提出了嵌入式称重配料记录仪的研制解决方案，并根据方案设计系统硬件、底 层软件驱动和用户应用程序。 2 设计了便于人机交互的图形用户界面( g u i ) ，对记录仪要实现的每个功能均以图 标菜单的方式显示，结合键盘可以方便的操作。 3 针对记录仪的功能特点，设计了数据存储系统，将每一次的配料时问、配料料 仓号、配料值、累计配料值按规定格式存入d a t a f l a s h 中。同时设计了u 盘读写功能模 块，在u 盘中创建文本文件，可将d a 切f 1 a s h 中的历史数据写入文本文件中。将u 盘插 入电脑，可以打开该文件进行数据观察。 4 针对称重配料记录仪的工业应用特点，进行抗干扰设计。对硬件电路板的设计， 采取了一系列有效的抗干扰措施；同时在软件方面也采用了数字滤波等抗干扰的方法。 4 第一二章嵌入式称霞配料记录仪系统需求分析及整体方案设计 第二章嵌入式称重配料记录仪整体方案设计 称重和配料系统在各种领域的生产和过程控制系统中都起着举足轻重的作用。称重 仪表是整个系统的核心，新型称重配料记录仪的研制非常重要，其适用的场合有： 化工业：对称重配料有要求的化工产品的生产观测记录的场合。 食品行、| k ：食品包装等对称重配料有观测记录要求的场合。 材料行业：摩擦材料、耐火材料对称重配料有观测记录要求的场合。 农业：化肥等农业生产资料对称重配料有观测记录要求的场合。 2 1 嵌入式称重配料记录仪系统功能要求 本课题设计的嵌入式称重配料记录仪适用于移动式的配料称量车，其实现的目标就 是：采集称重数据、实时显示数据，实时记录配料过程中在不同位置的加料时刻、本次 加料量、累计加料量等，将数据存储在系统d a t a f l a s h 中，每隔一定时间，用u 盘取出。 根据系统的目标，本嵌入式称重配料记录仪要实现的功能有以下几个部分。 1 、数据采集与处理。记录仪将采集来的称重模拟量经过放大、模数转换并处理。 2 、人机交互功能。通过键盘操作和液晶图形显示，设计操作简单、功能强大的图 形用户界面是关键。 3 、加料记录功能。当配料称量车离开某个加料位时，检测并记录当前重量作为本 次加料量，并记录加料时刻。同时可以通u s b 接口随机读取历史数据，进行数据分析。 4 、数据通信功能。设定外部通信控制接口，在不需要记录仪单独工作时可方便与 上位机进行通信，将采集的数据直接传送给计算机进行处理，绘制图表。 2 2 嵌入式称重配料记录仪总体方案设计 嵌入式系统开发的最大特点就是需要软硬件综合开发，因为任何嵌入式产品都是软 硬件的结合体。在嵌入式系统领域，用户看到的只是硬件产品，起核心控制作用的嵌入 式软件是不可见的。另一方面，一旦嵌入式产品研制完成，软件就固化在硬件环境中， 用户不能对产品进行修改( 预留的扩展接口除外) 。也就足说，嵌入式软件足针对相应 的嵌入式硬件开发的，是专用的【1 6 】。 2 2 1嵌入式记录仪硬件设计总体解决方案 根据嵌入式汜录仪的功能要求和设计方法的特点，可以先确定处理器的选型，一旦 确定了处理器，就可以在此基础上设计其他的模块。 可采用的设计方案有以下几种： 1 、硬件处理器采用8 位5 1 核单片机，无操作系统，外接存储器等，软件全部自己 编写。 2 、使用3 2 位a 蹦处理器，自主设计外围电路，软件全部自己编写。 3 、使用6 4 位或更高档处理器，设计外围电路，使用商用软件包。 江南大学硕士学位论文 4 、使用平台开发的方式，硬件采用工控板( 内含a r m 处理器) + 自主底板电路， 软件采用商用软件包+ 自编软件包。 我们可以从可行性、实用性、开发难度三个方面对以上4 种方案进行分析。 首先，从可行性上，以上4 种方案都可行。不管处理器是8 位、3 2 位，还是6 4 位， 都是能够实现基本功能的。 其次，从实用上，第3 种，价格昂贵、性价比低，不宜采用此方案。 再次，从开发难度上看，8 位单片机现在比较成熟，容易设计和开发，但是，8 位 单片机片上资源有限、速度慢，这样必然要扩展很多硬件资源，则p c b 板布线面积增 大，成本也相应增加。如果使用操作系统的话，会占用有限的资源，如果不使用操作系 统，则软件编程就会复杂，实时性精度很难保证。使用内含3 2 位a r m 处理器的芯片 作为控制器，可以保证系统运行的速度，从芯片价格上来说，基于a r m 处理器的芯片 已经非常便宜。但是如果单纯采用a r m + 外围电路+ 自编软件的方式，从开发周期来说 就会显得很紧迫，因此，采用开发平台的方案在以上几种方案中是较优的。在平台上开 发能够使得开发周期大大缩短，这对于新产品研发至关重要。 根据以上分析，确立了处理器的选型方向是基于方案4 ，广州致远电子有限公司推 出的m i n i a i 洲工控板可以满足我们的方案要求。m 2 0 0 5 n u l l 是m i n i a i 蝴工控板的 一种型号，它以基于3 2 位a r m 7 处理器的飞利浦公司芯片l p c 2 2 2 0 作为核心主控芯片， 将a r m 最小系统、以太网控制器、u s b 控制器、低功耗实时时钟芯片i 玎c 等高度集 成于一块尺寸仅为7 0 m m 5 0 m m 的p c b 板上。m 2 0 0 5 i n u1 1 提供总线保护设计，伎核 心板在e m c 性能及稳定性方面具有良好的表现。它提供l p c 2 2 2 0 标准化驱动，并固化 嵌入式协议栈，调用a p i 函数即可实现嵌入式设备的网络和海量存储等功能，特别适合 p o s 机、数控机床、智能仪表等行业1 1 7 】。 m 2 0 0 5 n u l l 内嵌“c o s i i 正版实时操作系统；内置t c p i p 协议、f a t 3 2 文件管 理系统；支持u 盘、c f 卡读写操作；2 m 程序存储器；5 1 2 k b 外置内存；1 个可校准的 低功耗外置实时时钟，2 路u a r t 、1 路i ：c 、s p i 通信接口；2 0 个g p i o ，可承受5 v 电 压输入；支持2 4 位地址和1 6 位数据总线扩展f l7 】； 因此，从以上论述可以看出，选用m 2 0 0 5 n u ll 工控板是完全满足记录仪的功能 需求的，并且从设计方法来说，选用工控板为硬件平台和工控板固件为软件平台采用的 是由下而上的设计方法，在工控板基础上对记录仪整个系统再设计采用的从上而下的设 计方法。本课题是两种方法的综合。 称重配料记录仪的总体解决方案是以m i n i a r m 工控板为核心电路板，在外围设计 底板接口电路。采用称重传感器采集重量，信号放大后经过a d 转换输出数字量，重量 值在液晶屏上实时显示。同时将每一次配加料的数据存储在f l a s h 内，插入u 盘后，可 根据液晶屏的提示将历史数据存入u 盘。本方案可以记录称重配料数据和进行大容量历 史数据存储等功能。 称重配料记录仪总体设计方案结构，如图2 1 所示。 6 第二章嵌入式称重配料记录仪系统需求分析及整体方案设计 吉 图2 1称重配料记录仪总体设计方案图 f i g 2 1p r o p o n i o n i n gw e i g h t i n gr e c o r d e rg e n e r a ld i a g r a m 称重配料记录仪主要由人机交互、数据通信、数据采集和系统控制等模块组成。下 面分模块简要介绍。 1 、人机交互模块 人机交互部分主要由键盘电路、液晶显示电路、八路开关量输入电路组成。键盘电 路采用具有1 2 c 接口的z l g 7 2 9 0 芯片，外接5 书4 轻触式矩阵薄膜键盘，共分为l o 个数 字键和1 0 个功能键，其中功能键包括校秤，去皮，左移，右移，确认，退出，小数点。 液晶模块采用广东金鹏肇庆电子有限公司的o c m 2 4 0 1 2 8 7 液晶显示模块，该模块基于 t 6 9 6 3 c 液晶控制器1 1 8 】，采用直接操作的方式与工控板相连接。液晶显示模块用于人机 交互的信息提示、重量数据实时显示和历史重量显示等。 2 、数据通信模块 数据通信部分由u s b 数据存储接口电路、2 路r s 2 3 2 接口电路和1 路r s 一4 8 5 电 路组成。u s b 数据存储接口电路用于存储历史称重数据。2 路r s 。2 3 2 接口电路由工控 板2 路u a r t 信号经s p 2 3 2 e 【1 9 1 芯片转换实现，u a r t l 可接串口打印机，可以打印历次 称重的完成情况。u a r t 0 可通过跳线选择r s 2 3 2 或者r s 4 8 5 与上位机通信。 3 、数据采集与处理模块 数据采集部分由称重传感器和d 转换电路来完成。考虑到数据精度，采用美国 b u r r b r o w n 公司推出的10 0 k h z 采样速率转换器a d s 7 8 0 5 【2 0 】，a d s 7 8 0 5 采用c m o s 工艺制造，功耗低( 最大功耗为1 0 0 m w ) ，单通道输入，模拟输入电压的范围为士l o v ， 采用逐次逼近式工作原理，转换结果由1 6 位数据线一次并行输出，启动转换和渎取上 次转换的结果可以同时进行。 4 、输入输出模块 系统控制部分有8 路带光电隔离的输出口和8 路带光电隔离的输入口，输入口接3 7 江南大学硕十学位论文 路接近开关，用来检测并判断配料称量车的位置。 5 、数据存储模块 系统需要大容量的数据存储，要求存储芯片体积小、功耗低，所以选用了s s t 公司 的串行d a t a f l a s h2 m b 的s s t 2 5 v f 0 1 6 b 【2 1 】来作为本系统的固态硬盘。其电源电压为 2 7 v 3 6 v ，按页读写，按块擦除，数据保存时间为1 0 年。 6 、电源模块 电源是系统得以正常运行的保证，对于m i i l i a 刚工控板需要+ 3 3 v 和+ 1 8 v ，对于 底板电路有的需要+ 3 3 v ，有的需要+ 5 v ，如液晶模块需要+ 5 v 供电。称重模块需要士1 2 v 和5 v 的电源，i o 控制电路板需要+ 2 4 v 的的电源，电源的需求不一，因此设计电源也 要灵活。采用台湾明纬电源模块，其提供+ 5 v ，士1 2 v 和+ 2 4 v 电源，在主电路板上采用 s p x l1 1 7 3 3 【2 2 】来产生+ 5 v 到+ 3 3 v 的转换，广东金升阳公司的电源转换器件 w r a 0 5 0 5 c s 【2 3 】产生从+ 5 v 到士5 v 的转换。 2 2 2 嵌入式记录仪总体实现方案 工控板硬件方案确定后，就可以在此基础上编写底层驱动程序和用户应用程序。 m 2 0 0 5 - n u l l 内嵌肛c o s i i 正版实时操作系统，提供了板级支持软件包，以工控板固 化的c o s i i 操作系统、m i n i a r m 板级驱动库加上白编写的底层驱动库一起向用户程 序提供应用程序接口a p i 。同时，移植z l g g u i 到硬件平台来设计图形用户界面，可 以很方便的编写用户应用程序。 记录仪的总体实现方案，如图2 2 所示。 圆圈圈团 圈圆圈圆 用 户 功 能 应用程序接口 曰 几习 l 驱动库i d圈t - _ j 称重配料记录仪硬件平台 图2 2 记录仪总体买现方案图 f i g 2 2 r e c o r d e rg e n e r a lp l a nd i a g r a m 用户程序在上面提供的应用程序接口函数支持下编写。根据记录仪的功能要求，设 计画面简洁、易于操作的图形用户界面，每个用户功能都以图标菜单的方式现实，进入 该菜单后，可进行相关的参数设置、操作和监控。 用户程序是在操作系统p c o s i l 的基础上进行编写的，“c o s i l 是实时多任务操作 系统，在它的调度下，可以多任务并发运行，提高工作效率。针对记录仪的功能，将各 8 第二章嵌入式称重配料记录仪系统需求分析及整体方案设计 个功能模块分为多个任务来调度，以人机接口为中心，按键操作为触发点，各任务问以 信号量来实现行为同步，以消息邮箱来实现数据通信1 2 禾2 5 1 。 在总体实现方案中，充分利用了已有的软硬件资源，以这些资源为基础平台，使得 编写自己的用户程序更为简单，软件更加安全可靠，可以加快开发进程。 9 江南大学硕十学位论文 第三章嵌入式记录仪的硬件设计与实现 3 1工控板m 2 0 0 5 n u l l 的特点及板上资源 m i n i 删系列嵌入式工控核心板【l 刀，将高性价比的l p c 2 2 0 0 ( 内含a r m 7 处理器内 核) 微控制器最小系统与通信系统高度集成在一个6 层p c b 上。良好的电磁兼容性能 和完善的总线保护设计使m i n i a r m 系列产品在外围总线发生故障的状况下，依然能正 常工作，特别适用于工业过程控制、税控机、p o s 机、安全监控、汽车记录仪的开发。 m 2 0 0 5 _ n u l l 是m i n i a r m 系列工控板中的一种，集成有l p c 2 2 2 0 微控制器最小系 统、u s bh o s t 控制芯片以及1 0 m 以太网通信芯片。产品提供总线保护设计，使核心 板在e m c 性能及稳定性方面具有良好的表现。 m 2 0 0 5 n u l l 工控核心板上含有大量的硬件资源：2 mb y t en o rf 1 a s h 、6 4 kb y t e 片 内s r a m ( c p u 内部s r a m ) 、5 1 2 k b 内存( 在核心板上外扩静态s r a m ) 、1 0 m 以太网 通讯、u s bh o s t 通讯、r t c 实时时钟等。用户需要为核心板提供系统电源和r t c 电源， 系统电源：3 3 v 士1 0 、5 o v 士5 ，r t c 电源：1 8 v 5 5 v 。m 2 0 0 5 n u l l 核心板主要包 括l p c 2 2 2 0 微控制器，扩展静态s r a m ，外置程序存储器s s t 3 9 v f l 6 0 1 ，通过i s p l l 6 0 和 r t l 8 0 1 9 分别实现u s bh o s t 和以太网功能，配置p c f 8 5 6 3 实时时钟。c a t 8 0 9 为核心板 提供复位、看门狗、掉电检测功能。 核心板占用c p u 硬件资源如表3 1 所示。 表3 一l 核心板占用c p u 硬件资源 t - a b 3 1c o n t l o lb o a r do c c u p i e sh a r dr e s o u r c eo fc p u 占用资源 说明 p 0 1 5 以太网中断( e j n t 2 ) p 0 1 6 u s b 中断( e l n t 0 ) p 1 2 1 u s b 复位控制 p 1 2 2 以太网复位控制 总线b a n k o程序总线控制区 总线b a n k l 外部数据总线控制区 总线b a n k 3核心板外设总线控制区 1 2 c 总线地址0 x 8 0 、0 x a 2 ( 相关l j | 脚只能使用j 2 c 总线功能) 产品固件内置有商业化t c p i p 协议栈、u s bh o s t 协议栈、c f 卡驱动以及文件管理 系统，同时嵌入正版“c o s i l 实时操作系统，用户只需调用系统提供的a p i 函数即可 实现相应的功能。产品提供在线升级功能接口，不但使产品更快投入市场，而且现场升 级简单可靠，明显增强产品的订场竞争力。 m 2 0 0 5 一n u l1 工控核心板上总线器件的地址分配如表3 2 所示，其它的地址空间属 于保留空间，用户不可操作。用户也可以扩展总线器件，可供用户使用的外部总线地址 空问为：o x 8 2 0 00 0 0 0 o x 8 2 f ff f f f 。在该总线上我们挂接a d 转换器件和液晶模块 1 0 第三章嵌入式记录仪的硬件设计与实现 l c m ，通过译码器来选择两个器件的地址。 表3 2 核心板总线地址分配 1 b 3 2 a d d r e s sa s s i 鄹【m e n to fc o r ec o n t r o lb o a r d 总线器件地址分配 片内s r a mo x 4 0 0 00 0 0 0 o x 4 0 0 0f f f f ( 6 4 kb y t e ) n o rf l a s h o x 8 0 0 00 0 0 0 0 x 8 0 1 ff f f f ( 2 mb y t e ) 片外s r a m o x 8 1 0 00 0 0 0 o x 8 1 0 7f f f f ( 5 1 2 k b y t e ) 以太网0 x 8 3 0 00 0 0 0 0 x 8 3 f ff f f f 1 2 c0 x 8 0 o x a 2 平台的最大优势就是易于开发，只要根据接口定义，设计自主底板就可以完成目标， 并且容易升级换代，易于检查出现问题的原因。m 2 0 0 5 n u l l 工控板向底板提供的接口 引脚数1 4 4 脚，它们的定义是根据工控板的实际硬件连接情况向外部电路提供引脚定义， 如图3 1 所示。 b u s 5 j t g 2 0 m c o 、口 图3 1工控板1 4 4 脚引脚定义 f i g 3 一lc o n t r o ib o a r d14 4 - p i nd e f i n i t i o n 3 2 嵌入式称重配料记录仪硬件总体结构图 根据3 1 节工控板的特点、引脚定义和相关资源，从平台思想出发，根据硬件平台设 计外围电路，记录仪的总体硬件结构图如图3 2 所示。 江南大学硕士学位论文 图3 - 2记录仪硬件结构图 f i g 3 - 2 r e c o r d e rh a r d w a r es t l l l c m r ec h a n 3 3 数据采集与处理模块设计 3 3 1称重数据采集电路 数据采集与处理的步骤如图3 3 所示： 称重传感器 二至至至三二卜叫臣三三至三二 斗 至三至至二 - 斗 圈 图3 3 数据采集与处理的步骤图 f i g 3 3 d a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs t e p s 称重传感器按转换方式分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变形式、振 动式、陀螺仪式、电阻应变式等8 类，以电阻应变式使用最广。电阻应变式传感器的称 量范围为3 0 0 9 至数千埏，计量准确度达l 1 0 0 0 l 1 0 0 0 0 ，结构较简单，可靠性较好， 大部分电子衡器均使用此传感器。电阻应变式传感器主要由弹性元件、电阻应变片、测 量电路和传输电缆4 部分组成。它的原理是弹性体( 弹性元件，敏感梁) 在外力作用下 产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片( 转换元件) 也随同产生变形，电阻应变 片变形后，它的阻值将发生变化( 增大或减小) ，再经相应的测量电路把这一电阻变化 转换为电信号( 电压或电流) ，从而完成了将外力变换为电信号的过程。 本课题所采用的称重传感器是上海天合电子有限公司生产的称重传感器t h l o o f ， 它的规格是2 0 k g ，它所提供的信号有正负激励信号和正负反馈信号，信号电压小于 2 0 m v ，电压很小，要进行放大，后端dj 卷片电压输入范围为1 0 v - + 1 0 v ，我们采用 二级放大电路，放大倍数分别为7 5 、1 5 倍，可以满足要求。a 厂d 芯片参考电压要求2 5 v 左右，称重传感器的正负激励信号相差1 0 v ，在此基础上缩小2 4 倍，可得到d ：醛片 的参考电压。参考电压缩小电路的输入信号采j 甘称重传感器的正负激励信号可以使得参 考电压与输入电压波动一致，可以有效抗干扰。 称重数据采集放大电路如图3 4 所示。