（测试计量技术及仪器专业论文）基于嵌入式技术的动态应变数据采集系统.pdf

南京理工大学硕士论文基于嵌入式技术的动态应变数据采集系统 abs tract c o 。 l d e d ng the di s 目v a 口 ta g e s ofc 0 n v e nt i 0 na1 d y nam ics tr al nm e as 功 茂 m e nisy 川 匕 m s u c has l 田 唱 eo u t l l n es， m c o n v e 川 印t u 鱿 ig ea n dll abletov a d ousi n t e rf(沈n c e s ， an e w d y 比 双 ni cs tr a in meas u 比 m e n t s y st e m w a sdes i g l ed b a se do nth em o d 。 刀e m b e d d e d 叨m p u t ert e c hno l o gyand s tr aj l1 m e as ur e m e nite c hi lo 1 0 gy， wl 五 chis th e l nt e gr a l i onofsi 邵 班 1 c o n d i t i o 拍 n g ， 山扭舰 叼 u l n . g and d al 以 i ss u in g . t 七 e h a rdw ar e of面s meas ux e m ent sys t e misb t l l lt b 别 湘 d ollt b e a d y 肚 ic ed3 2 bit a r m g processo r，w hi c histhe con tr o 1 1 erofsi ，aico血i t i o np art， a i dc o d v e r s ion p art， d a t a m e m o ryp art and o t h e r s . a 刀 d the d a tat n 奴 招 面s sion and con u n 切 . c a t i o n isre al i 万 月v i a th e e th c m e t 五 lt e d 油 c e . b ased o n em卜 对 d e dl 口 u xo pe阁i o nsys t eln， t h e so介 w ar e p art ofthis m 已 鹉 切 笼 m e nls y s t e misc o m pose d of脉 比 越 1 刁 鱿 i o n ofm o 苗 t o r and c o n tr 0 1 s y s te minb j s m ode by b u i l d ing e m bed d edv /e b s c r v e r 即d the o pera ta t l o n ofth e ba 记w ax e p art inth e c gip ro gr aj 刀byc ai ling b 灯 d ， lare 面v ers. u se rsm ay即ce ss而s m e as u 比 e m e nti n s t n 刀 力 e n t for s e tt in g s 别 m p l e p anu n e t e r， s 恤 rtt in g a s amp le ， vi e 铂n g at a curveand do翎1 1 0 翻吨 d a t a d j r e 川y b y a n y web b ro 、 ， e r w hi t o uta spe ci aia p p 1 i c at i onsoft w ar e ， b 韶 e d 姐sy s t e mdeb u g gi ngan d e x per u n e nts， it isp r o v edt hat th e sy stem1 1 asb as ic al ly 郎 址 e v e d th e re qui r e m e o s p u t fo n 明 双 己 k e 犷 砰 o r ds;d y n 别 山 i c s 住 妞 山 ， d a q ， e m b e d d ed， a r mg ， l l n u x ， e t h e me t ， 节 尼 b s e r v er 南京理工大学硕士论文基于嵌入式技术的动态应变数据采集系统 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以 标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的 材料。与我一同 工作的同事对本学位论文做出的贡献均已 在论文 中作了明 确的说明。 研 “ 生 跳擒 书 一 卿7年/ 月f 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以 借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内 容，可以向 有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学 位论文的 全部或部分内容。 对于保密 论文，按保密的 有关规定和程序处理。 研 “ 何藻乡 一 河 年了 月 了 日 南京理工大学硕士论文荃于嵌入式技术的动态应变数据采集系统 1 绪论 l l研究背景 随着电 子技术、 计算机技术以 及网络技术的不断进步和拓展， 特别是嵌入式技术 的出 现使得在仪器领域也发生了 很大的变化。 嵌入式计算机技术已 经成为了后p c 技 术时代的 标志。 嵌入式系统是以 应用为中心， 以 计算机技术为基础， 并且软硬件可裁 剪， 适用于应用系统对功能、 可靠性、 成本、 体积以及功耗等有严格要求的专用计算 机系统。 它一般由嵌入式微处理器、 外围硬件设备、 嵌入式操作系统以及用户的应用 程序等四 个部分组成， 用于实现对其他设备的 控制、 监视或管理等功能lj 。 21世纪的仪器概念是一个开放的系统概念。 以p c 机和工作站为基础， 通过组建 网 络来构成实用的 测控系统， 提高生产效率和共享信息资 源， 已 成为现代仪器仪表发 展的方向。 而网络化仪器的概念是对传统测量仪器概念的突破， 如果在测控系统中由 更多不同类型的智能设备也像计算机和工作站一样成为网 络的节点联入互联网， 充分 利用目 前已比 较成熟的b t e rn et网络的设备，则不仅能实现更多资源的共享和降低组 建系统的费用，还可提高测控系统的功能，并拓展其应用的范围。 “ 网络就是仪器” 的 概念， 确切的概述了 仪器的网络化发展趋势， 研究和应用嵌入式网 络技术在测控仪 器领域具有非常重要的 意义阁 固 。 在应变测试中， 由于应变信号自 身存在的微弱、 易受干扰等特点， 尤其是在现场 大量干扰源的情况下， 传统应变仪的测量精度和可靠性往往会受到很大的影响。 同时， 应变信号传输线越长，会使应变信号越易受到干扰。而在许多实际应变测试环境中， 由于受到测试仪器的性能、 体积以 及工作环境条件等因数的影响， 应变仪与被测点之 间的距离不能足够的 近， 使得应变信号传输线长度必须增加。 但随着信号线长度的增 加，会引入许多影响测试结果的千扰因素， 如接线电阻增加， 影响电桥输出;极易引 入外界各种串模和共模干扰; 线上分布电容以及环境引 起的绝缘电阻变化增加， 导致 测量值产生漂移和读数误差以及由 于无法确定分布电容和绝缘电阻大小变化情况并 给以修正而只能 在测量中 经常检查， 这将难以达到很高的 测量精度等等。 即使采用高 质量的屏蔽线， 也不能很好的解决上述问 题。 所以， 这部分的恰当处理对应变信号采 集来讲尤为 重要i7) ej . 比如， 在对火炮炮管的应变测试中， 现场存在大量的强振动、 强电磁场等干扰影 响， 这就对测试设备有很高的要求。 而传统的应变测试设备由 于存在体积大、 接线复 杂、 使用不方便等诸多缺点， 设备不可能放置在距离火炮很近的地方， 一般距火炮有 南京理工大学硕士论文 基于嵌入式技术的动态应变数据采典系统 几十米以上。 被测应变信号在经过这段长导线时， 极易受到现场各种干扰的影响， 导 致测试结果不可靠。 鉴于此，设计一种在硬件上以犯 位嵌入式微处理器为核心、软件上以嵌入式操 作系统为基础的、 基于嵌入式网 络技术实现远距离测试的 便携式智能应变测试系统也 成为可能和必要。 它将为我国的 现有测试仪器更新换代和总体测试水平的进一步提高 做出 一定的贡献， 因而具有特别的 研究价值. 与 传统的 应变测试系统相比， 它主要有 以 下 优 点 : ( 1) 由 于采用先进的嵌入式处理器作为整个应变测试系统的控制核心，其丰富 的片上资源使得测试系统能够做到足够的智能化和多功能 化。 在内部嵌入式操作系统 的支持下， 不同的功能可以通过相互独立的应用程序来实现， 即使某一部分功能出现 问 题， 也不会影响 其它部分的功能， 从而提高 整个系统的可靠性。 在需要对仪器的功 能作相应增加或改进时可以 很方便地通过升级其中的软件来实现。 (2)传统的应变测试设备一般由应变信号调理仪、数据采集仪、数据处理和显 示终端等组成， 测试设备存在体积大、 接线复杂、 使用不方便等缺点。 本仪器将这些 部分集成在一起，最大限度地缩小了测试仪器的体积，并且接线方便，使用简单。 ( 3) 基于以 太网的通讯方式，能够实现远离现场操作仪器完成测试。在使用 i o b as e 一 t的网 线时， 其最大网 段长度可达 10 0 米， 若将其接入b t e m e t ， 则对通信距 离几乎没有限制。 因此可以将应变仪就近放置到被测点， 而将监控设备远离现场进行 远程控制， 有效缩短应变信号引 线的长度， 从而 最大可能 地减小外界干扰的影响。 在 仪器上实现 we b服务器功能后， 用户便可以通过本地终端p c的网页浏览器直接访 问仪器， 设置仪器工作参数、 启动数据采集、 监视仪器状态以 及下载数据等， 而无需 安装专门的测试软件， 使用方便。 (4)该应变仪既可单台使用，也可将多台仪器互联组网，从而很方便就可以组 建大型的应变测试系统， 以 解决分布式大范围的多点应变测试问题。 更可以将其直接 接入加t e me t ，用方便、低廉的方式实现信息资源的共享。 1 .2国内 外研究现状 近年来，由 于微电 子技术、 嵌入式处理器技术的飞速发展， 智能仪器已 成为仪器 领域的主流和今后仪器发展必然趋势。 随着分布式自 动测控技术的不断发展， 网络化 测控系统的 研究和应用也受到关注。 网络化测控系统通过将计算机网 络通信技术、 虚 拟仪器技术和自 动测试技术融为一体，实现了网络化测控闭 。 目 前， 国内 仍然有许多生产应变仪的公司在生产和销售传统的非 程控应变仪， 与 此同时， 越来越多的厂商都开始重视新型数字式智能应变仪的开发和投入， 因为无论 南京理工大学硕士论文 基于嵌入式技术的动态应变数据采集系统 是厂商还是用户都意识到了 在以计算机化测控为主流的今天， 传统仪器将越来越不能 适应科研和实际工程测试项目的需要。 有一些国内 外公司已 经研制出 新型数字式应变 仪，如拓普测控的仰一 3 602 g全程控应变测试系统等，不过它们往往都是通过rs232 或者u s b等方式通信， 受到传输距离限 制， 不能适应很多场合要远距离传输的需求， 并且多台仪器组网也相对困难。 同时， 也有一些国内 和国外的公司已 研发出基于以太 网通信的相关测试仪器产品， 不过这类产品大都属于通用设备， 不是专门针对应变测 试的，或者功能单一、价格昂贵。 鉴于以上分析，本课题的任务是研制一种基于嵌入式技术的动态应变测试系统， 使用先进的犯位a 侧 m g 处理器作为控制核心，软件上以嵌入式l i n ux操作系统为基 础，通过以太网进行数据通信。 高精度、 智能 化、 网络化是当今测量仪器发展的 趋势， 及时跟踪最新技术， 不断 调整仪器设计方案， 使之能 满足用户不断出 现的新需求，符合现代仪器设计理会. 1 .3本文主要工作 本文主要文介绍了以 下几个方面的工作: 第1 章绪论部分首先介绍了 本课题的 研究背景和意义， 以 及国内 外在这方面的研 究现状。 第2 章提出系统设计目 标，并给出了总体设计方案，包括硬件架构和软件架构。 第3 章详细叙述了 本测试系统硬件的设计过程。 包括由 测量电 桥电路、 信号调理 电路和 a 月 转换电路构成的应变测量电路的设计，由 微处理器最小系统、以太网接 口电路等组成的系统控制电路设计以及系统供电设计。 第 4章介绍了 本系统在系统层的软件设计。 其中 包括嵌入式l i n u x操作系统和 b ootl 。 目 e r 的移植、 交叉开发环境的 建立、 根文件系统和jff sz文件系统的建立以及 硬件驱动程序的设计。 第5 章主要就人机交互界面的设计进行介绍. 包括b oa服务器的 搭建、 c gi程序 的设计、用户界面的设计、系统调试以及实验部分的内容。 南京理工大学硕士论文 荃于嵌入式技术的动态应变数据采集系统 2 系统总体设计 2. 1概述 本系统设计目 标是实现基于嵌入式技术的 动态应变数据采集系统， 将嵌入式技术 应用到传统的 动态应变测试中去， 设计出 一种网 络化、 智能化、 多功能的动态应变测 试系统。 从功能角 度讲就是用户通过浏览器访问本系统发布的w e b 页面登陆测试系 统，完成参数设置、数据采集、结果显示以及数据下载等工作。 该动态应变数据采集系统主要技术参数如下: ( 1) 通道数:6 (2)测量范围 :月5 0 00娜 ( 3 )频响:d c 2 5 k h z ( 4 )测量准确度:0. 5 %f s ( 5 )桥压:i v s v ( 6 )应变片灵敏度系数: k = 2 (7) 标配 应 变 片阻 值: 2 00。 ( 8) 程控低通滤波范围: 10hz5 0 kl 七 2. 2硬件架构 硬件部分作为整个系统的基础，其性能直接关系到整个系统的可靠性和稳定性。 特别是在数据采集系统中， 系统的测试精度主要由数据采集部分硬件设计保证。 所以 硬件设计成为本系统设计中非常重要的一个环节。 根据前面的 分析， 本系统的硬件电 路部分结构如图2. 1 所示， 主要包括以 下几个 部分: ( 1 )系统供电 单元 为整个电路系统提供正常工作所需的各种不同电压， 由于本系统包括数字电路和 模拟电 路两部分， 所以 需要在供电 部分做适当的处理以 保证两部分电 路的正常工作。 (2)电桥电 路单元 主要用来为 应变电桥提供稳定的程控桥压， 主要包括电 桥自 动调零电路以及程控 桥源电路。 (3)信号调理单元 南京理工大学硕士论文塞于嵌入式技术的动态应变数据采集系统 图2 . 1系统硬件结构图 负责把来自 电 阻应变片的 应变信号经过一系列的处理， 最终调理成能 被 人 了 d转 换器接受的电 压信号并送到信号采集单元。 这部分包括两级程控放大电路的设计、 放 大器自 动调零电路以及程控滤波器的设计。 (4) 信号采集单元 完成习d 转换。 根据需要， 这里选择能同时 对六路模拟信号进行250 ks p s 转换的 16位a 刃转换器a d s 8364完成模数转换工作。 这部分电 路的设计关系到本系统的测 量结果的精度。 ( 5) 微控制单元 控制系统的 核心， 选择高性能的犯位a k m g 处理器s3c 2 410x 作为整个系统的 控制器。 其丰富的片上资源、 犯位的 线宽以 及高达2 028 m h z 的主频为嵌入式操作系 统的运行和w e b 服务器的搭建提供了 保障。这部分主要包括对系统各部分的 控制信 号、地址信号、数据接口以及刀 0接口电路的设计。 (6)存储器单元 用于存放操作系统的内 核、 文件系统以 及提供运行时所需的r a m空间。 存储器 包括n o rf l ash 和s d r a m。 ( 7 )以太网接口单元 选择被广泛使用的全双工0m以 太网控制芯片r t l 801 9 a s ， 完成网络数据帧的 收发、数据校验、冲突检测等。 (8) 通信调试接口 单元 包括j t a g接口 和rsz 犯接口 。 j t a g接口 用于在a r m处理器上进行在线调试 以 及fi 韶 h 的烧写: rs2 32接口 主要用于操作系统调试阶段输出调试信息以方便系统 调试。 5 南京理工大学硕士论文基于嵌入式技术的动态应变数据采集系统 2 3软件架构 嵌入式系统中的软 件设计， 从结构上来讲大体可分为 两类: 一类是前后台结构， 或者叫做超循环结构。 在这种结构中， 应用程序是一个无限 的循环， 循环中调用相应的函 数完成相应的操作， 这部分可以 看成后台。 中断服务程 序处理异步事件，这部分可以 看成前台。后台也可以叫做任务级。前台也叫中断级。 时间相关性很强的关键操作一定是靠中断服务来保证的。 因为中断服务提供的信息一 直要等到后台程序走到该处理这个信息这一步时才能得到处理， 这种系统在处理信息 的及时性上， 比实际可以 做到的 要差。 这个指标称作任务级响应时间。 最坏情况下的 任务级响应时间取决于整个循环的 执行时间。 因为循环的 执行时间不是常数， 程序经 过某一特定部分的准确时间也不能确定， 而且， 如果程序修改了， 循环的时序也会受 到影响。这种结构适合用于比 较简单的系统，常在八位单片机系统设计中使用。 另一类是使用嵌入式操作系统， 在操作系统上进行应用程序的开发。 使用嵌入式 操作系统有以下好处: ( 1)提高了 系统的 可靠性。 在控制系统中， 出于安 全方面的 考虑， 要求系统起 码不能崩溃， 而且还要有自 愈能力。 不仅要求在硬件设计方面提高系统的可靠性和抗 干扰性， 而且也应在软件设计方面提高系统的抗干扰性， 尽可能地减少安全漏洞和不 可靠的隐患。 长期以 来的前后台 系统软件设计在遇到强干扰时， 使得运行的程序产生 异常、出错、跑飞， 甚至死循环， 造成了系统的崩溃。 而有操作系统管理时，这种干 扰可能只是引起若千进程中的一个被破坏， 而内核会做适当的处理对其进行修复. 通 常情况下， 操作系统会有一个监控进程用来监视各进程运行状况， 遇到异常情况时采 取一些利于系统稳定可靠的措施，如把有问题的任务清除掉。 (2) 使用嵌入式操作系统能 够提高开发效率， 缩短了 开发周期。 在嵌入式操作 系统下， 开发一个复杂的 应用程序， 通常可以按照软件工 程中的解祸原则将整个程序 分解为多个任务模块。 每个任务 模块的调试、 修改几乎不影响其他模块。 有操作系统 作为平台，程序模块的 通用性等到 进一步加强， 减少了二次开发的工作。 (3) 充分发挥了32位c pu 的多任务潜力。犯位c pu 比8 、16位c p u主频更 高， 另外它本来是为运行多用户、 多任务操作系统而设计的， 特别适于使用多任务操 作系统的场合。 犯位c p u采用利于提高系统可靠性和稳定 性的设计， 能更好的保证 系统的稳健性。例如，c p u运行状态分为系统态和用户态。将系统堆栈和用户堆栈 分开，以及实时地给出c p u的 运行状态等，允许用户在系统设计中从硬件和软件两 方面对实时内核的运行实施保护。 如果还是采用以前的前后台方式，则无法发挥 犯 位c p u的优势。 在嵌入式应用中， 只有把c p u嵌入到系统中，同时又把操作系统嵌 入进去，才是真正的计算机嵌入式应用。 6 南京理工大学硕士论文 荃于嵌入式技术的动态应变数据采集系统 根据需要， 本系统选择嵌入式l i n ux操作系统， 除了它具有一般嵌入式操作系统 的基本特点外， 主要还考虑到了以 下几方面侧: ( l) l 吟是一个诞生于网络、成长于网络且成熟于网络的操作系统，内 置完 整的t c p /l p 协议栈， 提供了优秀的网络支持功能。 而本系统需要实现we b 服务器， 采用以太网进行数据交换，因此选用l i n u x 是出于对系统功能设计的考虑。 (2) 源代码开放，并且存在支持 s3c 2 4 1 o x芯片的l i n u x 版本，这就可以 减少 l l n ux操作系统移植工作的难度。 这对于工程应用来讲不但可以 缩短开发周期还可以 保证系统可靠性。另外， li nux 是完全免费的，这非常适合本课题的实际情况。 (3) 丰富的应用程序以 及网络资源， 有助于方便地完成应 l in ux 的移植以 及相 关应用程序的设计开发。 (4) lin u x作为嵌入式操作系统已在嵌入式领域有很多成功案例，而且在功能 要求较复杂、系统庞大的应用中用得越来越多。 本系统软件结构示意图如图2. 2 所示。 软件设计 部分需要完成以下几部分工作: ( 1)嵌入式l 加 以操作系统在本系统硬件平台 上的移植，包括内 核的裁减、配置文件的修改、文 件系统的制作等; ( 2 )引导加载程序u 一 boot的移植; (3) 系统底层硬件驱动程序的开发，包括以 太 网控制器驱动、川d转换驱动、采样定时器驱动、 s pi以 及n c设备驱动开发等: (4) 嵌入式w e b 服务器b oa的移植和搭建; ( 5 ) 基于 c gi 的应用程序开发以及动态 w e b 页面设计。 b o a服务器 c gi 接口应用程序 l in ux 操作系统内核 文件系统 设备驱动程序 系统硬件部分 图2. 2软件结构示惫图 2. 4本章小结 本章从硬件结构和软件结构两个方面分别 进行论述， 对基于嵌入式技术的 动态应 变测试系统的设计目 标和总体设计方案进行了 介绍。 南京理工大学硕士论文 墓于嵌入式技术的动态应变数据采集系统 3系统硬件设计 1 1应变测量电 路设计 电阻应变测试的原理是利用金属的电阻 应变效应， 通过电阻应变片将应变量转换 为电阻的变化量， 测得电阻的变化量就可以 得出相应的应变量。 然而电阻的变化往往 是很微小的， 因此须采用专门的测量电路 电桥测量电路， 这种测量电路不仅测量 准确度高， 且可以 进行温度补偿。 根据供桥电源的不同，电 桥可分为直流电 桥和交流 电 桥 ，公 ， ， ， 。 过去， 由于直流放大器存在较大零点漂移等问 题， 影响 测量结果， 很多动、 静态 应变仪都采用交流电 桥。 虽然交流放大器没有直流放大器存在零点 漂移等问 题， 但其 主要缺点是当采用长导线测量时， 导线的电容、电感影响很大， 且载波频率越高， 影 响就越大。 为此交 流电 桥的载波频率不能太高， 这就限 制了 测量信号频率的上限。 如 测量冲击、爆炸载荷下的瞬态应变时， 就不能使用交流电桥的应变仪。 近年来，由于 半导体微电子技术的 发展， 制造出 低噪声、 低漂移、 高增益的 直流放大器已 不存在问 题，因 此直流电 桥的 方案越来越多的 被采 用比 jtl 川 . 直流电桥还具有以 下优点: 高稳定度的直流电压源易于获得; 电 桥调节平衡电 路 简单; 传感器对测量电 路的分布参数影响小. 所以， 本动态应变数据采集系统中 采用 的是直流电桥. 工 l i 侧量电桥电路 工l l i直流电桥 直流惠斯登电 桥， 如图3 . 1 . 1 所示，由四 个电阻r ， 、凡、 凡、 r4组成四个桥臂: a 、 c为供桥端， 接到电 压为 认的 直流电 源; b 、d为电 桥输出 端，电 势uo是原网 络开路时b 、 d两点的 端电 压，可由 二支路的 分压比 直接得出uo为: uo = 凡 凡 一 尺 凡一 ( 凡+ 凡) ( 凡+ 凡) 认 ( 3 一 11 ) 电桥平衡时， b 、d输出电势uo应该为零，由式 ( 3 1 . 1 ) 凡x 凡= 凡x 凡 应变片工作时，若电 桥中 有一臂的电阻发生了变化， 可得电桥平衡条件: ( 3 . 1 ， 2 ) 比如r . 的阻值改变了 南京理工大学硕士论文 基于嵌入式技术的动态应变数据采集系统 从1 ，则输出电 势uo的值为: 二 = 丫 丛己丑 续 塑 塑 ， . u. 试 十 从. + 凡关 双 十 凡) ( 3 . 1 . 3 ) 可见，当风= r : 、凡= r 4 时，电 桥灵敏度为 最大。 这时的电 桥称为 对称电 桥， uo的值为: 认 =从1矶 凡4 ( 3 . 1 . 4 ) 其非线性误差为: 八 左 1 r l=二 下 内 ( 3 . 15 ) 在 实 际测 量 中使 用 的 电桥 一 般 取 r ， = r : = r 3 = 凡， 称 为 等臂电 桥。 对于电 阻 应 变片 来 讲， 由 于蝎 与凡相比 非常 小，电桥的非线性误差可以 忽略111。 若采用差动电桥则可以消除这个非线性误差， 同时还能使电桥灵敏度比单臂时提高一倍， 此外还 具有温度补偿的作用。 若将电桥接为全桥形式的差动电桥， 则电桥灵 敏度又能增加一倍，此时的电桥输出结果为: uo = 丛 . 认 (3.l.6)图3. l i直流电 桥 3. l i j 程控桥压源设计 本系统采用直流电桥， 应变电桥的输出受到电 桥供桥电压的直接影响， 供桥电压 的精度和稳定 性直接关系到应变测试结果的精度和稳定性， 所以 对于供桥电 压源的设 计尤为重要6 ， ， 。 这里采用 d / a转换器来实现输出电 压的程控， 程控桥压源主要由 基准电 压源、 d / a转换器、输出 驱动级三部分组成，如图3 . 1 .2 所示。 选用州 叭 x 5 3 9 作为d /a转换器。 m a x 5 3 9 是一低功耗、电 压型12位d a c ， 它 通 过spi 接口 与 控 制 器 通 信， 工 作 时 需 要 外 接基 准电 压峪， 当 使 用 +5v 供电 时 外 接 肠 的 范 围 是o v 一 3 v 州 叭 x 5 3 9 已 设 定 内 部 输出 缓 冲 器 增 益g = 2，其 输出 电 压临 为: 9 南京理工大学硕士论文 墓于嵌入式技术的动态应变数据采集系统 七 =2 . 4 09 6. 肠， 2 0 d 2 ， ， 选用a d 780 作为基准电压器件， a d 7 80 的输入电压范围是4v36v ， ( 31 . 7 ) 输出电压 图3. 1 .2 程控桥压源结构示意图 可以 通过配置选择引脚得到2. 5 v或3 .ov 的输出，当选择引脚接地时输出电 压为3 v 而悬空时输出则为2. 5 v 。其输出电 压精度可以 达到0. 04%。 这里选择2. 5 v输出，由 式 (3. 1 .7) 可知: d a c的输出电压范围 是ov4. 9 98v ， 步长约为1 .2 2 m v . 程控桥压源电 路如图3 . 1 . 3 所示。 d 从转换器州 叭 沉 5 3 9 以a d 7 80输出的2. 5 v作 为基准， 其输出电 压首先经过rc 滤波， 再经过由 轨到轨运放o p i %构成的输出 缓冲 图3 . 1 . 3 程控桥压源电路 器后作为供桥电压v b接到应变电 桥。 为了保证六路被测应变电 桥能够提供不同的电 桥电 压各自 独立工作， 以及减小相 互的信号干扰， 需要在供桥电压上将它们分开， 即为每一路提供一个独立的桥压电路。 这里需要说明一下， 在本系统的实际调试时由 于考虑到成本以 及其它因素， 暂时只设 计了 一路应变测量电 路， 提供一路桥压源， 刀d转换部分的六路输入均是对这一路进 行采集， 整个系统的调试以及功能实现都是针对这一路进行的。 实现六路应变测量只 需要增加相同的几路前端电路， 这些工作将作为本系统设计的后续任务。 南京理工大学硕士论文 荃于嵌入式技术的动态应变数据采集系统 工 l 1 3 电 桥自 动调零 当电桥的四 个桥臂阻值满足式 (3. 1 .2) 时，电桥输出为零， 此时电桥平衡。 但在 实际应用中由 于接入电 桥的每个应变片阻值不可能绝对相等， 各桥臂的连接导线和接 触电阻也不可能完全一样， 并且应变片在使用不同 粘贴方式时受到的影响也不一样，这些都会导致电 桥失衡，使初始输出不为零。因此，需要设置电桥 平衡调节电路，以免影响测试结果。在每次进行正 式测量前，都应将电 桥预调平衡ej 。 电桥的平衡装置有桥臂串联小阻值电阻和并 联大阻值电 位器等方法， 这里选用并联大阻值电 位 器的方法，如图3. 1 . 4 所示。调节电位器r w的值， 改变b c 、 c d两相邻桥臂的电 阻值， 使电 桥达到平 衡。 在传统机械式调零中使用的是机械电位器，需 图3. 1 .4 电桥调零 要手动调节电 位器r w ， 这样操作麻烦，容易引 入人为误差因素， 还存在机械触电容 易老化和损坏等缺点。 本系统使用数字电 位器代替机械电 位器， 实现自 动调零， 克服了 机械调零的 种种 缺点。采用的数据字电位器是由 州 叭 x i m 公司的 2 56 结点的双路数字电位器 ma x 5 4 7 7 ，它每路的总电阻值为 i o k o，具有超低功耗、低噪音等优点。ma x 5477 可以使用3 一 3 v供电，接口 信号为l v t t l电平，因此可以直接与3 .3 v的f o电平的 微处理器相连接。同时它通过u c接口 通信， 使用很方便。 双路数字电 位器其中一路 用于这里的电 桥自 动调零，另一路用于后面信号处理部分放大器的自 动调零，如图 3 . 1 5 所示。 5 、 -a+5 从气 放大器调零 图3 . 1 . 5 电桥自动调零的过程如图3 . 1 . 6 双路数字电 位器接口电 路 所示，控制器通过数据采集电 路得到电桥的输出 南京理工大学硕士论文 塞于嵌入式技术的动态应变数据采集系统 电压， 通过调节数字电位器使采集到的电桥输出电压不断趋近于零。 由于电桥自 动调 零的时候需要使用应变信号调理电 路和 习d转换电 路， 所以 在电桥调零之前需要首 先对信号调理电路中的放大电路调零。 图3. 1 .6 电桥调零示意图 3.l 2信号调理 由 于应变信号 往往都比 较微弱， 电 桥输出 信号的满量程一般都在毫伏级， 因 此在 进入a l l 转换器 ( a d c ) 之前需要对该信号 进行放大、滤波等一系列处理，将其调 理成能适应a d c的输入范围的信号，如图3 . 1 . 7 所示。 图3 . 1 .7 应变信号处理流程示意图 3 . 1 :21程控放大电 路设计 作为 信号调理电 路中重要的部分， 信号 放大电 路的设计直接影响到到 信号的真实 可靠性. 在数据采集系统中， 为了 得到高精度的 模数转换结果， 要求输入的 模拟电 压 信号尽量应接近 a / d转换器的满量程值。 为了 适应不同范围的被测应变信号， 这就 需要能程控改变放大倍数的放大器 (pg a)将应变信号调整到适合 a / d转换器的最 佳输入范围。 下面根据电桥输出信号范围和 习d转换器的输入电 压范围 来确定放大 电路的设计方案。 本系统要 求的 应 变测量范围 是 士 2 5 o 00娜， 标 配的 应变片灵敏系 数卜2 。 根据应变 片灵敏系数k 的定义有: * _ 竺上 丑( 3 . 1 5 ) 由式 (3. 1 . 8) 可知应变电桥电阻变化为: 南京理工大学硕士论文基于嵌入式技术的动态应变数据采集系统 仓 左，_ 土2 5 0 0 0 =布 5=2。 r1 0 . ( 3 . 1 9 ) 当采用全桥接法时，电桥输出电压: 左 _ 。 u.= u. r 而本系统中的供桥电 压u.的范围 是iv u， p h y s i c alm a p p i d g ofn as h c hi p s 配置fi 朋 b 和内 存 的映射关系; f i l e s y st e m菜 单中 选择j o urnal l ing fl ash f i l e s y s t e m ( jf f s ) s u p p ort: 选中 /p ro c 文件系统支持; 制作jf f sz文 件系 统需 要使 用n 止 伪 j ffsz 工具， 它可以 将一 个目 录制 作为开f sz文 件系统。 假设把石 价2 目 录制作为万f s z 文件系统，运行命令: m k l 污 .j ffsz 峨./j ffszi一 j ffsz p r o g 然后 将j ffsz .prog 烧写到fl ash， 使用挂载命令: m o u n t 只j 价2 /d e v /ml d b l ocki z / 吐 田 约ffsz 完成后，查看 币 r oc 加t d 文件的内 容，出 现以 下信息说明 修改 成功. # c at/ p ro c / m t d d e v 二s i z ee 晓 巧 e si zen aj ” e mtdo:020 0 0 0 0 0 0 0 040 0 0 0 ” p hys i call y m a p ped fl as h ， ml d l : 0 0 0 8 0 0 0 0 0 0 0 4 0()0 0 ” res e r v ed for u-boo t ， ， m t dz:0 0 6 8 0 0 0 0 0 0 040 0 0 0 ” j ffsz ( s m一 2 5 6 k b yt e s) . mt d 3 : 0 1 8 0 0 0 0 0 0 0 040 0 0 0” r e s e r v e d 南京理工大学硕士论文荃于嵌入式技术的动态应变数据采集系统 4. 2硬件驭动程序设计 4. 2. i l 加 ux设备管理机制 在l 操作系 统下， 所有的设备都被看成是一类特殊的文件， 称为 “ 设备文件气 它抽象了 对硬件的 处 理， 用户 进程只需通过 标准的 系统调用如。 钾 n o 、 cl o seo 、 此 祖 0 、 硒 的 t e o 、 io ctlo 等即 可实 现对设备的 控制访问， 而无需涉及设备 在硬件层上的具 体 实现细节。 与标准文件相比， 设备文件除了 具有文件名、 创建日 期、 所有者、 访问 权 限等属性外，还标识了设备类型、主设备号和次设备号。设备类型 ( c /b)表示是字 符设备还是块设备. 主设备号标识驱动程序， 即同 一类型的设备. 从设备号标识使用 同一个设备驱动程序的不同的硬件设备。 l mux有三类主要的设备文件类型:字符设备、块设备和网络设备。字符设备和 块设备的主要区别是: 在对字符设备发出 读/ 写请求时， 实际的硬件阳 一般就紧接着 发生了: 块设备则不然， 它利用一块系统内 存作缓冲区， 当用户进程对设备请求能满 足用户的要求， 就返回请求的数据， 如果不能， 就调用请求函数来进行实际的f o操 作。 块设备是主要针 对磁盘等慢速设备设计的，以免耗费过多的c p u时间来等待。 网络设备在 l l n u x中是一类比较特殊的设备，在 l l n u x 里做专门的处理。l i n u x的网 络设备主要是基于b s dt n ix的soc k e t 机制，在系统和驱动程序之间定义有专门的 数据结构(s k-卜 u 均进行数据的 传递， 系统里支持对发送数据和接收数据的缓存， 提供 流量控制机制以 及对多协议的 支持国。 4. 2. 2 l in u x 设备驱动程序简介 和大多数操作系统一样， 考虑到操作系统的安全， li nux 把内 核和运行在其上的 应用程序分为两个层次管理， 即内核态和用户态。 内核态有较高的权限， 可以控制内 存映射、 访问外设和处理器的 特殊功能寄存器等， 而用户态只能访问 操作系统允许的 内容。 对于s3c 241 0x 处理器来讲， 内 核态和用户态分别对应于svc 模式和usr 模式。 l 功 u x 系统通过mm u把内核重新映射到3 g b( o x c 0 0 0 00o o) 以上的虚拟地址空间， 即内核空间，而为每一个进程都分别建立独立的寻址空间，即用户空间。因为存在 mmu映射保护，一个用户进程不能随便访问或修改另一个进程的数据和代码。进程 之间要想进行数据交互， 需要内 核的干预。 当然， 用户进程也不能直接访问底层硬件 的物理地址， 而必须借助于驱动的形式， 切入内核通过地址映射来实现对这些物理地 址的访问。 l inux 设备驱动程序是处理或操作硬件控制器的软件， 被集成在内 核中， 是常驻 44 南京理工大学硕士论文 荃于嵌入式技术的动态应变数据采集系统 内存的低级硬件处理程序的共享库， 设备驱动程序就是对设备的抽象处理。 设备驱动 程序软件封装了 如何控制这些设备的技术细节， 并通过特定的接口 导出一个规范的 操 作集合，即内 核 使用规范的设备接口， 通过文件系统把设备操作导出 到用户程序中， 这样内 核就可以 用统一的方式对待各种设备叨 。 设备驱动程序作为系统内核的一部分， 它工作在内核态。 由于驱动程序处于内 核 空间， 而用户进程处于用户空间，当用户进程通过驱动程序访问硬件时， 不能通过指 针直接在用户空间 和内核之间传递数据，必须经过专门转换。l in u x 操作系统提供了 一系列函 数将用 户空间 地址转换为内 核空间可 访问的 地址， 如罗 仁 璐 心、 p 切 匕 以 r()、 c 叩y we 丘 0 攻 1- 哪 r o 、 印 p y 加es 娜 幻等. 操作系统内 核 和应用程序之间的 接口 是系统调用， 而设备驱动程序则是操作系统 内核和底层硬拌之间的接口。 设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节， 这样在应 用程序看来， 硬 件设备只是一个设备文件， 应用程序可以 像操作普通文件一样对硬件 设备进行操作。 l in ux下驱动程序层次模型如图4. 2 . 1 所示。 用户进程 系统调用 记 声 幻 p en(/ d e v 尸 ， ， 几r d w rr )re ad( 凤b u 式 1 )c l o s e ( f d ) 内核 虚拟文件系统 ( v f s ) 驱动程序 。 伴n - 0re 园一 0w 的 妞 j) i o c t 】一 0rel e 仪 -() 底层硬件 图4. 2. i li nux 驱动程序层次模型 在设备驱动程序中，需要完成以 下的功能: ( 1) 对设 备 初始化和释放; (2) 把数据从内核传送到硬件以 及从硬件读取数据; (3) 读取 应用程序传送给设备文件的数据和回 送应用程序请求的 数据; (4)检测和处理设备出现的错误: l i n ux下的驱动的加载有以下两种形式: 南京理工大学硕士论文荃于嵌入式技术的动态应变数据采集系统 ( 1)将驱动模块静态编译到内 核。 在配置内 核时将所需驱动 程序选 择 *b u i l t . i n ， 该驱动程序就在编译内 核时被直接加到内核。 对于常用的、 成熟的驱动一般采用这种 方式。 (2) 使用模块方式动态加载驱动程序。 这种形式的驱动可以动态加载和卸载， 在驱动程序调试的时候非常方便， 因为可以 像调试普通应用程序一样对不断修改驱动 程序而不需要重新编译内 核或重 起系统， 这也是l i n ux 内 核一个非常重要的 特点。 在 开发嵌入式系统时，可以通过挂载n f s的方式来调试驱动程序。 根据功能进行划分，可以把设备驱动程序的代码分为如下几个部分: ( 1) 驱动程序的注册与注销 系统引导时或系统引导后在需要加载模块时，对设备进行初始化过程中要通过 re gi s t e 尽加 心 e v o 或 re gi s t e r- -b 1 切e v o向内核注册。在不需要此设备时，要通过 u 山 限 g l s te r- c hr d e v o 或吟 gi s t e r- b 业 d e v o 从内 核中 注销此设备。 ( 2 ) 设备的打开与释放 使 用设 备时首 先要打开 该设 备， 通过ope n o 来完 成; 在使用设 备后需 要由比 l easeo 释放该设备。 (3) 设备的读写操作 字符设备的 读写是通 过re ad o 和w 劝 t e o 来实 现的; 而 块设备的 读写 操作是通 过调 用函 数bl oc k- -r e ad o 和bl oc k es 师t e o 来完成对缓冲区的 数据操作。 对于 块 设备真正 将数 据从 缓冲区 往设备的 读写 是通过r eq u e s t 和 ( ) 来完成的。 ( 4 ) 设备的 控制操作 设备的 控制操作可以 通过驱动 程序中的i oc t 1 0 来完成， 与读写操作不同， 10 记0 的 用法与具体设备密切相关. 除了io ctio 函 数， 设备驱动程序还有其它控制函数， 如 l s ee k o 、 试 ) 、 l oc k 、 伪 ”c 等。 字符设备驱动程序是l 妙中最基本、 最常用的驱动程序结构。 除网络设备以及 挂载文件系统的设备外，基本上都可以用字符设备去描述。本系统中涉及到的 s pi 驱动、 n c驱动、 a d c驱动以 及gpio驱动都属于字符设备驱动程序， 只有网 卡芯片 r t l 801 9as 的 驱动 属于网 络设 备 驱 动国. 最后需要强调的是， 在用户进程调用驱动程序时， 系统进入核心态， 这时不再是 抢先式调度，也就是说，系统必须在驱动程序的子函数返回后才能进行其他的工作， 如果驱动程序陷入死循环， 整个系统就死机。 因此， 添加驱动程序如果不稳定就可能 对整个系统的稳定造成影响。 南京理工大学硕士论文 荃于嵌入式技术的动态应变数据采集系统 4 j 3 本系统设备驱动程序具体