（机械电子工程专业论文）嵌入式web测控终端及其在管道远程监测中的应用研究.pdf

摘要 远程测控及诊断技术是现代测控领域的研究热点，随着微电子技术及微处理 器制造工艺的提高，构建低成本无人执守的远程测控终端已经比较容易实现，这 样的远程测控终端可以直接通过t c p i p 协议接入i n t e r n e t ，从而实现基于i n t e r n e t 的真正的不受地域限制的远程测控系统。其中，基于w e b 的远程测控技术又是 一种新的应用趋势，在这种情况下，在i n t e m e t 上任何一台计算机上，只需要有 w e b 浏览器，就可以实现对远程测控终端的控制，获取测控对象的有关信息，这 种嵌入式w e b 测控技术是i n t e m e t 测控系统的进一步发展，在生产生活中具有广 泛的应用前景。 本文建立了这样一套嵌入式w e b 测控系统，实现基于w e b 的远程数据采集。 该系统以高性能的3 2 位a r m 处理器为系统处理器，以嵌入式l i n u x 为操作系 统，设计了专用的数据采集板，开发了其驱动程序，实现了远程高速高精度数据 采集及基于w e b 的实现波形数据显示。经测试，该数据采集系统性能优良。最 后，将嵌入式w e b 测控系统应用到管道监测领域，构建了一种新型的基于w e b 的远程管道声发射监测系统。 本文所做的主要贡献如下： 设计了一个高性能3 2 位嵌入式计算机系统平台作为远程测控终端主系 统板，该系统平台可直接用作高端仪器的主系统板，也可以作为3 2 位 嵌入式系统的教学开发平台。 向上述平台上移植了嵌入式实时操作系统u c l i n u x ，并详细分析了其特 性。 分析了u c l i n u x 操作系统上的嵌入式w 西服务器，建立了本应用系统的 嵌入式w e b 服务器。 设计了高速高精度数据采集板，开发了其在r t o s 下的驱动程序。 应用j a v a 和c 的s o c k e t 、c g i 等技术开发了具有特色的系统主控网页， 实现了基于w e b 的虚拟示波器，开发了各种数据服务程序。 构建了一种新型远程管道声发射实时监测系统。 关键词远程测控嵌入式w e b 技术数据采集实时监测 a b s t r a c t r e m o t e m e a s u r e m e n t & c o n t r o l l i n g a n d d i a g n o s e st e c h n o l o g y i sa r e s e a r c h i n gh o t s p o t i n m o d e m m e a s u r e m e n t & c o n v o n i n g f i e l d sa t p r e s e n t w i t h t h e i m p r o v e m e n t o f m i c r o - e l e c 缸 o n i c sa n d m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yo f m i c r o - p r o c e s s o r , b u i l d i n g a l o w - c o s t , s t a n d a l o n er t ub e c ) 0 n l g se a s i e r t h u sr t uc a nb ec o n n e c t e dt oi u t e m e ts i - a i g h f l yt h r o u g ht c w i p , s oa st or e a l i z ear e a lr t uo u to f t h el i m i t o f p l a c e b a s e do nl n t e m e ta m o n g t h o 雩t e c h n o l o g i e s ， r e m o t e m e a s u r e m e n t & c o n t r o l l i n g t e c h n o l o g y b a s e d o n w e b i s a n e w t r e n d i n t h a tc a s e - a n y p ci nt h ei n t e m e t ，o n l yaw e bb r o w s e r b e i n gn e c e s s a r y , c a nc o n 打o lt i l er t u ，a n da c q u i r et h e i n f 0 i i n a f i o no ft h eo b j e c tb e m gt e s t e d t h i sk i n do fm e a s u r e m e n t & c o r 心o m n st e c h n o l o g y b a s e do i lw e bi si m p r o v e m e n to fi n t e r a c t m e a s u r e m e n t c o n t r o l l i n gs y s t e m a n d w i l lb e w i d e l y u s e d i n t h e m a n u f a c t u r i n g a n d l i f e ae m b e d d e dw e b m e a s u r e m e n t & c o n t r o l l i n gs y s t e ml i k et h a tw a s b u i l ti nt h i sa r t i c l e t o a c q u i r ed a t a b a s e d o i lw e b t h i ss y s t e mt o o kh i g h - p e r f o r m a n c e3 2 - b f fa r ma si t sc p u , a n dt o t o o ke m b e d d e dl i n u xa si t sr t o s ，a n dd e v e l o p e di t s d r i v e g s oa st or e a l i z er e m o t ed a t a a c q u i s i t i o na n d r e a lt i m ew a v e d i s p l a y f r o mt e s t , f a c tc 趾b ed r a w t h a tt h es y s t e mh a sa h i 曲 c a p a b i l i t y a t l a s t , i u t r o d u c e dt h ee m b e d d e dw e bm e a s u r e m e n t & c o n t r o l l i n gs y s t e mt o p i p e s m o n i t o r i n g f i l e d , a n d b u i l t a n e w - t y p e r e m o t e p i p e s a e m o n i t o r i n gs y s t e m n 瞎m a i nc o n t r i b u t i o no f t h i sa r t i c l ei sa sf o l l o w e d d e s i g n e d a3 2 - b i te m b e d d e d c o m p u t e rp l a t f o r m w i t h h i g hp e r f o r m a n c ea n d t o o ki ta s t h em a i n s y s t e mb o a r do f r t u ，t h ep l a t f o r ma l s oc a n b et a k e na sm a i n s y s t e mb o a r d o f t o p g r a d e i n s l n a m e a t s , a n d t u i t i o n & d e v e l o p m e n t p l a t f o r m p o r t i n g u c l i n u xt ot h e p l a t f o r ma b o v e , a ng i v e al a b o u ro f i t sc h a r a c t e r i s t i c g i v e t h e a n a l y s i s o f e w s o n u c l i n u x ，b u i l t a e w so n t h i s a p p l i e ds y s t e m d e s i g n e d a h i g h - s p e c d ，p r e c i s i o n d a t a a c q u i s i t i o nb o a r d ，a n dd e v e l o p e d i t sd r i v e r so i l i d s u s i r 培j a v a c s o c k e ta n dc g i t e c h n o l o g y t od e v e l o pt h em a i n c h a r g ep a g e w i t h w a i t , r e a l i z e dav i r t u a lo s c i l l o s c o p ee m b e d d e di nw e bp a g e ，a n dd e v e l o p e da l lk i n d so f s e r v i n ga p p f i c a f i o n b u i l t a n e w - t y p e r e m o t e p i p e s a e r e a l - t i m e m o n i t o r i n g s y s t e m k e y w o r d sr e m o t e m e a s u r e m e n t c o n 廿o l l i n g e m b e d d e dw e b t e c h n o l o g y d a t a a c q u i s i t i o n r e a l - t i m em o n i t o r i n g 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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，除了文中特剐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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书雨使用过的材料。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了谢意。 签名：乏釜盘f 耋日期：硅竺生蔓! ! ! 关于论文使甩授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 妣必 主翩虢拯三丝吼螋：纽 第一章绪论 i i 第一章绪论 1 1 本课题提出的背景 管道作为五大运输工具之一，在运输液体、气体、浆液等方面具有特殊的 优势，并以其有效、安全、对环境影响小等特点在国民经济、社会发展中占有举 足轻重的地位。 据相关资料报道：1 9 9 4 年末我国的油气管道干线己达1 7 3 8 7 公里，国家“西 气东输”工程，工程管道辅设线路总长4 0 0 0 多公里，跨全国9 个省市自治区，总 投资达2 8 0 亿元人民币。城市供水系统更是极为庞大的管道网络，遍布全国城乡 的供水、气、热管道可谓密如蛛网。以北京市为例。截止1 9 9 5 年，北京市区自 来水管网总长度达5 8 9 6 7 9 公里：煤气管网总长度达1 8 7 2 公里，城市供热管网 主干线达3 0 0 余公里；水、气、热地下管线总长度达到8 4 0 0 余公里。随着西部 沙漠油田和东海油田的开发以及城市成品油、自来水和煤气事业的发展，我国的 管道还将得到更快的发展。 然而，随着管线的增多，管龄的增加，以及不可避免的冲刷、腐蚀等自然或 人为的原因，使得管道事故频频发生。以自来水管道的泄漏事故为例，据统计 世界各大中城市自来水的损失率在2 0 左右。仍以北京市为例，供水管网、阀兰、 水龙头等都存在跑、冒、漏、滴现象，管网的漏水率超过2 0 ，即供水中有1 5 的水白白浪费了( 据北京晚报2 0 0 0 2 2 6 ，清华大学钱易教授) 。1 9 9 9 年国家有关 部门对国内7 6 个城市所进行的漏水调查结果表明，地下供水管线平均每公里有 漏点0 2 4 个，平均每公里每小时漏水1 3 8 立方米，全国城市供水管网平均漏 损率达2 0 一2 5 。我国城镇以上供水管线总长度为6 0 万公里，水价按每立方米 1 4 元计算，则全国每年经济损失达近百亿元( 据水利新闻报道) 。另一方面， 给水管网的泄漏也不可避免的要对管网本身、道路、街道、建筑物等引起二次破 坏。 泄漏造成的巨大损失往往不是在管道泄漏之处就引起的。一般来说，管道在 发生泄漏的初期漏点不大，泄漏量不多，破坏性微弱，但是，如果得不到制止， 随着时间的延长，上述各指标将加速增长，直到发生巨大的破坏性泄漏事故。 所以防止管道泄漏损失是防忠于未然，也就是对管道进行无损评价，根 据管道状况预测泄漏发生的可能性，从而从根本上杜绝泄漏，本实验室用超声导 北京工业大学工学硕士学位论文 波技术对管道内部缺陷的诊断就属于这种做法的范畴【2 1 ，但总起来说，管道无损 评价技术还不成熟，也是目前国内外研究的热点之一。防止管道泄漏损失的第二 种做法就是“亡羊补牢”，也就是管道泄漏等事故的监测，根据上述管道损失扩 大的规律，力求在管道发生泄漏时刻或泄漏后初期就能发现，从而加以制止，把 泄漏损失降到最低，这是目前研究和应用上的主流。该方法的研究集中在两个问 题：是否泄漏和泄漏在何处。针对这两个问题，国内外学者先后提出了各式各样 的理论或技术，如最早使用的输差检漏法，后来的压力差法，负压波法，对石油 管道泄漏监测富有成效的输差检漏和负压波结合使用的方法【3 】，以及最新的声发 射法1 4 j 等等，这些方式都以不同的原理发挥着不同的作用，各有优缺。但总起来 说，对各类管道的泄漏监测研究取得了很大进展，同时，为了进步提高漏点定 位的准确性，从定位突发的泄漏到定位已经存在的连续的泄漏点【5 ，从定位管道 上的单个漏点到定位多个漏点，新的信号处理方法不断地出现，例如，多传感器 信息融合方法，神经元网络法，小波分析，相关分析等。基于上述理论和信号处 理方法，国外已经出现了用于自来水管道泄漏监测的实用化仪器，如英国唉德尔 公司的相关分析仪，该仪器能在数百米内发现和定位自来水管道上存在的泄漏 点，准确度较高，但是，该仪器价格及其昂贵，不利于在国内推广使用。 总起来说，国内对于自来水管道泄漏监测的理论和信号处理分析方法经过几 年的发展已经不断成熟了，通过对使用国外进口设备采集到的管道数据的处理和 分析，取得了可喜的成果。但是，国内尚没有出现具有唉德尔相关分析仪那样比 较有影响力的管道泄漏监测仪器，归根结底是因为，国内研究界以前比较注重对 检漏和定位理论以及信号处理与分析的研究，而忽略了对于处理和分析所用的数 据来源( 信号获取设备) 的研究，尤其是整合各种监测方法和相关硬件的实用化 监测手段研究和仪器的开发。国内对管道监测数据采集的技术相对滞后，信号采 集设备一般从国外购得，而自己的理论又难于与这些进1 3 数据采集设备相集成构 成现场实用化仪器，所以总体阻碍了管道运行监测仪器的产业化进步。 所以，与国内检漏和定位理论相结合的数据“来源”( 采集) 设备的研究和 制造势在必行，这是国内管道监测及检漏定位技术实用化、产业化的必经之路， 同时，管道监测数据采集设备的发展，又会反作用于检漏和定位理论的研究，促 进该研究的进一步完善。 基于上述背景，本课题研究和制造与国内己比较成熟的检漏和定位理论相结 合的新型数据采集装置嵌入式w e b 测控终端，试图通过这种数据采集装置 ( 同时也是具有数据处理能力的智能化设备) 促进管道检漏仪器的产业化进展， 同时，也根据管道应用的区域性、网络性特点，由该测控终端构建一种分布式、 网络化的管道实时监测系统。 综上，本课题研制一种使用便捷的数据采集装置：基于嵌入式w e b 技术的 远程测控终端并研究由其构成的基于w e b 的测控系统在管道运行监测中的应用。 1 2 目前管道监测数据采集装置的应用及研究状况 国内管道监测数据采集装置一般进口于国外，根据其应用方式，可以分为两 大类。 第一类：基于p c 扩展卡的数据获取装置( 数据采集卡) 优点：利用了p c 的资源，可以具有很高的数据采集精度( 1 6 位以上) ，可 以具有能够调节的从几赫兹到几兆赫兹的采样速率，具有理论上同计算机存储器 一样大的数据存储容量，利用软硬件方法最大限度减少信号失真，并且数据采集、 存储和处理一体化结构，最大限度减小了传输方式对数据可靠性的影响。 缺点：基于p c 扩展卡的形式限制了其实用性，特别是大范围的管道泄漏实 时监测，最适合于实验室里对管道泄漏定位问题的理论研究。 典型代表：本实验室d i s p 声发射采集卡。 第二类：基于数据终端设备( 实际是嵌入式系统) 的数据获取 优点：可以方便地布置在管道现场进行数据采集及一些必要的预处理，再将 数据进行集中处理，因此相对于第一类具有更大的实用性。 缺点：相对于第一类，资源有限，一般内部采用8 位单片机构架，信号采样 精度一般不会太高；仅有少数几种不高的采样速率可供选择( 几十k h z 到几百 k h z ) ，仅具有少量的数据存储空间，计算能力很差，不可能对数据进行复杂处理。 尤其在操作方面，先通过计算机的通信1 3 ( 串1 3 ) 设置其工作参数，然后将其布 置在某处管道上，进行数据采集，待数据采集完成后，再取回，通过串行口将数 据读入计算机，再由计算机的软件进行处理，如果采集的数据有效性不高，那么 就再布置到原位置，再次进行采集，这样重复多次，直到处理结果被认为比较可 靠为止，总之，这种方式虽然实用性比较高，但是其控制和数据读取操作过于烦 北象f 业大学i 学坝士学位论文 琐，降低了其更大的实用价值。 典型代表：埃德尔公司的相关分析仪( 探头) 等。 本课题要研制的嵌入式w c b 测控终端实质属于第二类应用方式，即分布数 据采集和集中数据处理、分析的方法。但又与上述的数据终端设备不同，本课题 所研制的嵌入式w e b 测控终端着重解决它们在控制和数据读取操作过于烦琐的 问题，同时，便于构建分布式、网络化的远程管道实时监测系统。 1 3 本课题嵌入式w e b 远程测控终端的特点( 设计要求) 待研制的远程测控终端具有下面一些特点：具有多种数据的采集通道，可根 据各自特点采集流量、压力、温度、声信号传感器的输出信号，便于应用多传感 器信息融合技术对数据进行处理以获得更可靠的结果；对各种信号能够选择合适 的采样精度和频率。一般来说，如果资源允许，采样精度和频率越高越好，其中 声信号的采集至少达到1 2 位，可以对频率在声信号主要能量分布频域范围 0 - 5 0 k h z 内进行数据采集；压力、流量的采集至少应达到l o 位精度，属于低频 信号采集。温度用8 位采样精度，极低采样频率就可达到要求。根据对多种数据 融合处理的要求，应扩展足够大的存储器空间；对采集到的数据具有一定的处理 能力，这要求远程测控终端的处理器要有较强的计算性能；可以在测控终端之间、 远程测控终端与p c 之间建立起局域网络，实现有线网络数据传输，提供无线数 据传输的扩展接口这要求远程测控终端具备直接接八i n t e r n e t 的能力，处理 器的性能足以运行完善的t c p i p 协议栈：测控终端本身就是一个w e b 服务器， 可以在i n t e m e t 上通过i e 进行控制，实现完全基于w e b 的远程测控，方便远程 数据采集和处理，此时客户端仅需要有w e b 浏览器( 必要的嵌入式脚本语言的 支持) 就行了，不需要专门编制程序，因此，从根本上解决了12 节所述的数据 终端设备的缺点。远程测控终端组成的系统组成结构如图1 1 所示。 f i 1 1p cu s i n zi et oi n t e r a c tw i t ht h er e m o t et e r m i n a l 4 第章绪论 1 ，4 嵌入式w e b 技术概要 随着网络通信技术的发展以及相关基础设施的快速普及，基于t c p i p 协议 的w e b 技术( h t t p 协议) 得到”r 曰益广泛的应用，基于高性能w e b 服务器的w e b 应用在日常生活、市场运作等领域首先产生了巨大的影响【4 2 l 【4 2 1 1 4 3 1 ，进而这种技 术又被应用到制造领域，产生了一门新的技术网络化制造，已经取得了初步 的研究成果。这些w e b 应用的共同特征是，w e b 服务器和所需的数据库系统或 文件系统都是建立在高性能的计算机平台上。 上世纪9 0 年代末以来，一项新的理念随着芯片设计制造技术和嵌入式计算 机应用技术的发展而提出基于i n t e m e t 的设备互连删。在这种理念下，所有 的设备( 家用电器、制造设备、测控设备等) 都有一个i p 地址( 为此旨在扩展 i p 地址数量的i p v 6 标准已经提出) ，通过各自的i p 地址和传统的通用计算机统 一在一个全球化的基于t c p i p 的i n t e m e t 网络中。基于这一理念，以太网接口已 经成为现在中高端嵌入式设备的必备部件。 同时，一种基于上述理念的更新的应用技术成为研究热点，这就是嵌入式 w e b 服务器- ( e w s ) 技术，这种技术是就是把网络化设备设计成w e b 服务器【4 4 1 【4 6 】， 通过h t t p 协议和w e b 页实现对设备的远程控制。e w s 与传统的w e b 应用相比， 简化了系统结构，将信息采集和信息发布都集成到现场的测控设备中。而有了标 准的接口形式和通信协议，内嵌于设备的w e b 服务器同样可以向任何接入它所 在网络的合法用户提供统一的基于浏览器方式的操作和控制界面，浏览器成了设 备的前端控制板1 6 】。 这种嵌入式w e b 技术，具有极大的应用价值和广泛的应用前景。本课题所 研制的远程测控终端就是基于这一技术。 1 5 本课题所依赖的管道监测方法 本课题所研制远程测控终端的应用价值在于对可能包含泄漏信息的流量、 压力和声发射信号进行采集，所以数据采集板的设计依赖于三种泄漏监测的理 论：输差检漏法、负压波检漏法、广义声发射法。 三种检漏方法决定所研制远程测控终端对各信号的采样精度、采样速率和对 系统信噪比( s n ) 以及谐波失真的要求。 输差检漏法 北象工业大学工学硕士学位论文 基本原理：对管道两端( 中问没有分叉) 流量进行比较，如果流量差大于测 控终端流量数据采集容许的误差之和，就可以认为中间发生了泄漏，这是最简单 的检漏方法，并且可以粗略估计泄漏量，缺点是不能进行漏源位置的判断。 输差检漏法的具体操作方法是，位于管道两端的测控终端实时采集和更新本 端的介质流量，并以约定的方式互相通信进行流量的比较。数模转换器的采样精 度用1 0 位以上就可以满足判别要求。 负压波检漏及源定位技术 ( 一) 概念：管道发生突然泄漏时，由泄漏部位产生一个分别向上下游传播 的减压波，称之为瞬态负压波。负压波在不同介质中有确定的不同传播速度，如 在原油中为1 0 0 0 米秒左右，只要管道两端的压力传感器准确地捕捉到包含泄露 信息的负压波，就可以检测出泄漏。该方法具有极快的响应速度。 经实验研究和理论分析，发生泄漏的瞬态负压波的波形如图1 2 所示【3 】，特 定的发生泄漏时形成的负压波与其他情况造成的负压波不同。 图1 2 泄漏的瞬态负压波 f i g1 2t r a n s i e n tn e g a t i v ep r e s s u r ew a v e o f l e a k ( 二) 特征：在发生泄漏时刻以后， 弹，接着出现几次振幅较低的余波反弹， 漏时大。 压力波形有一个明显的波谷和较大的反 后逐渐平缓，但压力己经没有未发生泄 ( 三) 具体应用方法：如果管道两端的测控终端都测到这样一个瞬态负压波， 两者就可以互相通知，以约定的方式传输这个负压波的波形数据，应用负压波法 季_蚓毫葫螭棒 第一章绪论 检漏的专用算法就可以判断之间管道是否发生了泄漏，根据传播时间和速度，可 以计算瞬态负压波源的距离。 定位公式： f x l 一- x ( 1 - 1 ) aa x ：三f 上十口n 1 - 2 ) 2 靳世久等基于原油运输管道，提出了分段积分算法的瞬态负压波结构模式识 别，该方法能对原油泄漏点进行有效的定位，具有在处理算法上的借鉴价值。对 测控终端的设计要求是：能够动态地保持一定时间的压力波形数据，分为两个存 储区域，当第一个区域采样点数够后，微处理器立即进行分段积分处理，看是否 出现瞬态负压波：采集数据存储到第二个区域，采集满后，接着处理第二卜区域 的数据，采集数据在存储到第一个区域，即进行实时性监测，根据负压波信号的 频率，采样速率达到l k h z 就可以满足处理要求，数模转换器的精度可选用1 2 位，用数字信号处理手段进行滤波处理，减小失真，两个测控终端可以地进行通 信，经过通信协商，实现信号的同步采集，并且测控终端要有实时时钟模块。 声发射检漏及其源定位技术 管道泄漏的声发射信号与传统概念的声发射不同，是一；f 中广义的声发射现 象。管道产生泄漏是因为管道因材料腐蚀老化或其它外力作用产生裂纹或者腐蚀 孔，管道内外存在压力差而使管道中的流体向外泄漏。流体通过裂纹或者腐蚀孔 向外喷射，和管道漏孑l 相互作用形成振动声源，声源向外幅射能量形成声波，频率 从几个赫兹到几百千赫兹，但其主要能量分布在5 0 k h z 以下，1 0 k h z 以下的信号 就可用来进行判漏和定位的计算。这就是管道泄漏声发射现象。 声发射可以检测和定位负压波法不能胜任的既存的连续微量泄漏源，与负压 波法可以互补。 声发射实质上振动，从微观上是管壁上的质点在力( 加速度) 的作用下振动 并沿管壁传播，力( 加速度) 的大小即代表了声发射的能量大小。因此对声发射 信号的测量实质也就是振动信号的测量，可以通过测量管壁上加速度信号来获得 声发射信号的特征。 对测控终端的设计要求是对声信号的采集速率应该能够调节，精度须足够 高，动态范围要大，并能很好的抑制信号失真。 7 北京工业大学工学硕士学位论文 第二章基于w e b 的远程测控终端主系统板设计 2 1 a r m 处理器概述【7 1 a r m 即a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写。 1 9 8 5 年4 月，第一个a r m 原型在英国剑桥诞生，由美国s a nj o s ev l s i 技术公司制造，至8 0 年代后期，a 时以成为英国a c o r n 公司台式机的处理器， 并形成英国计算机教育的基础；1 9 9 0 年，a r ml i m i t e d 的成立，专门研究 a r m 架构处理器内核并出售其半导体产权( i p ) ；至9 0 年代，a r mr i s c 处 理器扩展到世界范围，占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领 域的领先地位。a r m 使用通用的基础体系结构，以极低的成本和功耗提供了 高性能、多系列的3 2 位r i s c 处理器核。a r m 处理器在耗电、数据传送、 数据处理速度以及带d s p 功能方面业界领先，因此在本世纪初成为了移动通 信、便携式计算、多媒体数字消费和嵌入式解决方案的r i s c 标准。 应该加以强调的是，a r m 不是一种特定的处理器品牌，而是一种处理器 架构，一种半导体知识产权，或者说一类处理器的内核，基于a r m 内核设 计制造的处理器形成了a r m 系列处理器家族，而a r m 公司本身是不生产芯 片的。 a r m3 2 位体系结构是目前公认的领先的3 2 位嵌入式r i s c 微处理器结 构，具有一些显著优点：体s n , j , 、功耗成本低、高性能；具有3 2 位a r m 1 6 位t h u m b 双指令集；三级指令流水线：遍布世界的生产厂家，生产出适合不 同应用领域的各种处理器。 a r m 处理器截止2 0 0 3 年1 0 月有5 个产品系列：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 ，还有一些是生产厂家在这些基础上有进一步改进的产 品，如i n t e l 的s t r o n g a r m 和x s c a l e 微体系结构，其性能最高达到1 2 0 0 m i p s ( x s c a l e 微体系结构) ，功耗测量仅uw m h z 。a r m 所有体系结构指令兼容。 因为本课题中所选用的处理器是a r m 7 系列的$ 3 c 4 5 1 0 b ，所以，这里 介绍一下a r m 7 。 a r m 7 系列为低功耗3 2 位核，适合于低成本的消费类和中档仪器仪表类 应用。a r m 7 系列的特点有：嵌入式i c e r t 逻辑；非常低的功耗；能提供 o9 m i p s m h z 的三级指令流7 k 线和冯诺依曼结构。 第二苹基十w e b 的迥程剽控系统平台的硬件构建 a r m 7 系列处理器又包括3 个类别。 a r m 7 t d m i ，是世界上使用广泛的3 2 位嵌入式r i s c 处理器，一般用于 中低端嵌入式应用产品。尾缀几个字母的含义是，t 指支持1 6 位压缩指令集 t h u m b ：d 指支持在片调试，允许处理器响应调试请求暂停：m 指具有增强 型硬件乘法器，与以前的处理器相比性能更高，能产生全6 4 位结果，因此具 有较强的数据处理能力；i 指具有嵌入式i c e 硬件提供片上断点和调试点支 持，基于i e e e 标准1 1 4 9 1 - 1 9 9 0 以及标准测试访问口和边界扫描体系结构。 本课题所选用的处理器即属于这一类别，需要指出的是，这类结构没有内存 管理单元m m u ，因此只能使用不需要m m u 支持的实时操作系统。 a r m 7 2 0 t ，具有全性能的内存管理单元m m u ，在实时操作系统选择方 面具有更广的余地；比较适合于低功耗和体积为关键的应用。 a r m 7 e j ，是j a z e l l e 和d s p 指令集的最小及最低功耗的实现，j a z e l l e 是 j a v a 硬件加速器，提供了比软件j v m 高得多的性能；支持d s p 指令，因此 具有很高的数据处理能力。 2 2 远程测控终端主系统板结构框图 针对课题的设计要求，远程测控终端实质上是一个超微型计算机系统， 由嵌入式实时操作系统( r t o s ) 进行系统管理和运行网络协议及应用程序。 所以，测控终端要有足够大的用来存储操作系统代码和各管道数据的非易失 性存储器，一般使用c i 】速存储器f l a s h ；为达到较好的性能，必须具有足够 大的r a m 存储器作内存，之所以不能直接用f l a s h 运行操作系统和应用程 序，是因为f l a s h 的读写速度相对很慢，读通常需要7 0 n s 到1 2 0 n s ，写就 更慢，而r a m 存储器的读写速度快的多，一般可达到2 0 n s 以内，一些静态 r a m ( s r a m ) 可达到5 - 7 n s 的读写速度，当然就系统性能来说是最理想的， 但是s r a m 因为制造比较困难，价格非常高，而且其容量一般无法做的很大， 系统中需要多片s r a m 才能达到要求，所以如果使用s r a m ，就会陡然增加 系统成本和系统设计的复杂性。综合比较，同步动态r a m ( s d r a m ) 成为 最佳选择，s d r a m 的读写速度虽然不及s r a m ，但是其价格低廉，单片容 量通过分几个b a n k 能够做的很大，只要处理器有s d r a m 控制器，使用起 来相当方便，根据采集终端的性能要求，系统扩展了1 6 m b 的s d r a m ，有 北京t 业大学工学硕士学位论= 空= 了操作系统存储器f l a s h 和系统内存s d r a m ，就构成了一个最小系统，系 统加电时，地址指针首先指到f l a s h 的第一个地址，执行启动代码进行系 统初始化，然后执行一段程序，将操作系统本身拷贝解压到读写速度快的内 存s d r a m 中去，整个操作系统在s d r a m 里执行，使系统达到最高的运行 速度。作为网络化测控终端，扩展网络通信模块是必须的，$ 3 c 4 5 1 0 b 内部 已经集成了以太网控制器，只须在外部扩展物理层编码解码器( p h y ) ，p h y 的作用是将m a c 编码成1 0 0 b a s e t 标准的4 b 5 b 格式同时传输到物理层的 线路接口，另外将线路上的电平编码信号解码成m a c ，p h y 将直接影响到 交换机、网卡间的兼容性、终端对网线的适应能力及信号的传输距离。为记 录数据采集的工作时间和实现同步，扩展了实时时钟( r e a lt i m ec l o c k ， r t c ) 。作为a r m 嵌入式系统的通常开发接口，系统留有异步串行通信口 ( u a r t ) 和1 4 针标准j t a g 接口，以备使用p c 机超级终端进行r t o s 和 应用程序的开发移植及烧写。为实现数据采集功能，以及扩展其它功能，在 主系统板上设计三个功能扩展插槽，分别用以扩展将来的数据采集板、d s p 协处理卡和无线通信卡。因而本课题远程测控终端主系统板的总体结构框图 如图2 1 。 f i g2 ih a r d w a r es t r u c t u r eo fr t u 1 0 图2 2 远程测控终端主系统板各模块信号及连接框图 f i g 2 2e a c hm o d u l e s s i g n a l sa n dc o n n e c t i o nf r a m eo f r t u m a i nb o a r d 2 3 处理器选择及其特点 远程测控终端的处理器$ 3 c 4 5 1 0 b 是韩国s a m s u n g 公司生产的面向中端 网络应用开发的低成本微处理器，q f p 2 0 8 封装形式。$ 3 c 4 5 1 0 b 的组成结构 如图2 3 【8 1 。 r 1 1 7 t d m il c e - 3 0 d t r i s e c p u b 。档k 日 l e 响n k l + + i 黜i 龆- 酣 f l a s h c p u i n t 计倍髓 斟暗m c 抽l “o l h i 僦l 咽a o i e c h l l 融h 。1 。 4 - 曲n k 1 叫嚣1 | + | 州k i 絮l 。e 獬x t b u 嘿s h i5 韶 l 即附i h l 盎，r 一“ r im a s t e r b l l 3r o u r d n i h 叫猢册锯 r 8 m o i e s c l 4 i - -圳 陀卜 d c n a b 3 廿 卜 ；t 。n d u d l n g _叫1 8 g e n e c a ll r o 腓l h e t h e r n e l 0 口f l t d l 酐 tc 0 1j 2 c h a n n e lb d m k r 阳i 叫i 。口n i 0 i e r h 霉 a c k o o n s o l e 卜l u a r t0 1 卜-一 - 黑詈絮：罱蛳b y t = ) j | l 3 2 - b l l t i m e r0 1 卜 十- m a c ig o s t , 0 1 ht x y t f o l 8 0 啦组砷 一一刚hi 融f i f o ( 1 6b 岫ii 7 - w l e 1 咖1 0 8 c 卜 r i t a pc o n t l o l l d 灯j t a g 图2 3 $ 3 c 4 5 1 0 b 的组成结构框图 f i g 2 3s 3 c 4 5 1 0 bs t r u c t u r ef r a m e 由其组成结构框图可以看出，其核心是a r m 7 t d m i3 2 位运算控制单元。 外围模块是s a m s u n g 公司在a i u v i 7 t d m i 接口总线上扩展的功能组成部分，主 要有：8 k b 一体化c a c h e ；2 个异步串行通信口u a r t ；2 个3 2 位定时器；2 个通用直接存储器访问通道( g d m a ) ；2 路带缓冲的高级数据链路控制通道 ( h d l c ) ：1 8 个可编程的i o 口；1 2 c 总线控制器；锁相环电路p l l 用以倍频 产生处理器主时钟；以及其亮点设计e t h e m e t 控制器，非常方便进行网络应用 开发。片内的逻辑控制电路有：中断控制器；r o m f l a s h s r a m 控制器： d r a m s d r a m 控制器；系统管理器：一个内部3 2 位系统总线裁决器( a r b i t e r ) ； 一个外部存储器控制器。$ 3 c 4 5 1 0 b 通过对内部寄存器的读写操作控制系统各 第二苹 基于w e b 的远程测控系统平台的硬件构建 个功能模块。内部寄存器都有特定的地址，大部分可以直接改变它的值。其中 系统管理器寄存器组是整个系统功能的核心管理者。 系统管理寄存器组包括系统配置寄存器( s y s c f g ，o x 0 0 0 0 ，r w ) ，时钟 控制寄存器( c l k c o n ，0 x 3 0 0 0 ，r w ) ，两个外部i o 时序寄存器 ( e x t a c o n 0 1 ，0 x 3 0 0 8 0 x 3 0 0 c ，r w ) ，外部数据总线宽度设景寄存器 ( e x t d b w t h ，0 x 3 0 1 0 ，刚w ) ，六个r o m s r a m f l a s h 控制寄存器 ( r o m c o n 0 5 ，0 x 3 0 1 4 0 x 3 0 1 8 0 x 3 0 1 c 0 x 3 0 2 0 0 x 3 0 2 4 0 x 3 0 2 8 ，1 u w ) ，四个 d r a m s d r a m 控制寄存器( d r a m c o n 0 3 ，0 x 3 0 2 c 0 x 3 0 3 0 0 x 3 0 3 4 0 x 3 0 3 8 ， r w ) ，刷新与外部i o 控制寄存器( r e f e x t c o n ，0 x 3 0 3 c ，r w ) 。各个功能模 块都有相应的控制寄存器，请参考文献 8 】。 系统配置寄存器s y s c f g 可以说是从用户角度看整个微处理器的核心寄 存器，该寄存器指定系统特殊功能寄存器( s f r ) 组的基地址，以及指定片内 s r a m 的使用方式和基地址，以及特殊功能寄存器组的基地址( 大小固定为6 4k b ) ，另外其最高位( 位 3 1 ) 的取值代表内存使用d r a m 还是s d r a m ， 这里应该设为l ，即4 个d r a m 组均为s d r a m 接口。时钟控制寄存器c l k c o n 控制对系统时钟进行分频，通过设置该寄存器的分频值，可以降低或提高系统 的工作频率。外部i o 时序寄存器e x t a c o n 用于控制外部i o 空间访问的周 期，本测控终端的数据采集板使用外部i o 空间，该寄存器的设置将在数据采 集板驱动设计一章叙述。另一个很重要的寄存器是外部数据总线宽度设置寄存 器( e x t d b w t h ) ，通过设置该寄存器，使s 3 c 4 5 1 0 b 能够以8 1 6 3 2 位数据总 线宽度访问外部r o m s r a m 1 1 l a s h 、d r a m s d r a m 、外部i o 空间的设备， 但是对于系统启动至关重要的第0 组( b a n k o ) r o m s r a m f l a s h ( 一般是 f l a s h ) 的访问数据宽度是由处理器引脚b o s i z e 1 ：0 1 的电平信号决定的，在 本系统中，位于b a n k 0 的系统启动f l a s h 是1 6 位数据宽度的，因此将 b o s i z e i ：0 1 通过开关设置为“l o ”即“半字”1 6 位数据宽度。6 个 r o m s r a m f l a s h 控制寄存器( r o m c o n ) 分别对应6 组r o m s r a m f l a s h 存储器，即b a n k o b a n k 5 ，每个b a n k 的控制寄存器控制该b a n k 对应 r o m s r a m f l a s h 存储器的起始地址、结束物理地址( 告诉处理器存储器的 容量) 以及访问控制特性包括可编程访问周期t a c c 、页模式配置p m c 和页地 址访问时间t p a ，这组寄存器的设置对系统能否启动和读写操作至关重要。 d r a m s d r a m 控制寄存器d r a m c o n 对应$ 3 c 4 5 1 0 b 所支持的4 组 d r a m s d r a m ，因为已经将s y s c f g 3 l l i r x 置成了“1 ”，因此这些寄存器的设 置是对s d r a m 的控制，其设胃对系统能否难常运行也是至为重要的，该寄存 器的内容控制s d r a