（机械电子工程专业论文）基于arm的乳化液泵站远程监测系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着工业自动化的发展，计算机技术在工业生产和管理中获得了广泛 应用，传统的数据采集系统已不能适应现代工业网络化发展的需要，在这 背景f ，速度更快、功耗更低、通信功能更强的嵌入式远程数据采集系统得 到迅速发展。 本课题以矿山用乳化液泵站为监测对象，应用3 2 位a r m 微处理器及 嵌入式实时操作系统pc o s ，进行了乳化液泵站嵌入式实时监测系统的设 计，并通过串行通信及以太网通信两种方式与远程控制中心的p c 机进行通 信，实现采集数据的远距离传输、存储和处理。监测点的嵌入式数据采集系 统采用全新的设计理念，利用实时操作系统l lc o s i i 进行任务之间的切换 和通信，保证了系统的实时性、可靠性和稳定性，并具备可扩展性。 本监测系统通过嵌入式微处理器s 3 c 4 4 b o x 控制传感器采集数据，根 据预先设置的参数进行分析处理后显示于l e d 滚动屏，同时通过串行通信 或以太网通信与远程控制中心建立连接，根据预先设计的通信协议进行数据 交换。远程控制中心管理软件的设计应用了虚拟仪器技术，将接收到的数据 按时间顺序存放在相应的数据库中，可供用户随时查询与分析，从而实现了 远程数据采集和科学管理。 本文首先对系统的需求进行分析，根据系统功能和性能的要求提出总 体设计方案。然后据此详细阐述基于uc o s i i 的嵌入式数据采集系统的硬 件设计和软件设计，应用l a b v i e w 设计远程控制中心管理系统软件。最后 提出了以太网通信及嵌入式w e b 服务器的实现方法，为系统的网络化发展奠 定了基础。 关键词：嵌入式系统、实时操作系统、1 tc o s i i 、s 3 c 4 4 b o x 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w 1 t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a la u t o m a t i o na n dt h ew i d ea p p l i c a t i o no f c o m p u t e rt e c h n o l o g y i ni n d u s t r i a l p r o d u c t i o n ，t h e t r a d i t i o n a ld a t a c o l l e c t i n g s y s t e mc a n 7 tm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ed e v e l o p m e n to fm o d e r ni n d u s t r y n e t w o r ki nt h i sc a s e ，e m b e d d e dr e m o t ed a t ac o l l e c t i n gs y s t e mw i t hah i g h e r s p e e d ，l o w e rp o w e ra n ds t r o n g e rr o b u s ti nc o m m u n i c a t i o nh a sw i t n e s s e d ar a p i d d e v e l o p m e n t t h em i n e r a ll i q u i d p u m pi nt h i sp a p e ri st a k e na st h em o n i t o r i n gt a r g e ta n d t h ea r m m i c r o p r o c e s s o ra n de m b e d d e d r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e muc o s i i a r e a d o p t e d t o d e s i g n t h ee m b e d d e dd a t a c o l l e c t i n gs y s t e m w h i c hc a l l c o m m u n i c a t ew i t hp ci nt h er e m o t e c o n t r o l l i n gc e n t e rt h r o u g l ls e r i a lo re t h e m e t c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e s t h e t o t a l l y n e wd e s i g n c o n c e p t i s e m p l o y e d i n d e s i g n i n gt h ee m b e d d e dd a t ac o l l e c t i n gs y s t e m t h er e a lt i m es y s t e mi su s e dt o g u i d et h es w i t c h i n ga n dc o m m u n i c a t i o no ft h et a s k s ，w h i c hh e i p st oe n s u r et h e r e a lt i m ef b a t u r c r e l i a b i l i t ya n d s t a b i l i t yo f t h es y s t e m i nt h es y s t e mt h ed a t ac o l l e c t i o ni sr e a l i z e db yt h ec o n t r o lo ft h ee m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o ro v e rt h e s e r i s o r t h ep r e s e t p a r a m e t e r s a r e p r o c e s s e db yt h e s y s t e ma n dt h ed a t ad i s p l a y e do nt h el e ds c r e e n ，a n dd a t ae s t r a n g i n gw i l lo c c u r s i m u l t a n e o u s l ya c c o r d i n gt ot h ep r e d e s i g n e dc o m m u n i c a t i n gp r o t o c o lw h e nt h e c o m m u n i c a t i o nw i t hr e m o t e c o n t r o l l i n g c e n t e ri sr e a l i z e d t h r o u g hs e r i a l o r e t h e m e tco m m u n i c a t i o n v i r t u a li n s t n t m e n tt e c h n o l o g yi sa p p l i e di nd e s i g n i n g t h em a i nm a n a g e m e n ts o f t w a r e ，w h i c he n a b l e st h ed a t ar e c e i v e dt ob es t o r e d a c c o r d i n g t oc h r o n o l o g i c a ls e q u e n c ei nt h ec o r r e s p o n d i n gd a t a b a s ef o rt h eu s e r s i n q u i r ya n da n a l y s e s i nt h ef u t u r e ，t h u st h er e m o t ec o l l e c t i o na n ds c i e n t i f i c m a n a g e m e n t o fd a t aa r er e a l i z e d i nt h i sp a p e rt h ed e m a n d so f s y s t e ma r ea n a l y z e df i r s ta n dt h e nag e n e r a l d e s i g n i n g s c h e m ei s p r o p o s e da c c o r d i n g t ot h e s y s t e m sc a p a b i l i t y n e x t a d e t a l l e dd e s c r i p t i o ni sm a d eo nt h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei nu c o s i i b a s e de m b e d d e dd a t ac o l l e c t i n gs y s t e m l a b v i e wi sa d o p t e dt od e s i g n t h em a n a g i n gs o f t w a r ei nt h er e m o t ec e n t e r , f i n a l l y , t h er e a l i z a t i o no fe t h e m e t c o m m u n i c a t i o na n de m b e d d e dw 曲s e v e ri sd i s c u s s e d w h i c hl a y st h ew a yf o rt h e n e t w o r k e ds y s t e m k e y w o r d s ：e m b e d d e d s y s t e m 、r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ( r t o s ) 、 uc o s i i 、s 3 c 4 4 b o x 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 随着工业自动化的发展以及现代信息化技术在工业生产管理中的广泛 应用，传统的数据采集系统由于多采用8 位单片机为其控镱4 核心，数据处理 速度低，已经不能适应现代工业发展的需要，十分必要开发速度更快、功耗 更低、通信功能更强的嵌入式数据采集系统。本文以矿区的乳化液泵站为研 究对象，应用3 2 位a r m 微处理器及嵌入式实时操作系统姐c o s i i ，进行 了嵌入式实时监测系统的设计，并对嵌入式实时操作系统的相关问题进行了 研究。 1 1 问题的提出 乳化液泵站是向煤矿综采工作面液压支架或高档普采工作面的外注式单 体液压支柱输送高压乳化液的设备，是液压支架等的动力源，其工作状态的 好坏直接影响液压支架的工作性能和使用效果，同时对井下工作的安全性起 着至关重要的影响。乳化液泵站如图1 1 所示： 图1 1 乳化液泵站 现在国外乳化液泵站单桃功率已由7 5 k w 发展到2 5 0 k w ，国内乳化液泵 生产厂家也要研制装机功率为3 1 5 k w 的乳化液泵。随着乳化液泵单机装机功 率的增大，要求乳化液泵站安全有效运行已迫在眉睫。就我国乳化液泵站机 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 械技术水平而言，产品质量、产：品性能已经达到或接近国外同类产品水平， 与国外产品的反差就在于未有配备必要的安全运行自动保护装冕。一些产品 在井下使用时出现润滑不良造成曲轴烧瓦等质量事故，甚至造成整机报废。 出了事故，往往都从机器本身寻找原因，而不是从如何预防的角度出发来解 决问题。永远不出故障的机械产品足不存在的，如何将即将出现的重大质量 问题消灭在萌芽状态，才是最重要的。 要实现煤矿井下安全作业，提高采煤： 作效率，防止出现重大设备安全 事故，保障乳化液泵站井下安全运行是十分必要的个环节。嵌入式乳化液 泵站实时监测系统就是在这样的背景下提出的研究课题，它对乳化液泵站各 项安全指标进行实时的采集与处理，大大提高数据采集和处理的准确性以及 传输的时效性，对生产中的安全隐患做出及时、准确的反馈和预测，为矿区 管理部门提供科学的决策依据，促进矿区采掘工作安全进行。 同时，本实时监测系统的设计，可以满足其它类型数据采集设备的需要。 在实时操作系统的管理下，系统功能的扩展简便，可适应不同监测对象的需 耍。 1 2 国内外研究现状 远程监控技术的发展历程与网络通信和传输技术的发展密切相关。首先 基于专用网络和专用控制协议的远程监控系统逐渐兴起，产生了如 r s 2 3 2 c 、i e e e 一4 8 8 ( g p m ) 等著名的传输控制协议和相应的硬件实现。随 着客户服务器( c l i e n t s e r v e r ) 模式的广泛应用，局域网开始逐步取代专用 网络，通用网络协议也相应取代专业协议，但该模式存在着一个重要的缺点， 就是用户必须安装、配置和维护本系统专用的客户端软件。随着l r l _ t e m e t 的 出现和爆炸式增长，网络技术更新之快令人目不暇接，这给远程监控体系的 发展注入了新的活力，基于i n t e r n e t 的远程监控系统的研究和实现可以为远 程监控、远程诊断和远程维护等系统的发展提供技术基础，成为当今远程监 控技术发展的主要方向。 当前世界各国，特别是发达国家都十分注重将高新技术与传统的工业技 术相结合，投入大量的物力和财力进行工业设备实时监测和远程钡0 控，以达 到更高的安全性和提高管理效率。如监控网络与信息网络的集成已成为智能 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 贞 监控技术发展的主要方向，从而使远程智能监测、控制成为可能；在嵌入式 控制技术的推动下，嵌入式智能控制、嵌入式w e b 得到迅速发展：分布式监 控网络和分布式智能控带4 技术的发展，不但实现了监测系统、控制系统、控 制设备的协涮： 作，而且为实现控制网络与信息网络的无缝集成提供了强有 力的技术支撑。 目前国内对于乳化液泵站的安全监控手段多为被动的安全阀装黄，不能 及时地预报可能存在的安全隐患，而目前市场上的乳化液泵站测定仪也仅针 对乳化液泵站的性能进行地面检测，无法实时地监测泵站的工作状态。 同 时，这类监测设备无通信功能，无法实现远程测控，随羞工业生产网络化进 程的加速，传统的监控手段已不能满足工业发展的需要。 1 3 本课题的主要内容 本课题针对蟊前矿山用乳化液泵站的实际需要，以3 2 位a r m 微处理器 s 3 c 4 4 b o x 为控制核心，主要设计了一个基于嵌入式实时操作系统uc o s i i 的远程数据采集系统。该系统不仅可用乳化液泵站实时监测的需要，也可适 应大多数工业设备的实对监测需要。该系统通用性好，可扩展性强，可靠性 商。所研制的样机在实验室条件下基本完成了系统的特定功能。在硬传实现 技术上，选用了接口丰富、处理能力极强的嵌入式a r m 微处理器，提升了系 统的性能：在软件设计上采用了嵌入式实时操作系统pc o s i i ，并对该实时 操作系统的移植与应用进行了深入研究。其主要内容有以下几方面： ( 1 1系统总体结构设计根据系统的主要功能要求和性能要求，划分系统 各功能模块；数据采集方案的选择，以及数据通信系统相关内容的设计； ( 2 ) 嵌入式数据采集系统的设计从系统结构框图出发，介绍各部分功能 模块的实现，并绘出相应的电路图和部分关键代码；结合嵌入式实时操 作系统“c o s i i 的特点，讨论其在a r m 微处理器s 3 c 4 4 b 0 x 上的移 植过程并介绍嵌入式应用程序的整个开发过程，包括任务划分、任务 间调度和通信的实现、开发调试的相关内容等； ( 3 ) 远程监测中心管理软件的设计应用图形化编程语言l a b v i e w 进行 远程监测中心( 上位机) 管理软件的开发，实现了数据实时显示、存储 以及历史数据的查询，并可随时设置嵌入系统( 下位枫) 各项参数； 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 ( 4 )远程通信系统设计实现串行及以太网两种通信方式，实现u d p 协 议下的点对点通信及嵌入式w e b 服务器的设计，为监测设备的网络化 提供基础： 1 。4 嵌入式系统概述 嵌入式系统的设计为本文的核心，因此有必要对其定义、特点及使用实 时操作系统的原因进行详细论证。 1 4 1 嵌入式系统的定义及特点 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 被定义为：以应用为中心、以计算机技 术为基础，软硬件可裁减，以适应对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格 要求的专用计算机系统。以其小型、专用、易携带、可靠性高等特点，已经 在工业控制领域得到了广泛的应用，如工业工程控制、远程监控、智能仪器 仪表、机器人控制器、数控系统等。典型的嵌入式系统由硬件和软件两大部 分组成，即以微处理器( m p u ) 或微控制器( m c u ) 为核心的硬件设计和 基于嵌入式应用的实时操作系统( r t o s ) 的软件开发。 可以看出嵌入式系统有以下几个重要特征： 1 系统内核小。由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置，系统资源 相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。 2 专用性强。嵌入式系统的个性化很强。其中的软件系统和硬件的结合 非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一 系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同 时，针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改；程序的编译下 载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全不同的概 念。 3 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 要求其功能的设计及实现过于复杂，这样一方面利于控制系统成本， 同时也利于实现系统安全。 4 高实时性的操作系统软件是嵌入式软件的基本要求。丽且软件要求固 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 化存储，以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性。 5 嵌入式软件丌发要走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。嵌入 式系统的应用程序可以没有操作系统面直接在芯片上运行；但是为了 合理地凋度多任务，利用系统资源、系统函数以及专家库函数接口， 用户必须自行选配r t o s 开发平台，这样才能保证程序执行的实时 性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。 6 嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境。由于嵌入式系统本身不 具备自主开发能力，即使设计完成后，用户通常也不能对其中的程序 功能进行修改，因此必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 1 4 2 嵌入式处理器及其选型 嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的核心部分。目前，世界上具有嵌 入式功能特点的处理器已超过1 0 0 0 种，流行体系结构包括m c u 、m p u 等3 0 多个系列。根据其现状，嵌入式处理器可以分为下面几类： ( 1 ) 嵌入式微处理器( m p u ) ：是由通用计算机中的c p u 演变而来的，主 要特点是具有3 2 位以上的处理器，具有较高的性能。与计算机处理 器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留相关的功能硬件，以晟 低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。目前主要的嵌入式处 理器类型有a m l 8 6 8 8 、p o w e r p c 、6 8 0 0 、a r m s u o n g a r m 等。 ( 2 ) 嵌入式微控制器( m c u ) ：其典型代表是单片机，是目前嵌入式系 统工业的主流。和嵌入式微处理器相比，它最大的特点是单片化， 体积大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。由于m c u 低 廉的价格、优良的功能，拥有的品种和数量最多，比较有代表性的 包括：8 0 5 1 、m c s 一2 5 1 、m c s 9 6 、6 8 k 系列等。 ( 3 ) 嵌入式d s p 处理器( d s p ) ：是专门用于信号处理方短的处理器， 具有很高的编译效率指令执行速度，在数字滤波、f f t 、谱分析等 方面获得了大规模的应用。目前最为广泛应用的是t i 的 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 系列。 ( 4 )嵌入式片上系统( s o c ) ：是追求产品系统最大包容的集成器件，是 目前嵌入式应用领域的热门话题之一，在声音、图像、影视、网络 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 及系统逻辑等应用领域中发挥重要的作用，比较典型的通用系列如 s i e m e n s 的t r i c o r e 。 为适应工业控制现场的网络化化发展需求，本系统应具有网络通信功能， 决定采用a r m 系列嵌入式微处理器。 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 嵌入式处理器是一种高性能、低功耗 的3 2 位r i s c 芯片，由英国a r m 公司设计。世界上几乎所有的主要半导体 厂商都生产基于a r t v l 体系结构的通用芯片，或在其专用芯片上嵌入a r m 的相关技术。目前，a r m 微处理器已遍及工业控制、消费类电子产品、通 信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场。a r m 微处理器目前有五个 系统：a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 和s e c u r c o r e ，其中a r m 7 最为广 泛使用。a r m 7 是低功耗的3 2 位核，最适用于对价位和功耗敏感的消费类 应用，具有嵌入式i c e r t 逻辑、低功耗、能提供o 9 m i p m h z 的三级流水 线和冯诺依曼结构等特点。 1 4 3 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入 式系统极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内 核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等部分。嵌入式操 作系统具有通用操作系统的基本特点，但在系统实时高效性、硬件的相关性、 软件固态化以及应用的专用性等方面具有更为突出的特点。更为重要的是嵌 入式操作系统对应用程序可以起到屏蔽作用，使应用程序员面向操作系统级 开发应用软件，并易于在不同的嵌入式处理器上移植。 实时操作系统是指其有实时性、能支持实时控制系统工作的操作系统。 它能够进行任务管理( 任务调度) 、任务间同步和通信( 信号量和邮箱) 、存 储器优化管理( r o m 管理) 、实时时钟服务以及中断管理服务等，具有规模小、 中断被屏蔽时间和中断处理时间短、任务切换快等优点。 实时操作系统可分为可抢占型和不可抢占型两类。对于基于优先级的系 统而言，可抢占型实时操作系统是指内核可以抢占正在进行的任务的c p u 使 用权，并将使用权交给进入就绪态的优先级更高的任务，即内核抢占了c p u 让其它任务运行；而不可抢占型实时操作系统则使用某种算法决定让某个任 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 务运行后，把c p u 的控制权完全交给了该任务，直到它主动将c p u 控制权交 还回来。因此，可抢占型实时操作系统的实时性好，优先级高的任务只要具 各了运行的条件，即任务进行了就绪态，就可以立即运行。也就是说，除了 优先级最高的任务，其他任务在运行过程中都可能随时被比它优先级高的任 务中断，让后者先运行。通过这种方式的任务调度保证了系统的实时性。 目前，嵌入式实时操作系统在嵌入式系统中的应用越来越广泛，尤其在 功能复杂、系统庞大的应用中显得愈来愈重要。在嵌入式实时操作系统环境 下开发实时应用程序的设计和扩展变得非常容易，不需要大的改动就可以增 加新的功能。通过将应用程序分割成若干独立的任务模块，使应用程序的设 计过程大为简化；而且对实时性要求苛刻的事件都得到了快速、可靠的处理。 通过有效的系统服务，嵌入式系统使得系统资源得到更好的利用。 因此，嵌入式控制器内嵌实时操作系统，具有实时性、成本低、小型化、 专用化和高可靠性，克服了传统的基于单片机控制系统功能不足和基于p ( ： 的控制系统非实时性的和、缺点，在工业控制领域具有广扩的应用前景。 目前，市场上的大型商用嵌入式实时系统，如v e r t e x 、v x w o r k s 、p s o s 等已十分成熟，但商用嵌入式实时操作系统价格昂贵，而且针对特定的硬件 平台。因此，本系统选择开放源代码的免费软件。目前源码开放的嵌入式操 作系统有“c o s i i 和u c l i n u x 。uc o s i i 是一个非常容易学习，结构简单， 功能完备和实时性很强的嵌入式操作系统内核；u c l i n u x 网络通信功能较强， 但实时性方面不如pc 0 8 一i i 出色。根据本系统实时监测的要求，在系统软 件设计上采用嵌入式实时操作系统uc o s i i 。nc o s - i i 是源码公开、可移 植性强的多任务实时内核，软件开发直接在多任务内核下实现，提离了c p t 的利用率，保证了系统的实时性、稳定性与可靠性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第二章远程监测系统总体结构设计 本章通过对乳化液泵站监测系统功能要求的分析，明确实时监测的目的 与要求，确定了监测系统总体结构，并对该系统结构及数据通信系统设计进 行了详细的说明。 2 1 乳化液泵站监测系统功能要求 乳化液泵站实时监测系统的设计目的就是采用现代智能机电系统技术， 实现井下乳化液泵站全天候安全运行与无人自动监测，在异常情况出现时实 时预报警，并与井上p c 机进行数据通信，实现远程监测。因此，要求乳化 液泵站实时监测系统应其有如下功能： ( 1 ) 对系统压力、乳化液温度、乳化液箱液面高度、乳化液泵曲轴润滑液流 量等物理参数进行连续地巡回地实时监测； ( 2 ) 所监测参数全部实现数字化集中显示( l e d 滚动屏) ： ( 3 ) 智能判别所监测参数的正常、准异常、异常情况，进行故障诊断并实施 报警： ( 4 ) 用户可以现场调整正常、准异常、异常数字区间( 上下界限) ： ( 5 ) 系统具有开机自检功能，以确保监测系统自身软硬件正确运行； ( 6 ) 向上位管理微机实时传递各监测量。上位微机对采集数据进行存储与处 理，并具有历史数据查询功能，可对下位嵌入式系统进行远程参数设置。 2 2 远程监测系统总体方案设计 2 2 1 系统的总体结构 随着工业生产自动化及网络化要求的不断提高，计算机网络在工业生产 中的应用越来越广泛，通过网络通讯将各级计算机联结起来，它们分别完成 不同的工作，构成计算机管理控制系统。根据设计目标与设计功能的要求， 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 嵌入式乳化液泵站实时监测系统必须实现多测点多参数的般测、故障诊断处 理及远程通信功能，根据这一需要，本系统决定采用上f 位机形式的两级管 理系统。系统由远程管理中一t b ( 上位机) 、嵌入式监测单元( 下位机) 、信号 采集与调理三部分组成，整个系统的结构示意图如凰2 1 所示： 一，9 、 远军蕙理隔 串行通 一c = 1 j 小键盘 咀太嗣通信 ( 集线嚣) l e d 显示屏 善于a r m 的嵌 入式监测单元 传感器与 调理电路 系统压力 传感器与 调理电路 工 乳化液 温度 传感器与 调理电路 乳化液箱 液面高度 传感器与 调理电路 工 润滑液 流量 图2 1 嵌入式乳化液泵站实时监测系统结构示意图 2 2 2 两级计算机监测系统设计 嵌入式监测单元( 下位机) 是乳化液泵站监测系统的核心，负责完成各 路信号量的采集、处理及与上位机的远程通信。为适应系统要求，以及提高 系统的快速性，先用功能完善、资源事富、运算速度快的3 2 位单片机一一 三星$ 3 c 4 4 b o x 。 被测对象为系统压力、乳化液温度、液面高度及润滑液流量，由传感器 及调理电路将各物理量转换为模拟量送入嵌入式监测单元，由c p u 进行a d 转换，对所采集的信号量进行处理，包括驱动l e d 显示屏进行显示、被测 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 对象超限时进行报警、与远程管理中心( 上位机) 进行通信。 远程管理中心( 上位机) 为p c 工业计算机，其应用程序由图形化编程 语言l a b v i e w 编写。该系统由通信模块、数据处理模块、参数设置模块、 数据查询模块四部分组成。通信模块包括串行通信及以太网通信，完成与嵌 入式监测单元( 下位机) 的通信功能；数据处理模块将接收到的数据进行显 示并将其存储入指定的数据文件；参数设置模块可对下位机需要的各项参数 ( 预警值、报警值) 进行远程设置；数据查询模块可使用户随时查询各项历 史数据。 上下位机之间的通信采用串行通信及以太网通信两种方式，为系统今后 的扩展及接入网络化管理奠定基础。 2 。3 数据通信系统设计 2 3 1 数据通信的基本概念 通信的目的是将数据从一端传送到另一端，达到数据的交换。数据通信 有三个基本要素：通信设备( 包括交换和通信设备) 、信道( 包括透信介质) 和通信规程( 协议) 。数据通信发送方称为信源，接收方称为信宿。连接信 源和信宿的通道称为通信信道，或称通信线路。它可以是双绞线、同轴电缆、 光纤或微波通道等。 数据通信有两种方式，即并行数据通信和串行数据通信。并行通信是指 数据的各位同时进行传送的通信方式。其优点是传递速度快，但所需传输线 多，且在传输过程中出错率较高；串行通信是把数据一位一位顺序传送的通 信方式，它的突出优点是只需一对传送线( 发送和接收) ，这样就大大降低 了传送成本，且数据不易遗失，特别适用于远距离通信，但传送速度相对较 低。根据本系统性能要求，采用串行通信方式。 按照串行数据的同步方式，串行通信又可以分为同步通信和异步通信两 类。同步通信是按照软件识别同步字符来实现数据的发送和接收，异步通信 则是一种利用字符的再同步技术的通信方式。目前在串行通信时，通常采用 异步传输方式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 】页 2 3 2 异步串行通信技术 在异步串行通信中，数据通常是以字符( 或字节) 为单位组成字符帧传 送的。因此，字符帧格式和波特率是两个重要的指标，由用户根据实际情况 选定。 字符帧也叫数据帧，由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位等四部分 组成。起始位位于字符帧开头，只占一位，始终为逻辑0 低电平，用于向接 收设备表示发送端开始发送一帧信息。数据位紧跟起始位之后，用户根据情 况可取5 8 位，低位在前高位在后。若所传数据为a s c i i 字符，则常取7 位。奇偶校验位位于数据位后，仅占一位，用于表示串行通信中采用奇校验 还是偶校验，由用户根据需要决定。停止位位于字符帧的末尾，为逻辑l 高 电平，可取1 位、1 5 位或2 位，用于向接收端表示一帧字符信息已发送完 毕，也为发送下一帧字符做准备。两相邻字符帧之间可以无空闲位，也可有 若干空闲位，这由用户根据需要决定。存在空闲位正是异步串行通信的特征 之一。 波特率即数据传送速率，定义为每秒钟传送二进制数码的位数( 也称比 特率) ，单位是位秒( b s ) 。波特率是串行通信的重要指标，用于表征数据 传输的速率。波特率越高，数据传输速度越快。字符的实际传输速率是指每 秒内所传字符帧的帧数，和字符帧的格式有关。每位的传输时间定义为波特 率的倒数。例如波特率为1 2 0 0 b s 的通信系统，其每位的传输时间应为： t d = l 1 2 0 0 = o 8 3 3 ( m s ) 。波特率还和信道频带有关。波特率越高，信道频带越 宽。因此，波特率也是衡量通信频带的重要指标。 串行通信接口标准经过使用和发展，目前已经有多种。但都是在r s 一2 3 2 标准的基础上经过改进两形成的。r s 2 3 2 c 标准是美国电子工业联合会 ( e i a ) 与b e l l 等公司一起开发并于1 9 6 9 年公布的通信协议。由于该协议 标准推出较早，并且对通信接口的有关问题，如信号线功能、电气特性等都 有明确规定，于是一般通信接口与设备制造厂商都生产与r s 2 3 2 c 兼容的设 备，使得r s 2 3 2 c 成为计算机远程通信中广泛采用的一种串行通信接口标 准。 通常，微型汁算机中的信号电平是t t l 型的，即2 4 v 表示1 ，0 5 v 表示o 。如果数据终端设备与数据通信设备之闯仍采用这个电平传送数据， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 那么在两者距离增大时很可能会使信号源点的逻辑1 电平在到达目的地时衰 减到0 5 v 以下，从而使通信失败。因此，为了提高数据通信的可靠性和抗 击线路上各种噪声影响，r s 一2 3 2 ( 标准中规定：逻辑0 电平范围为+ 3 v + 1 5 v ， 逻辑1 电平范围为一3 v 一1 5 v 。 e i a r s 一2 3 2 c 用正负电压表示信号的逻辑状态，与t t l 以高低电平表示 逻辑状态的规定不同是为了提高抗干扰能力和增加传输距离。由于逻辑1 和 逻辑0 用相反的电压表示，使两种状态之间的电压差较大，这就极大地提高 了数据传输的可靠性。e i a r s 2 3 2 c 为能够同计算机接口或终端的t t l 器件 连接，必须在e i ar s 2 3 2 c 与t t l 电路之间进行电平和逻辑关系的变换。 实现这种变换的方法可用分离元件，也可用集成电路芯片转换。目前使用较 广泛的是集成电路转换器件，如m c l 4 8 8 、m c l 4 8 9 、s n 7 5 1 5 0 、s n 7 5 1 5 4 、 m a x 2 3 2 等即为此类转换器件，其中m p 2 3 2 是一种新型的功能很强、当 前较为常用的芯片。 2 3 3 简单通信协议设计 为了确保测点数据采集系统与p c 机的通信可靠准确，仅仅依靠硬件网 络是不够的，还需要有数据通信协议的支持，所以特制定了较为简单、实用 的有线数据通信协议。 1 协议概述 设计通信协议的目的就是要在测点与控制中心之阃建立一条可靠的通信 链路，使得数据采集程序和p c 机能够透明可靠的进行交互，从而保证数据 采集的顺利进行。 对于p c 机来说，可以通过对串口读写来控制与p c 机相连的外设，由于 可以采用各种面向对象的高级语言来进行通信程序的编写，且通信软件的编 写对硬件的依赖性非常小，因而实际的通信程序的实现相对来说要简单一 些。而对终端机来说，通信程序的编写对硬件的依赖性比较大，且软件的编 写工具采用的是c 语言，实现起来相对来说要复杂一些。 通信协议设计思想是基于字符串命令的传输方式，即按照不同的命令发 送不同格式的字符串数据。由于通信模块是直接为应用程序服务，因而通信 的过程与应用程序密切相关，我们的设计是每一组字符串都对应于应用程序 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 或控制程序的一个命令，由于每次传输的数据的处理量不大，因此当每正确 接收一个字符串，即交给应用程序处理，在应用程序处理完毕后，再根据处 理的情况组装对应的字符串数据发送到信道内。 本系统数据通信过程如下： a ) 远程控制中心根据用户的操作，组装命令字符串发送，然后控制中 心等待测点终端机的响应信号； b ) 如果终端机能够正确接收到控制中心发送的命令字符串，就根据命 令字符串的格式校验其正确性，若不难确，将此字符串丢弃，若校 验正确，即对其进行处理，根据相应的命令进行操作。如果操作完 成，则组装相应的数据字符串发送到信道中； c ) 控制中心收到终端机的响应字符串之后，就检验其正确性，若不正 确，则丢弃并重发上次命令，若校验正确，就交给就用程序进行相 应处理。 2 简单命令字符串的设计 在本系统中，我们定义了几种命令方式：开始读取命令、设置预警报警 参数命令，具体命令字符串及数据字符中的格式如下： 1 ) 开始读取命令s 控制中心发送s t r d 表示命令终端机将当前采集的各项数据发送至远程 控制中心。当终端机接收到此命令后，将格式为t x x x p x x x f x x x w x x x 数据字 符串发送出去。其中t 、p 、f 、w 分别表示其后数据为温度、压力、流量和 液位数据，x x x 表示相应的数据值。 2 1 设置预警报警参数命令s e t 当远程控制中心需对终端机各项参数进行设置时，应用程序组装格式为 s e t t y x x x 格式的命令，其中t y 表示其后数据为温度预警值参数，x x x 表 示相应数据值。类似命令有：s e t t b x x x 表示设置温度报警值参数， s e t p y x x x 、s e t p b x x x 、s e t f y x x x 、s e t f b x x x 、s e t w y x x x 、s e t w b x x x 分别表示设置压力、流量、液位的预警与报警参数。 2 4 本系统的优越性 本课题使用嵌入式a r m 微处理器和嵌入式实时操作系统进行系统开发 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 与传统监测设备相比，其优越性在于： 1 采用3 2 位微处理器，其处理能力与速度大大超过单片机系统，接近 p c 机的水平，但体积更小；且具有丰富的硬件接口，如u a r t 、l c d 、7 1 个通用i o 口等，为扩展提供了方便 2 由于在终端机上扩展了l e d 显示屏，适应井下复杂环境，而且键盘 也具有很高的实时性，可以完全满足信息的输入和对控制系统的干预等二【： 作，使数据采集系统具有人性化的特点： 3 采用源码公开、可移植性强的嵌入式实时操作系统岷o s i i ，利用它 进行系统的任务管理、任务间的通信等，从而提高了系统的实时性、可靠性 与稳定性； 4 ， 设计简便，通用性好；系统采用模块化的设计方法，开放的用户程 序接口( a p i ) 函数供用户直接调用使用，且采用可移植性很强的高级语言 c 进行编写，可读性强，简单易懂。 5 采用两级计算机监测系统。嵌入式监测单元可于井下独立工作，也可 由远程管理中心进行控制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 第三章嵌入式数据采集系统硬件平台 设计 本章对基于a r m 微处理器s 3 c 4 4 b 0 x 的嵌入式数据采集系统进行总体设 计，介绍了嵌入式系统的硬件结构，并详细介绍了嵌入式系统主要硬件功能 的具体实现过程。 3 1 嵌入式数据采集系统的硬件结构 嵌入式数据采集系统主要实现的功能是通过传感器实时采集被测对象的 数据：对采集数据进行分析与预报警；将采集的数据通过l e d 显示屏进行 显示，供井下工作人员了解设备状态：与远程监测中心建立连接，将采集数 据以串行通信或以太网通信的方式传给监测中心。 因此，将嵌入式数据采集系统分为以下三个部分：传感器单元、数据采 集单元和外围扩展单元，如图3 1 所示。其中传感器单元包括各类传感器及 其调理电路；数据采集单元包括嵌入式微处理器、键盘与显示电路以及串行 接口电路：外围扩展电路包括电源电路、声光报警电路及以太网接口电路。 图3 1 数据采集系统的结构框图 传感嚣单元由温度传感器、压力传感器、流量传感器及其信号调理电路 构成，负责对被测物理量进行数据采样，并将采样数据传至数据采集系统进 行处理。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 数据采集单元是整个嵌入式数据采集系统的核心，根据系统功能和系统 扩展的要求，采用3 2 位嵌入式a r m 微处理器实现数据的转换与处理、显示 和传输等功能。 外围扩展电路向系统提供能源，电源电路用于向数据采集系统提供十3 ，3 v 的直流电压。同时为适应现代工业测控的网络化发展趋势，设计以太网通信 接口，完成监控设备的网络化要求。 3 2 嵌入式数据采集系统主要功能的实现 3 2 1 嵌入式a l l d v l 微处理器s 3 c 4 4 b o x 嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心部件。本系统采用s a m s u n g 公司推 出的基于a r m 7 t d m i 核的3 2 位r i s c 高速处理器s 3 c 4 4 b o x 。它是基于工业控 制应用系统的高性价比微控制器，内含一个由a r m 公司设计的1 6 3 2 位 a r m 7 t d m ir i s c 处理器核，a r m t t d m i 为低功耗、高性能的1 6 3 2 核，最适合 用于对价格及功耗敏感的应用场合。它的工作电压为3 3 v ，内核a r m 7 t d m i 的工作电压仅为2 。5 v ，大大降低了芯片的功耗。 s 3 c 4 4 b o x 在a r m 7 t d m i 内核的基础上扩展了完整的通用外围器件，使系统 性价比大幅提高，减少了对附加配置的需要。集成于片上的功能如下： 1 ) 8 个m e m o r yb a n k s ，用于管理外部存储器，最大存储容量达到2 5 6 m b 。 可扩展e p r o m 、f l a s h 、u s b 和l c d 。每个b a n k 支持8 1 6 3 2 位数据格式，可 寻址3 2 m b 。其中b a n k o 专用于系统启动，b a n k 6 、b a n k 7 专用于s r a m 、s d r a m 等。 2 ) l c d 控制器，支持单色、4 、1 6 级灰度的l c d 模块；支持4 位的单双 行扫描、8 位的单行扫描形式的显示类型。主要支持6 0 4 x 4 8 0 、3 2 0 x 2 4 0 、 1 6 0 x 1 6 0 等显示点阵。 3 )两路u a r t ，虽离传输速度为1 1 5 2 0 0 b s 。支持i r d a l 0 ，可用于红外 通信。 4 )5 路p w m 调制输出，可用于控制蜂鸣器输出不同声音，提示系统各类 信息。 5 )7 1 个 o 口，包括8 个外部中断源，可用于键盘、l c d 背光、照明 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 控制等。 6 ) 8 路1 0 位a d 转换器。 7 )带日历功能的系统实时时钟，可用于记录数据采集时间。 8 )4 种系统工作模式：正常、慢速、闲置和停止模式。根据不同的需要 设置不同的工作方式，可以降低系统功耗。 3 2 2 数据采集与处理 1 多通道a d 转换 数据采集与处理是实现溅量及控制的首要环节。由于本