（测试计量技术及仪器专业论文）基于armdsp磁浮列车长波不平顺度检测设备的开发.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 对于高速列车而言，轨道长波不平顺度的监控至关重要，它不仅对列车 运行的稳定性和舒适度产生不良影响，而且对行车安全有莫大的关系。本课 题的目的是根据采集到特定信号监控轨道的长波不平顺度的状态，并给出相 应的建议。根据要求，开发了一套仪器便于日常监控维护。 在具体设计中，基于t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 7 0 芯片( d s p 与a r m 的双核 处理器) ，对系统方案的选取，系统硬件与软件设计，整个系统的可靠性与抗 干扰能力进行详尽的探讨论述。 d s p 子系统充分利用其高速数学运算能力与丰富的软件资源，完成信号 采集、分析，包括来至加速度传感器与陀螺仪信号的采集转换，舒适度分析 与轨道长波不平顺度分析。本文在对小波的属性与现实可行性分析的基础上， 对轨道的长波不平顺度加以探讨。 同时在a r m 侧也扩展了相应模块来完成人机接口与数据存储，使其充分 发挥a r m 侧强大的人机接口优势，主要是各种外围存储体与借助c p l d 实现的 l c d 接口、i d e 接口，借以满足系统软件与海量处理数据的空间要求。在a r m 侧加载嵌入式操作系统可大大简化软件方面的开发设计。 针对双核处理器较高的工作频率、高密度的b g a 封装以及繁多的外围器 件，设计了8 层印刷电路板，在设计中详细考察了电路板布线的拓扑结构与 电磁兼容性等一系列问题。除此之外，对软件的载入、引导与移植等问题作 了粗略的说明。对具体调试运行中可能出现的软硬件问题，在相应章节也都 做了一定的说明。 关键词：a r m ；d s p ；c p l d ：小波；自举引导；高速p c b 西南交通大学硕士研究生学位论文第l | 页 a b s t r a c t t h et r a c ki r r e g l l l 谢t i e sc o u l db r i n ga b o u tr u i l n i n g s a f e t ya i l d r i d i n g c o m f o r t ，e s p e c ia 1 1 yf o rt l l eh i g h 一印e e dr u 皿i n gt r a i n nw o u l db en e c e s s a r yt o s t r i c t l y1 i m i ti r r e g u l a d t i e st h a tw ec a ne n s u r et h ec a s u a l t yw o u l dn o th a p p e n t h e p 印e rd i s c u s s e sm a i n l yt h et r a c ki r r e g u l a f i t i e sb a s e do nt h es i g n a l ，w h i c hi s e x t r a c t e df o mt r a n s d u c e f sm o u n t e di nt h et r a i n m e a n w h i l e w ea r ea w a r d e dt h e d e v e l o p m e n to fm es p e c i f i c 印p a r a t u sf o rt h eu s eo fd a i l ym a i n t e n a i l c ea i l da l e r t b a s e do nt h et m s 3 2 0 v c 5 4 7 0o ft i ( d u a ic o r e so fa r ma i l dd s p ) ，t h e d e b a t eo fp o s s i b l es 0 1 u t i o n s ，t h er e a l i z a t i o no fh a r d w a r ea n ds o r w a r e ，t h e r e l i a b i l i t ya l l da 1 1 t i - j a m m i n gc a p a c i t yw o u l d l b ep r o p o s e d d s ps u b s y s t e mw o u l dp e r f o mt h ef u n c t i o n s f o l l o w i n g ， t h es i g n a l s a m p l i n ga n da n a l y s i s ，i n c l u d et h et r a n s d u c e r s s i 趴a ls a n l p l i n ga i l dc o n v e r t i n g ， t h ec o m p u t a t i o no ft h ec o m f o nv a l u e sa n dt r a c ki r r e g u l a r i t yv a l u e s ，t ot a k ef u l l a d v a n t a g eo fi t sm g h s p e e da r i t h i n e t i cc a p a c i t ya n dr i c hs o f 柳a r er e s o u r c e s t h e a t t e n t i o nw o u i db ed r a w nt ot l l ew a v e l e tf o rt h et r a c ki r r e g i l l a r i t yt h e p r o p e r t y a i l dp h y s i c a l l ya v a i l a b i l i t yo f w a v e l e tw o u l db ed i s c u s s e dd e e p l y w h i l s t ，t h eh 眦a ni n t e r f 她ed e v i c e ( h d ) a n dd a t as t o r a g eh a v e b e e n e x t e n d e di nt h ea r m s u b s y s t e mf o ri t sp o w c r f u lh i d t h el c d 、i d ew o u l db e p r o p e r l yi n c o r p o r a t e d i n t ot h es y s t e mw i t ht h eh e l po fc p l d a b u n d a n t p r o c e s s e dd a t a s h o u l db eb a c k e du pf o r 血t u r er e f e r e n c e t h ee m b e d d e do p e r a t e s y s t e mw o u l ds p e e du pm ed e v e l o po fs o f t w a r e e v e n t u a l l y t h eh i 9 1 1o p e r a t i n gf r e q u e n cy ，a m p l eo u t s k i nc h i p sw i t ht h e d e n s e s t p a t t e m ， s u c ha sb g a ，w o u l dm a k e8 l a y e r s p c bi n e v i t a b l e m e a n w h i i e ，e m p h a s i ss h o u l db el a i do nt h et o p 0 1 0 9 yo fr o u t i n ga n de m i a 9 1 a n c ew o u l db eg a v ea tb o o tl o a d e ra n ds o f 柳a r ep o r t i n g s o m en o t e sw o u l db e i s s u e di nt l l ep a r t i c u l a rs e c t i o n st oi d e m i f ye x i s t i n gp r o b l e m sw h e nt r y i n gt o d e b u go rr u n k e y w o r d s ：a r ：m ：d s p ：c p l d ；w a v e l e t ；b o o t1 0 a d c r ；h i g hs p e e dp c b 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章引言 1 1 课题来源 目前，在拥有实用磁悬浮技术的国家中，日本开发的是电动悬浮( e d s ) 超导型磁悬浮技术，德国则集中力量研究电磁悬浮( e m s ) 常导高速磁悬浮技 术。我国上海市业已建成了龙阳路至浦东机场全长约3 0 k m 的常导高速磁悬浮 工程试验线。列车以5 辆编组，平均定员每节1 0 0 人：设计的最高速度是 4 3 0 k m h ，行车间隔7 m i n 。同时，上海到杭州1 7 0 多公里的高速铁路也将采用 该技术。 磁悬浮列车作为一种超高速的地面交通工具，它污染低，速度快，安全 平稳。目前可以和地铁、轻轨等配合使用，形成城市轨道交通网，为缓解城 市交通拥堵，建设生态化的国际大都市做出贡献。而且我国人口众多，地域 广阔，磁悬浮与民航与铁路相比也有一定的优越性。同时，我们可以看到磁 悬浮作为一项全新的技术，它还是首次投入商业运行。这就需要我们对可能 出现的问题需做进一步的研究，进一步完善这项技术。 我们知道，不管是常规列车还是磁悬浮列车，轨道的不平顺将是车辆系 统的重要激励源。轨道不平顺，主要有四种类型：高低不平顺、水平不平顺、 方向不平顺和轨距不平顺。磁浮线路不平顺的产生原因主要是由功能件几何 误差、支撑梁几何误差、桥墩及地基沉陷及其安装误差等组成，其中影响车 辆乘坐舒适性的长波不平顺主要来自轨道梁和地面基础的变形。对水平不平 顺而言，考虑到梁的收缩和徐变，温差引起的上( 或下) 拱以及地基松软，可以 认为其变化波长为梁的跨度或其倍数，不平顺近似于正弦曲线。轨道不平顺不 仅对列车运行的稳定性和舒适度产生不良影响，而且对行车安全有莫大的关 系。若不能对轨道梁的不平顺幅度进行非常严格的限制，就不能保证在高速运 行状态下列车的安全运行。为此，由上海磁悬浮公司申请立项的，西南交大 牵引动力实验室承担，对磁悬浮列车高速情况下的轨道长波不平顺进行相应 学习研究。 1 2 本研究领域的国内外现状 磁浮铁路系统的开发工作主要集中在德国和日本。其他如英国、美国、 加拿大、俄罗斯、瑞士、中国、韩国等园，也都先后投入资金研究中、低速 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 磁浮列车，但在总体上发展落后于德、日两国。澳大利亚、巴西、荷兰等国 也正在研究建造高速磁浮铁路线，但均处于论证阶段。 由于磁浮列车昂贵的投资，特别是线路的独特性：目前已经相当普及的 航空系统；新技术早期投入使用的不可靠性等等一系列经济技术道德方面的 因素，使其迟迟未能投入实际运营中。而轨道的长波不平顺度，则需要在长 期的运营中，面对变化的负载，经历各种不同地形的考验下，对磁悬浮列车 的运行状况加以观察分析。 从目前情况来看，实际上还没有成熟的磁悬浮轨道检测方案，多数还停 留在实验室仿真研究阶段。这就需要相当长的时间与运营路线对其加以分析 研究。而当前磁浮铁路系统的开发又多处于论证阶段，对轨道方面的研究仅 仅限于简单的理论分析或特定情况下的短距离的实验。因而国内外基本没有 相关文献的发表。 1 3 课题的研究任务 利用常规列车长波不平顺度研究领域的成果，并针对磁浮列车的特点， 选定合适的方案，对采集到能确切反映轨道长波不平顺度的信号，加以分析 研究并提取出特征信号。并研制一监控仪器，能自动采集、分析，并给出合 理的诊断意见。 主要研究内容： ( 1 ) 对长波不平顺度信号特征的分析与处理； ( 2 ) 多通道数据采集与模数转换： ( 3 )以a r m 与d s p 为核心的硬件系统设计； ( 4 ) c p l d 实现相应的逻辑关系与时序逻辑； ( 5 ) 高速p c b 板的设计； ( 6 ) 对系统软件与应用软件设计。 1 4 课题意义 本课题通过采用a r m + d s p 的架构，从硬件到软件开发出一套完整的 a r m + d s p 系统。不仅可以分别掌握a r m 和d s p 芯片体系结构，软硬件的开发 过程、开发方法及开发技术，而且可以培养集成系统的能力。在开发过程中， 要处理好两个处理器间的通信、资源和功能分配的问题。 该课题要完成一套基于a r m 与d s p 架构多功能评估板。该评估板将支持 西南交邋大学硕士研究生学位论文第3 页 进行硬件调试，软干牛开发与谰试。其主聚特征应包括： ( 1 ) a 脒和d s p 的双处理器系统的结构组合； ( 2 ) a r 联鞠髓p 赘鸯篦较充分静杰冀秘片辩褰k 袋熊、f 毛蠢s 鞋等存德器资嚣； ( 3 ) l c d 接口与硬盘接口： ( 4 ) 输入输出口功能强大，能进行信号采样、滤波、转换和存储； ( 5 ) 孺肇一逛源供宅，癌都键供多静电源； ( 6 ) 板上有符合i e e e l l 4 9 1 标准的j t a g 接口，用于开发时的仿真和调试。 开发的a r 鲢+ d s p 嵌入式皮用系统必须满足实时性的要求，能够究成信号 采集、分帮彳、存储薅显示等渤能。入枫界面要玩较友好，褥且模块设计通需 化，便于软件编写与使用维护。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第二章基于小波变换的长波不平顺度研究 2 1 小波变换的发展历程 小波分析及其应用是当前数学界和信号处理领域一个迅速发展的新兴 学科，它以全新的视角影响着这些领域的思维和分析方法。 从数学的角度来看，它为函数空间提供了一套逐渐逼近的子空间，这些 子空间有不同的逼近度，且逐渐逼近于全空间，从而可以用具有不同精度和 分辨率的一系列函数来逼近原函数。 从信号处理角度来看，它提供了一种时间( 空间) 一频率的局部化分析， 而且时一频窗可在整个时一频平面上移动，时宽和频宽也会随着频率的变化 自适应变化，因此被誉为“数学显微镜”。 经过众多学科领域十多年的共同探索研究，重要的数学理论己经建立， 同时得到了广泛的应用，成为众多研究领域的交叉点。这些研究成果正在推 动着小波理论不断地丰富完善，应用更广泛深入。 小波概念的真正出现是在1 9 8 4 年，法国地球物理学家m o r l e t 在地震学 研究中发现，如果送到地下的可调脉冲波持续时间太长，就不能用来分辨密 聚的地层结构。因此，m o r l e t 采用更短的波来识别高频结构。他把这种由单 个函数的伸缩得到的波叫小波。物理学家g r o s s l l l a n n 发现这与他在量子物理 上的研究有相似性，在他们二人研究的鼓励下，理论物理学家和信号处理专 家合作建立了连续小波变换。 1 9 8 j 年数学家m e y e r 汪明了小波函数的存在性，并构造出了具有一定衰 减性的光滑小波函数，其= 进制伸缩和平移可以构成l 2 ( r ) 空间的规范正交 基。 1 9 8 8 年d a u b e c h i e s 给出了具有紧支集和任意有限正则度的小波函数的 一般构造方法。 1 9 8 9 年m a 儿a t 创造性地将计算机视觉领域中的多尺度分析的方法引入 到小波基的构造中。其统一了此前提出的各种小波构造方法，井且研究了小 波变换的离散形式，给出了m a l l a t 小波塔式分解和重构快速算法。这一算法 在离散小波变换中的地位相当于f f t 在傅立叶变换中的地位，从而为小波变 换的工程应用铺平了道路。 由于正交小波不对称，在多尺度的信号分析时，无法保证各尺度间的线 由于正交小波不对称，在多尺度的信号分析时，无法保证各尺度间的线 嚣辫交遴大学硕圭醛究黧学位论文第5 页 性相能，1 9 9 2 年a c o h e n 等人又构造了具有线性相位的双正变小波，使小 波分析觅加适合于信号处瑷。 慕予以往的小波研究发现：小波变换在频域上进行，其基本工具是傅立 时交羧，逶爱于平移不交戆窆阗；稳遥一般嚣嗳显瓣鳃辑表达式，爨不甄迭 我计舞；不适合与复杂鹃信号空闽，如球瑟餐；对有界空褥、非均匀采样处 理不便。 在基于早期d a v i dd o n o h o ，m i c h a e ll o u n s b e r g 等人的工作上，一种新 的小波构造方案提升格式开始浮出水顾。为了与采用傅立叶变换来构 造浆健统小波变换相区删，由该方法构造的小波被称作第二代小波变换。 羹孛释。s 轷e l d e n s 提密了一静提秀疆式霉浚缀容荔戆稳造毒整数爨整数戆小 波瓷换，这样就可以避免第一代小波变换结聚为浮点数所带来的问题。 融经证明，任何f i r 小波变换都可以被分解成为一系列简单的提升步 骤，所有能够用子带滤波实现的小波，都可以用提升算法来实现。 2 。2 第一代小波发展 逡续小渡交换定量鹣焱示了蔫号与小浚滋数集中豹各个小波辐关或接近 的程度。如果把小波看成怒扩展空间的基函数系，那么，连续小波变换就是 信号谯撼函数系上的分解溅投影。 信号的连续小波交换是超完备的，一个一维信号的小波变换是二维函 数，它代表的信息量和隳求魄存储量都大大增搬了。在实际的数字信号处理 遭稳枣，为了谤篓兹麓臻，逡鬼了藏多不必要豹趸余整悫，霹虢瑟参数对( a ，b ) 取傅离散化，只番j 用离散化蓐保留下来豹部分系数来分析信号，在大多数应 用中，人们主要对二进制抽样感兴趣。 由连续小波变换的离散化还引出了用系数是否能完全重构原信号的问 题，遮样基小波在容许条件之外要有更多的限制。信号离散表示的完备性和 冗余，陂是逮蓬遥运论中鲍糕絮理论寒描述懿。怼予一令框粱，系数不是唯一 豹，毯惩哥班遂过适当煞选择绦存范数等徐。醚便捷一下，冗佘肖髓于提高 重构精度，减低系数误熬的影响。 为了减小小波变换系数的冗余度，应尽最减小小波函数集的线性相关 度，因此希望小波族具肖线性独立性，甚至烧相互正交的。从信号重构的精 度考虑，正交基又是信号熬犒最理想的基函数，所以希望小波照最交小波。 褰教懿小波蓬檠箕售惑豢锈蹩趸余爨，霆魏扶数据莲鳕懿受浚，爨秀望减毒 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 它们的冗余度，直至得到一缀正交基。解决这个问题的方法是多分辨率分析 的方法，又称为多尺度分析。多尺度分析是建立在函数空间概念上的理论， 但其思想的形成来源于工程。多尺度分析不仅在泛函分析的框架下统一了各 种具休的小波构造方法，给出了构造正交小波基的一般方法及其快速算法， 而且为正交小波变换的快速算法提供了理论依据。其思想又同多采样率滤波 器组不谋而合，使小波理论同数字滤波器的理论结合起来。 m a l l a t 提出了多分辨率分析的概念，并将小波变换应用于图像分解和重 建，这是小波变换理论上的一个突破性进展。通过把多分辨率分析和m a l l a t 算法的概念推广到二维情况就可以得到图像的二维小波变换。对图像进行小 波变换就是用低通滤波器和高通滤波器对图像的行列分别进行滤波，然后进 行二取一的下抽样。 在图像处理时，正交性能保持能量；对称性既适合于人眼的视觉系统， 又使信号在边界易于处理，因此，分析工具同时具备这两种性质是十分重要 的。但是，在实数域中，具有紧支、对称、正交的非平凡单小波是不存在的， 这使人们不得不在正交性与对称性之间进行折衷。 为了弥补上述不足，g o o d m a n 等提出多小波的概念，其基本思想是将单 小波中由单个尺度函数生成的多分辨分析空间，扩展为由多个尺度函数生成， 以此来获得更大的自由度。这样，他既保持了单小波所具有的良好的时域与 频域的局部化特性，又克服了单小波的缺陷。将实际应用中十分重要的光滑 性、紧支性、对称性、正交性完美地结合在一起。多小波在理论上所表现出 来的优势以及它在应用领域所具有的潜力，使其受到高度重视。在短短的几 年时间内，他在图像处理方面的应用已取得了一定的成效。 多小波变换的目的就是用多小波基对信号做非线性逼近。因此，小波基 的应用就是用很少的非零小波系数去有效逼近信号的能力。通过引入多个尺 度函数和小波函数，多小波的构造方法提供了更多的设计灵活性，从而减少 了对滤波器性质上的限制。多小波的支集和它们的消失矩之间能得到较好的 平衡。 2 3 第二代小波简述 作为第二代小波，希望它能成为l 。( r ) 的r i e s z 基和各类函数空间的无 条件基。作为第二代小波的主要优点如下： ( 1 ) 二代小波的构造完全在空间域内进行，无须傅立叶分析理论； 西南交通火学硕士研究生学位论文第7 页 ( 2 ) 用到的工具相当简单，生要为e u c l i d e a n 除法( 取最丈共因子) ； ( 3 ) 可以实现更快速的小波变换算法，比常规小波算法快卜2 倍： ( 4 ) 运舞过程燕攀，霹鞋实溪完全豹鞫娃运篓； ( 5 ) 正向小波变换和反交换结构是基本一致的，仅有正负号的区别； ( 7 ) 第二代小波变换由于是光损重建信号，则无须考虑数据的延插方式。 ( 8 ) 二代撬升算法逐能实璜僚懑霞豫尺寸匏小波嶷换，一代二遴麓小波交换 要求信号长短为2 的幂数。 一个标准鲍提舞过程分为三步：分裂、预测和更毅。 第一步是分裂邋程。将数据集函分解成两个较小静子集a ，、d 。不限翻 分裂的方法，也不限制分裂的子集的大小，但必须保证能够由两个子集重建 凝始数据集。显然，最篱单黪分裂方式怒凑数攒祭麸中阕分残嚣部分，第一 鄢分定义为子集a ，第二都分定义为予集d 。，但怒这两部分的相关性 常小， 从而在第= 步预测j 过程中，很难减小数据间的相关性来达剿数据压缩。我们 甄遭，掇邻襻篷阁的耀关性燕最好戆，掰鞋最好瓣分裂方法是将奇数轰豹集 合定义为ab ，将偶数点集合定义为d 。，我们将这种方式产生的小波称为惰 性小波。任何双正交滤波器都可通过惰憔小波不断做提升和对偶提升( 直至 撩差一令移谴窥参数溺予) 瑟生裁。 第二步是预测谶程，预测的目的是消除第一步分裂后留下的冗余，给出 踅紧致的数据表示。所以希黧找到一个独立于数擐特性的预测算子p ，通过 预测公式d ；：= d 。一p ( a 1 ) ，将骧鲶数据集合替换为其有较小值鹣预溺谖羞集合。 在这里，“：= ”即袭示对变墩的更新而不是一个等式。很明显，如聚原始的 d ；宠全可囊8 ，预测，星预测舅子是理想的，则赣熬d 。是全零序列，基有最低 静能量分布。 在实际应用中，可能找不到理想的预测算予，但可以找到一个预测算子 p 。搜强测器戆d ；其蠢缀低匏鼹囊分毒。然嚣龟，又霹戳遂步努鳃免翰蠡， 将这个过襁不停地迭代下去，赢到指定的n 级分解，形成系数集。 通常拽们希望最后的系数子集a 。中保留有舢中的全局特征，并实现频域 上戆售号分裹，摄始乎均篷绦持不变霉媛涯零波豹积分隽零。懿栗迭健过程 中只是对原数据进行简单的躐采样，经过很多次遮代后必然只剩下一个像素， 鼹然这个像素不能代表原始数据的总休特征。因此，在每一级分解中增加了 繁三步。 嚣纛交遘大学矮士磅究黧攀位论文繁8 页 第三步是更新过程，其本思想是寻找一个更好的标量q ，使数据的某个 标量q 持不变，即q ( a 。) = q ( a 。) 。定义一个算予u ，使得由u ( d 。) 对a ，进行更新 后保持上式成立。更新过程记为：a l _ a 。+ u ( d 。) 。 一 越一l 鸯。t 露( 2 一1 ) 疆舞结鞫 利用多项式和e u c l i d e a n 因式分解算法以及正交滤波器的黧构条件，可 以实现常见传统小波变换的提升。在此基础上，进一步利用提升嗣对偶提升， 可以绘燃各种新的小波。谯此双正交框架下，绘出小波是紧支的，滤波器是 骞羧长戆，正戴瞧是垂定义麴。裁嗣播毽藏平殇援篷，圈襻恣霹戳绘窭台逶 静提升结擒，只是基静稳定性与光滑性不太蕊观。 2 4 小波的属性 妻果信号是局部光滑的，那么在一个小区间上，它可以用k 阶泰勒多项 式缀好蟪逼近，若k 6 4 ) 时更为有效。假实际的d w t 滤波器的阶数都较小，不 霹素交遂大掌矮璎突生学俊论文繁 o 葵 采用f f t 。 对于囊教二避剿正交夺波交换，一令除数为l 兹滤波器诗算每一点辩， 需l 次乘法和l 1 次加法( 在d s p 中可用条乘和指令完成) 。当最大尺度数 爻j ，由予捶襻，诗算复杂度鸯每一惠嚣2 l ( 1 2 1 ) 次乘法羁2 ( l 1 ) ( 1 2 。) 。因此，滤波器总的复杂度都近似等于2 l 。假设i ( r ) i = ，b ( f ) l = 肘，其 复杂度约为2 ( n + 精) 。对于正交小波，利用 ( f ) ，窖( f ) 的函数性质，可将计算 量减少2 5 到5 0 。对于一般的快速二进小波计爨，没有次采样，计算复杂 度与豇成藏眈。而提升绪鞫大致为( n + m + 2 ) 。 对长度为n 的数据，如果采用只有一个计算单元的处理器，弗带有一个 周期为手斡计算定辩零元嚣三鑫o g ，一i ) 存储单元，逐熹安辩诗冀籍寸，可遥过 分丰斥d w t 各阶段的时序对米加速d w t 计算是非常有启发的。递归企字塔算法 ( r p 焱) 对各个簸塞送章亍重躲撵彦，鞋授每令稳窭羧攥都能按谈定辩窿雩莓到。囱 分柝过程中也可知道尺度越大，数据率越低。为了加快d w t 计算速度，可以 剥瘸数据溅程圈揭零数据凌来，产生顺序与去皮，在硬终中采曩泼水线袋多 处瑷器结构。 由于国际上磁浮轨道定义螅长波长度是根据粱长度进章亍定义的，龙煅线 一襁梁长近似为2 5 米，因而当提敬的长波长度最小为i 椴梁长时，那么农车 体速度为4 3 0 k m h 时，从传感器反映的长波特征频率应该近似为4 。8 h z ，但 是由于测羹误差阻及梁长的近戳选取等同题豹存在，我们可戬遥取较大的长 波特征频率4 6 h z 。这样我们可以认为特征频率在4 6 h z 之间，波长在l 投粱长度藏是我鬣癸我靛长波。 采用模态分解方法或短时傅立叶变换，都可以发现信号在4 6 h z 之间存 在蠢较强懿筵量。为了提取爨特，蟊频率在4 一醴z 瓣长波镲号，在零文中麓萃 的以d b 9 小波为例，提取可以认为要提取特征频率在4 6 h z 的长波。由于 d b g 本身频谱的阉鼷，由其稳建豹特征信号并不楚最好的。此鞋重提舞结橡是 个不错的选择，利用插值原理可以构造出能比较真实的反映特征信号的小波， 再通过更新阶段加以约束，可使用于非匀遽阶段且无长度上2 的幂数的限制。 不过由于实际中蘸好的待缎信号不易获取，且无对比性( 非实验线路，人工不 易于涉) ，以及时间仓促，本文不加论述，但可作为今后进一步研究的热点。 遥敬了强i 小渡，分察蘑羧为4 麓，在采祥频率为4 0 z 的情猿下，各瑟的 频率范围分别为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 a l ：o 一2 0 h z a 2 ：0 1 0 h z a 3 ：o 一5 h z a 4 ：0 2 5 h z 其低频各层重构信号如图( 2 2 ) 所示 d 1 ：2 0 4 0 h z d 2 ：1 0 一2 0 h z d 3 ：5 1 0 h z d 4 ：2 5 5 h z 图( 2 2 ) 小波变换各层低频重构 鼯南交通犬学硕士研究生学饿论文第1 2 页 第三章嵌入式系统硬件设计 3 ， 嵌入式徽处蘧器 嵌入式系统发展朝若小体积、低功耗、高性能的趋势发展。眦u 、d s p 鞠e p l d f p g 盘三静楚理器在现代嵌入式系统中扮演静建惫黧嚣三分天下翁两 颈，它们各自具有独特的优势而在某方面又略显不足。以5 1 系列单片机和 a 煳微处理器为代表的m e u 家族因其丰寓的软件系统支持，在控制和处理人 祝接口领域占据绝对的领先魏住：在海薰数据鲶疆方面蕊p 占尽了风骚； c p l d f p g a 则在高遥复杂逻辑处理方面独占鳌头，并且最i 臆凭借其超大规模 的单芯片察量和硬律电路鲍赢遮共霉亍运箕能力异攀突起，焱僖号处理方蘑也 驻示出突出的优势。因而，粼u 、d s p 稻c p l d f p g a 的结合将是未来嵌入式系 统发展的趋势。 3 。 a 则体系缝构 1 9 8 0 年，p a t t e r s o n 和d i t z e l 完成了一篇题为“精简指令集计算机概 述”的论文。在这篇开创性的论文中，他们详细说明了这样的观点，即单片 怒理器瓣撬纯结餮不必豫多蕊片楚理器熬虢琵结构一样。耱君一个处理器设 计项目取得的结果支持了他们的论点，即伯克利r l s c 。它的组织特，谯为硬连 线的指令译码逻辑，流水线执行，单周期执行。 矗餮麓处疆器是掇疆r i s e 缀理设诗静，僮是受于各种骧鬻，在低代谒密度 问题它比其他多数r i s c 要好一些，然而它的代码密度仍然不如某些c i s c 处 遐器。在代码密度特别重要的场合，a r 骐公司在莱些版本熬a r 髓处攥器里搬 入了一个称了h u m b 结构静新型机构。t h u m b 指令黛是原来3 2 位a r m 指令集豹 1 6 位压缩形式，并在指令流水线中使用了动态解压缩硬件。 最初a 糊是1 9 8 3 一1 9 8 s 翅阕叁英嚣剑辑数a c o r 廷c o 撒羚u t e r 公甏开发弱。 它是第一个为商业用途而开发的r i s c 微处理器。1 9 9 0 年，a r m 特别为扩大开 发a r m 技术而成立了独立的公司。从那以后。a r m 已被授权给世界各地的许 多半导体铡造厂。它纛经成巍低功趣窝逸求或本懿浸入式藏弼夔泰场镶导者。 a r m 体系结构采用了若干b e r k e l e yr i s c 设计中的糟干特征 l o a d s t o r e 体系结构：固定的3 2 位指令；3 地址指令格式( 亦即两个源操作数寄 务器窝缍莱寄存器帮独立设定) 。未采鬻豹特征蠢：寄存器鬻臼，延迟转移与 举周期执行。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 处理器指令集定义了操作。程序员可以用这些操作来改变处理器的系统 状态。这些状态是由处理器可见寄存器和系统存储器中数据项的值构成的。 每一条指令可以看作是完成从指令执行前的状态到指令完成后的状态所定义 的转换。注意，尽管典型的处理器有许多不可见寄存器参与指令的执行，在指 令执行前后这些寄存器的值是不重要的。只有可见寄存器中的值才有意义。 当编写用户级程序时，仅有1 5 个通用3 2 位寄存器( r o r 1 4 ) 、程序计 数器( r 1 5 ) 和当前程序状态寄存器( c p s r ) 需要考虑。其余寄存器仅用于系统级 编程和异常处理。 a r m 处理器支持被保护的监控模式。保护机制确保用户代码在未经适当 检查以确保它不会执行非法操作的情况下，不能得到监控特权。 所有的a r m 指令( 除了t h u m b 指令) 都是3 2 位宽，在存储器中以4 字节 的边界对准。每条指令都是条件执行。 a r m 7 是目前低端的a r m 核，具合广泛的应用。它使用了三级流水线，增 强了一个6 4 位乘法器。 a r m 7 提供了j a v a 加速，可得到比基于软件的j a v a 虚拟机高得多的性能。 这些功能使平台开发者可自行运行j a v a 代码，并在单一存储器上建立操作系 统和应用。 同时，对于a r m 7 的调试也是相当方便的，因为a r m 7 具有嵌入式i c e r t 逻辑，能进行嵌入式跟踪，支持片上断点和调试点，允许在代码的任何部分， 甚至在r o m 中设置断点。a r m 的嵌入式跟踪宏单元被设计成驻留在a r m 处理 器上，用以监控内部总线，并能以核速度无妨碍地跟踪指令和数据的访问。 3 1 2d s p 体系结构 d s p 芯片，又称数字信号处理器。是一种特别适用于进行实时数字信号处 理的微处理器。d s p 内部采用的是程序空间和数据空间分开的哈佛结构，允 许同时取指令和取操作数，而早期的微处理器内部大多采用冯诺依曼结构， 其片内程序空间和数据空间是合在一起的，取指令和取操作数是通过一条总 线分时进行的。当高速运算时，不但不能同时取指令和取操作数，而且还会 造成传输通道上的瓶颈现象。许多d s p 芯片内部都采用多总线结构，这样可 以保证在一个机器周期内可以多次访问程序空间和数据空间。由于d s p 芯片 内部总线结构为多总线结构，可以完成复杂的功能，所以在d s p 中，采用复 杂流水线结构，在程序运行过程中取指、译码等几个阶段是重叠的，将指令 周期降低到了最小的值。 馘南交通太学硕士研究生学位论文第1 4 页 d s p 内部一般都包括有多个处理单元，如算术逻辑运算单元( a l u ) 、辅助 寄存器运算单元( a r a u ) 、累加器( a c c ) 、累加缓存器以及硬件乘法器( m u l ) 等， 郝可以奁令据令周期痰著行送行运筹。藏霹，为了瀵是数字痿号处壤应用 的特殊需要，在d s p 的指令系统中，设计灵活多变的寻址方式以及一些特别 的d s p 指令，比如倒能寻址，带环状缓冲。乘和指令方式，这些指令铉往具有 葵它足条籀令穗缝合蕊翼有懿功麓。瑟一代菸p 的搂墨功能越来越强，片内 媳有全双工的标准串口，支持8 位和1 6 位数据传送、时分多路串口、缓冲串 潮以及多邋道缓冲串口，可与主极直接连接盼8 位辨符主机接口；直接存储器 访闻控裁嚣；软件可编程等待状态产生嚣；在片的锁相环；酎镑发生器，可 采用内部振荡器或外部的时钟源：以及具有符合i e e e l l 4 9 1 标准的在片仿真 接口等等 3 1 3n i o s 体系结构 在2 0 0 0 年，a t e r a 发布了n i o s 处理器，这是a l t e r a 在e x c a l i b u r 嵌 入式处理嚣诗划中繁一个产熬，它也藏淹、韭要第一款霉缭稷逻辑毯纯瓣霹配 凝处理器。n i o s 可以嵌入在f p g a 芯片中，完成部分信息的预处理工作。它 将c p u 与f p g a 的功能集于一身，既简化了电路板设计，又不存在接口速率的 簸疆润蘧，捷整拿系绞在一块蕊片上裁霹瀑完应。 a l t e r s 公司的n i o s 是基于r i s c 架构的嵌入式处理器软内核，它专门为 可编程逻辕避行了优化设计，墩为s o p c 设计了一熬套综合解决方案。主要包 掭一个e p u 、 o 中戮审请、诗时器、u 矗瓣露及大黧的逶蔫赘存器。n i o s 豹数 据总线和地址总线宽度可由用户定义( 最大为3 2 位) 。它也可以根据县体需 求增加并行输入输出端、连接外设的接暖逻辑等。 它的体系机构特点： ( 1 ) 大容最寄存器雉：最大可以实现5 1 2 个内部通用寄存器，可实现上下 文的浚遽切换； ( 2 ) 单完备的指令集：3 2 位和1 6 位的n i o s 系统都运用1 6 位宽的指令集， 1 6 3 2 位数据通道，5 级流水线技术； ( 3 ) 强大懿寻址模式； ( 4 ) 较强的可扩展性：用户罚丁以直接把定制的逻辑集成到n i o s 算术逻辑单 元内，并且自动生成包含c 语言和汇编语嵩下访问寇制指令硬件的宏 指令戆较转开发工其惫； ( 5 ) 硬件辅助功能：用户可以利用硬件的优点去另外创建一些指令，从而 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 提高指令执行速度。它可以有5 条用户定制指令，用户可以把复杂的 工作简化成一个单一的指令来做。 n i o s 处理器采用五级流水线技术，大多数指令可以在一个时钟周期内完 成，这就相应的提高了处理器的运算速度，并且利用a 1 t r e a 公司提供的 a v a l o n 总线，设计人员可以很轻松地在设计中加入多个n i o s 处理器，有效 地提高了系统的并行处理能力。n i o s 处理器本身是一个软件内核，只要芯片 上有足够的空间它就可以不断进行升级而不用修改电路结构。n i o s 处理器 还是一个标准的r i s c 处理器，执行标准的c 源代码，程序的可移植性强，开 发人员不必为它的兼容性担心，可以重复使用以前开发的代码。 3 1 4 几种芯片比较 d s p 在以下的几项上肯定占有一定的优势： ( 1 ) d s p 的速度比a r m 快，主频较高； ( 2 ) d s p 适合于数据处理，数据处理的指令效率较高； ( 3 ) d s p 可以同时处理的事件较多，系统级成本有可能较低；。 ( 4 ) d s p 的灵活性较好，大多数算法都可以软件实现。 当然a r m 也有其优势可言，下面列举的几点可能是d s p 所不具备的： ( 1 ) 使用r i s c 指令集，支持操作系统能力比较强； ( 2 ) 通用i 0 、标准接口较多。 而n i o s 做为一种可编程的软核，可将一个或更多的处理器，存储器和人 机接口集成到一个单一的f p g a 中，从而降低了系统成本、复杂性和功耗。d s p 对海量数据快速处理的优异性能主要在于它复杂的流水线计算技术，只有规 律的加减乘除等运算才容易实目前。而n i o s 通过使用己经相当丰富和成熟各 种d s p 算法的i p 核，可大大提高系统的计算速度。用f p g a 硬件门电路实现 的3 2 位浮点乘法器可将原来需要2 7 8 4 周期的运算将至1 9 周期。 3 1 5 处理器的选用 由于前期的算法还没有完全确定以及信号的预处理比较复杂，所以数据 处理我们选用了d s p 处理器。众多的外围接口以及较短的开发周期迫使我们 同时选用a 脒处理器。分立的两种处理器，必然在处理器间的通讯以及后期 的联调提出不少问题。而t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 7 0 是集成了基于t m s 3 2 0 c 5 4 x 体系结构的d s p 子系统和基于a r m 7 t d m 核的r i s c 微控制器子系统的双c p u 定点数字信号处理器。它支持双核的j t a g 在线联调，而双核的通讯通过内部 集成的双口r a m 进行。t i 公司本身对该款处理器提供了丰富的软件支持。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 t m s 3 2 0 v c 5 4 7 0 基本特性如下： ( 1 ) 集成了t m s 3 2 0 c 5 4 x 体系结构的1 6 位d s p 和a r m 7 t d m i 的双c p u 处理器： ( 2 ) d s p 带有7 2 k x1 6 位的集成s r a m ，最高工作频率高达l o o m h z ； ( 3 ) 集成的d s p 子系统外围器件； ( 4 ) a r m 7 微控制器核带有1 6 k 1 6 集成s r a m ，运行速度可高达4 7 5 m h z ； ( 5 ) 集成的m c u 子系统外围器件； ( 6 ) 基于片上扫描的仿真逻辑； ( 7 ) 封装为2 5 7 一b a l lm i c r o s t a rb g a 。 d s p 子系统包括以下模块： ( 1 ) t m s 3 2 0 c 5 4 xd s p 核，采用改进型哈佛体系结构，其中有l 条程序存储 器总线和3 条数据存储器总线； ( 2 ) 7 2 k 1 6 位内部r a m ，组成3 2 k 1 6 位数据s r a m 和4 0 k 1 6 位程序s r a m ； ( 3 ) a r m 端接口a p i ，由它提供u 访问8 k 1 6 位的d s p 数据s r a m ； ( 4 ) 2 个多通道缓冲串口； ( 5 ) 锁相环p l l ； ( 6 ) 定时器； ( 7 ) 一个六通道的d m a 控制器； ( 8 ) 可编程等待状态发生器； ( 9 ) 外部存储器接口。 m c u 子系统包括以下模块： ( 1 ) 扩展仿真特性的a r m t d m ir i s cc p u 核； ( 2 ) m c u 存储器接口，用于外部s r a m 、f l a s h 和s d r a m ； ( 3 ) 集成的4 k x 3 2 位s r a m ： ( 5 ) m c u 大量的通用i 0 接口，包括对8 x 8 键盘的支持； ( 6 ) 3 个定时器( 2 个通用，1 个看门狗) ； ( 7 ) 兼容i r d a 的u a r t ，支持2 种模式：即i r d a 模式及没有硬件流控制的 u a r t 模式； ( 8 ) u a r t m o d e m ，带有硬件流控制支持及自动波特率功能； ( 9 ) m c u 子系统中断处理器； ( 1 0 ) i 。c 接口； ( 1 1 ) 串行外围接口； ( 1 2 ) 锁相环p l l 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 图( 3 1 ) n i s 3 2 0 v c 5 4 7 0 结构方框图 系统初始化：r e s e t 是d s p 与m c u 子系统的复位输入。r e s e t o u t 信号在 m c u 控制下可用于复位外部设备。当m c u 子系统被复位时，m c u 程序计数器从 地址o x 0 0 0 0 ：0 0 0 0 处开始执行。当d s p 子系统被复位时，d s p 程序计数器从 地址0 x o o o o ：0 x f f 8 0 处开始执行。每一个 i c u 予系统外围可以通过m c u 子系 统寄存器r e s e t r e g 的控制位被独立地复位。 3 2 系统架构的建立 首先，t m s 3 2 0 v c 5 4 7 0 属于双核芯片，将人机接口处理、信号存储与信号 处理工作完全分离，由d s p 子系统完成信号的采集分析，m c u 子系统完成一 般的通讯、信号存储功能。d s p 所具有的多总线结构、特殊的d s p 指令、流 水线结构执行指令，高达l o o m h z 的工作频率，可以使信号处理变得游刃有余。 处理的结果可以通过a p i 传给a r m 端，a r m 子系统根据这些数据可作进一步 的后端处理。在加上a r m 本身所具有的丰富的通用i o 口与存储接口，使得 实时功能变得更加的完善。 对于构建一个嵌入式系统而言，除了选用合适的处理器外，还必须根据 处理器的特点与开发要求完成硬件系统的构成，特别是扩展完成系统所需的 存储器，建立具有一定功能的人机接口，前