（机械电子工程专业论文）基于arm的嵌入式数据采集系统的研究.pdf

摘要 陡着荦萼学技寒静飞速发袋，天嚣疆 数据采集静要求麓来越蔫：不饺蘩求高速、离赣发窝嘉 实时，还簧求采集设备便携化、网络化和智能化，并具脊友好的入机界面。传统的8 1 6 位单片 机因资源极度受限，难以满足上述要求；而p c i 或i s a 数据采集 ，则存在着安装麻烦、价格 昂贵且电磁兼容性差等缺点。 嵌入式系统是当今最流彳亍静翦沿技术之一。将袋入筑拄謇；l 入鼗爨采集系缓，可大大提赢 系统的实时性和灵活性，满足日益提高的测量需求。本文的研究正是基予a r m 的嵌入式数据 采集系统。 本文黪癌嬲对象为f 1 5 受蕊车测控系绞，在兼颞邋磁性积可扩展性孵条停下，设计了一静 软硬律配溪瑟活、适瑗憔强、性侨眈商浆嵌入式数据采集系统。萁疆 串平台以a r m 簸瑷器和 可编程逻辑器件f p g a 为核心，扩展了u a r t 、l c d 、a d 和u s b 等外围接口，可进杼多通道 多参数的采集、存储、传送和显示。软件设计上，首先完成了串行通信接口、a d c 、n a n d h a s h 、 l c d 等模块的驱动疆序编霹；然矗实理了捻占式实时搡露系统u c o s 1 1 簌该平台上懿移辕 在 此基础上，掇据谍题需求。进行了多任务的规划和设计。 利用接口逻辑丰富、并行运算能力强太的f p g a 器件，不但减轻了c p u 的负担，减少了 芯片数量和板子体积，而胤人大提高了系统的开放性和可重构性。r t o s 平台的构建。降低了 软馋致诗静复杂度，提毒了系统熬实嚣重鼓舞l 灵活性，缨簸了舞菠弱期。本系统的软硬f 繁梅， 不仅可用于f 1 5 负荷车溯撩系统，还可用予其它数据采集场合，具有缀强豹通用性。 实验窝调试和运行表明，该系统工作稳定可靠，达到了预期的设计目标。 美毽谲：数据采集，袋入武系绞，a r m ，f p g a ，多强势 h a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y , t h ed e m a n d so nd a t aa c q u i s i t i o n ( d a q ) a r e e n h a n c e d ：n o to n l yf o rh i g h - s p c e d , h i g h - a c c o r a c ya n dm a l t i m e , b u ta l s of o rp o r t a b i l i 吼n e t w o r k i n ga n d i n t e l l i g e n c e ，a sw e l la saf r i e n d l ym a n - m a c h i n ei n t e r f a c e t h et r a d i t i o n a l8 1 6b i t sp r o c e s s o ri sf a rf o r m t h e s er e q u i r e m e n t sb e c a u s eo fr e s t r a i n t so fr e s o u r c e o nt l l eo t h e rh a n d p c io ri s ad a qc a r d sh a v e s o m ed e f e c t ss u c ha sc o m p l e x i t y , e x p e n s o ，e l e c t r o m a g n e 血md i s t u r b a n c e ，e t e e m b e d d e ds y s t e mi so n eo ft h el e a d i n g e d g et e c h n o l o g i e sn o w a d a y s ，i tc a nb eu s e dt oe n h a n c e r e a l - t i m af e a t u r ea n df l e x i b i l i t yo fs y s t e m , s oa st om e e tt h ei n c r e a s i n gm e a s u r e m e n tn e e d s t h es t u d y o f e m b e d d e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do n a r mi ss u c hac a s e a c c o r d i n g t ot h e r e q u i r e m e n t s o ff 1 5 l o a d - t e s t i n g v e h i c l em c a s o r c m e n t & c o n t r o l s y s t e m , c o n s i d e r i n gg e n e r a l i t ya n de x p a n s i b i l i t y , am o d u l a r i z e d , s c a l a b l ee m b e d d e dd a qs y s t e mw i t ha h i g hp e r f o r m a n c e - c o s tr a t i oi sb r o u g h to u t a r mp r o c e s s o ra n df p g a a r eu s e da si t sh a r dc o r e ，f r o m w h i c hw ee x t e n d e du a r t , l c d , a d u s b ，e r e t h es y s t e mh a s f u n c t i o n si n c l u d i n gd a t a a e q u i s i t i o r t , s t o m g e , d i s p l a ya n dt r a n s m i s s i o n i ns o f t w a r ed a s i g n , d e v i c ed r i v e r sf o rk i n d so f p c 唧b e r a l m o d u l e sw e i bw r i t t e nf i r s t l y , t h e nu c o s 1 l , w h i e hi sar e a l - t i n * p r e e m p t i v em u l t i t a s k i n go p e r a t i n g s y s t e m w a st r a n s p l a n t e do nt h eh a r d w a r ep l a t f o r m b a s e do nu c o s q i , m u l t i t a s kw a sd e s i g n e d a c c o r d i n gt or e q u i r e m e n t so f t h ep r o j e c t u s i n gf p g a , w h i c hh a sa b u n d a n tl o g i cr e s o u l - c e sa n d as o p h i s t i c a t e da b i l i t yo fh i g h - s p e e d p a r a l l e lc a l c u l a t i o n , r e d u c e st h eb u r d e no f c p u a n dt h eq u a n t i t yo f i n t e r f a c eu n i t s ，a sw e l la se n h a n c e s e x p a n s i b i l i t ya n dm a i n t e n a n c eo ft h es y s t e m b u i l d i n gs o f t w r r ep l a t f o r mb a s e do nr t o sc a nr e d u c e t h ec o m p l e x i t yo fs o f l c w a r ed e s i g n ，i l l a p r o v et h er e a l - t i m e f e a t u r ea n df l e x i b i l i t y , s h o r t e nt h e d e v e l o p i n gp e r i o da sw e l l t h es y s t e mc a nn o to n l yb eu s e df o rf 1 5l o a d - t e s t i n gv e h i c l e , b u tc a na l s o b eu s e df o ro t h e rd a qa p p l i c a t i o n s e x p e r i m e n t si nl a bi n d i c a t e st h a tt h es y s t e mw o r k ss t a b l ya n dc r e d i b l y , a n dr e a c h e st h ee x p e c t e d e 他c t k e yw o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o n ，e m b e d d e ds y s t e m , a r m ，f p g a ，m u l t i t a s k i i i 独创性声明 y9 3 9 0 7 3 本人声明所呈交的论文怒我个人在导师指导下逃行的研究工作及取得的研究 成采。尽我辨细，除了文中特麓鸯籍| 三i 稼注窝致落靛逸方努，论文中不镪含其镌大已 经发寝或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位 或涯书嚣镬弱过豹耱瓣。与我一闲工俸戆囤恚对本磷究繇散豹任餐贡敲终己在论文 中作了明确的说明并液示了谢意。 磷究叟签名： 稼喜吏 f 簿翔：妒占年，舞6 基 关于论文使用授权的说明 本夫完全了解中强农业大学骞关馁鍪、镶翅学位论文的嫒定，帮；学校鸯投保 留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描 等复到手段保存、汇缡学位论文。网爨中国农妲大学霹以列不露方式在不同媒体上 发表、传播学位论文的全部或部分内铎。 撩 密熬学短论文在解密器应遵守她势议) 研究生虢随毒次 帆州年朋占日 导帮繇蜮 犏汹舜f 嚣固 第一章绪论 1 1 嵌入式系统简介【1 2 3 1 1 1 1 嵌入式系统的定义及特点 嵌入式系统被定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系 统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等方面严格要求的专用计算机系统。它与通用型计算机 系统相比，具有以下特点：体积小、功耗低，通常作为设备的一部分“嵌入”其中；面向特定 应用，是定制性的系统；软硬件必须高效率设计，量体裁衣，去除冗余：成本低，性价比高， 生命周期长；不具备自举开发能力；可靠性容易得到保证a 1 1 2 嵌入式系统的组成及体系结构 嵌入式系统通常由嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件等 部分组成，其体系结构如图1 - 1 所示 嵌入式应用软件 嵌入式操作系统 处理器 f 外围设钎 嵌入式硬件、r 台 圈1 - 1 嵌入式系统体系结构 ( 1 ) 嵌入式处理器。嵌入式系统的核心是各种类型的嵌入式处理器，嵌入式处理器与通用 处理器最大的区别在于，前者大多工作在为特定用户群设计的系统，它通常具有功耗低、体积 小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡实现的功能集成在芯片内部，从而有利于 嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。目前常用的嵌 入式处理器可分为低端的嵌入式徽控制器似c u ) 、中高端的嵌入式微处理器但m p u ) 、用于计算 机通信领域的嵌入式d s p 处理器饵d s 唧高度集成的嵌入式片上系统c ) 。据不完全统计， 全世界嵌入式处理器已有1 0 0 0 多种，流行的体系结构有3 0 多个系列，其中以a r m 、p o w e r p c 、 m c 6 8 0 0 0 和m i p s 等使用得最为广泛。 c 2 ) 嵌入式外围设备。在嵌入式系统硬件中，除核心控制部件外，用于完成存储、通信、 调试、显示等辅助功能的其它部件，事实上都可看作嵌入式外围设备。目前常用的嵌入式外围 设备按功能可以分为存储设备、通信设备和显示设备三类。存储设备主要用于各类数据的存储， 常用的有静态易失型存储器( r a m 、s r a m ) 、动态存储器( d r a m ) 和非易失型存储器( r o m 、 e p r o m 、e e p r o m 、f l a s h ) - - - 种，其中f l a s h 凭借其可擦写次数多、存储速度快、存储容 量人、价格便宜等优点，在嵌入式领域得到了广泛应用。目前存在的绝大多数通信设备都可以 壹接巍褒天式蓉统孛纛辫，包括r s 2 3 2 、s p i 、t r d a 、c a n 、勇e 、u s b 耱f = t h e r n e t 等。幽子痣 用场合的特殊性嵌入式系统通常使用液晶显示器和触摸板等作为外围显示设备。 f 轴褒a 式撵露系缡。为了健蠖天式系统瓣翳发更藏方德鞍块撩，嚣要毒专f j 受黉簧理存 储分配、中断娥理、任务调度等功能的软件模块，逛就是嵌入式操作舔统。落是崩来炎持 菠入 式废鲻瓣系统被搏，是嵌入式系统摄盎重要鲍缝袋器毋，遵常包括号硬佟楱美辩赢星鬻穗程序、 系统幽核、设备驱动谈国、通信协议、甄搿用户界两等。它具有通硐操作系统的基本特点，如 能够有效管理笈杂螅系绕资源，对硬件进撂抽象，提供麾函数、驱动程序、舞舷工具糍等。与 通嗣撩箨系统媚毙，窀在系统窝时谴、疆糌裱赖髓、较辞嗣健怪瑗及专瘸接祷方蟊，鼠有更船 鲜明的特点。嵌入式撵怍系统根据应用场可以分为两大类：一类是阿向消赞蹙电子的1 职实时 系统，絮碱嬲黼= e 、p a l m o s 等 凳一豢辩莛嚣秘经裂、避信，鞋疗嚣矮壤瓣安辩攥嚣系茏， 如w l n d r i v e r 公司的v x w o r k s 、o n x 公司的q n x 等。 雠褒入式窟耀较齄。嵌天式应惩骏襻楚謇 对龄定建磺领域，萋予某一戮建瓣磋嚣平台， 用来选到用户预期目标的计算机软件。由于用户证务可能有时间和耩廉上的要求，因此商些嵌 入式戏赐软l 牛蒜要特定欺入式撵俸系统黪支持。嵌入戏应用敬转窥骜道斑用软件毒一定鲍r 瓣， 它不仅要求冀雄确侄、囊全性和稳定性等方面挠够满足实蘅；艨用的祷骤，而鼠还要求尽w 能地 进行优化，以减少系统资源的消耗，降低硬件成本。 1 1 3 国内外嵌入式翳统的发精现状 涎饕计算撬嚣擞氡予菠末蘸避步，嵌入式系统越来越f “涎的痊娜予轰个镁域。鐾嚣恐经育 智能黎电、掌上电脑、帆顶盒、平机、措纹锁等太鬃产品进入市场。祷种交通工具和设施中也 普遍袋赐嵌入式技术；在下业爰4 按领域，嵌入式系缝 表饕糖一代蛉键能钝戏场仪表、执行嚣 律、p l c 、数攒采集帮簸理设备；在通蓿颥域，数字技术芷崧垒面取代模拟技沭。铡如荑莓已 开始由模拟电槭向数字电视转变，欧洲的d v b ( 数字电视广措) 技术已在全球大多数国窳推广， 数字裔叛广疆( d a b ) 瞧已进入商赫毒乏试疆淤段， 硬件方面，嵌入式c p u 处理能力提升较快，由8 位、1 6 位升级刘3 2 位与6 4 位。不仅有 蔷太公霹鼢徽疑理器芯冀，还蠢鹅予学嚣秽磺发静各稀琵套开发趣；秘整褒爱寰统意鹱p 乎台 经过蓉千年的研究，已经相对比较成熟，实现各种功能的端片应有尽衡。在国内，嵌入武系统 关键骥锌主要熬麸蓬终g l 进，技术基礁 e 鞍薄弱。 操作系统方面，翟补已经孰简单走向成熟，主漂有s y m b i a n o s 、p a l m o s 、w i n d o w s c e 、 t r o n 样，占据7 帆项盒、p d a 等缌大部分市场。国内的嵌入式操作系烧研发奋两种类型，一类 是基予蘧舞搽襻系统二次开茇竞成，舞海铸静基予w i n d o w s c e 豹梳壤盎系统；勇一婺烧中蓉 自主歼发的嵌入式操作系统，如成都电子科技大学开发的d e l t a o s ( 道系统) 、凯思集团公闭自主 臻裁歼发鐾嵌入式撵箨系统l 蚴o s 、孛茹联学豌憨寒鞍释工程臻裁串心舞发瀚c a s s p d a 渡 及浙：l = f = 太学自杼研制开艘的嵌入式操作系统h b o s ( “天堂之岛”) 等，它们已鳞在一些领域取 褥了j “泛癍擐。褪珏重，出予离角寰鞋操作系统魏v x w o r k s 、w i n d o w s c e 硷揍暴赛量源强不公器， 使l i n u x 在嵌入式应用中占有一脯之地。由于l i n u x 自身有请多优势，吸引了许多开发商的目 光，成为嵌入式操作系统的耨宠。 警辩，嵌入式系统藏赣着瓣络仡、智麓纯、攫携纯和入枫界面袭好亿等方辩发展 嗣时， s o ( 2 瞧是当游蕊一争婿究熟惑。 1 2 嵌入畿暴缝程数撰采集领域熬应爝 程工业控制和教学科研中，现在常用的采集方式是在p c 机或工控机内舞虢p c i $ i s a 数据采 集誊，其优点越整体避铃遘壤扶，裁蟹实骛哮袋集秘安鞋鲑骥。但是，避静海嚣裟捶卡嚣赫受到祝 糖斑离频稽蟹瓣干扰，藏蕊麟德蓉统翡采榉麟废秘稳定褴。辩终，诗嚣撬主粳上黪插横个数有限， 且接赘静安装缀不方蠖。熨蠢蒜港，在嬲海疆a 毒薅播卡辩必矮避誊_ 囊源霪凝聚置，激避免瓷 潺狰突，纛裁蕊互嚣专媲性缀强，攘毪令 燕疼，这些弱点德褥它嚣j 靛斑溺甏斛了粳夫的黼戮粥。 此外。在某骛场合，基于p c 的数撼采集方案将匾临尉难。例如i 殳计某大型轧钢厂齿轮箱监测系统， 由 ：簌惑镪爨燃，臻壤赣瑟甓，嚣赛薤离溅点畜蔻嚣券黪躐鬻，簧黪蘩聚爨戆摸擐嵇号整经遘 获距离的传输蜜易授躐声千扰淹没，这群豫采集到躲数据将壤无意义鞴。褥知，要采囊菜旋转部 件上瓣傣号，熬时爱普邋静露线瞧缝； 凑傣崤裁霹簸无法满蕊要求鼓喾援零薏涟宴瑷。谯送释黪 境f f ，一个眈较好韵解决方寨跫袋爝无线棒输技术，将采集剿的数据通过馓线礁路发送到接收端， 稳壤凳线数撼袋集系缝科。 鬟一秀瓣，麓着毫子、德惑、弼缮等投术薅飞蘧发袋，a 稍对王照灏鬟绱簧隶也越米越高。 不但要求数据聚集的商谜离精度，还要求集设备便携、可游动，使用方便，支持热插拨，并带 枣强大鲢囊绻秘能，器潢蔗涟对隧蟪进行遮凝采察霸簦接麴潞袋。是辨，麓鬻生产絮奏瑟藏耱汝， 入嚣j 爨翔注黧撬寒工黪效率，夯零建采鬃壤器的器瓣萎热天瞧纯，褒毯瑗在| l 奄瀑集器不仅溪潺攀 缝控裁翡麓，涟虚具备器簿接堪+ 魁蕤黯蝣、c a n 、u s b 、戡港显霸袋鞴麓p t 。嚣嚣薷翁溅控系 统，大多采用嚣，1 6 位单片机，它们的速度苇够并且内存小，梅一些要求对储蟹的数学处趣比较复 杂的锁域，键犍摄锝力不从心。此终，8 ，l 辱俊单片枕滩以满戆嵌入式设罄麴上避要求，搿照对a 糗交蔓秘藏懿变持连穗对较鞲。 软粹上，惜统的单片机禊4 控系统通常撼蕊于单任务机制躺。这种机制妊有简单直瓣、褥子按 裁蕊爨赢，然褥毒手疆黟最熊按攀一熬颞黟搬褥，靛乏瑟游鹣，在复杂系绫孛滚戳琏程。囊7 在 更广泛盼领域臌用单片机系统，妊颁引入辫任务帆制，改磐糍序结构，以满足簸杂、实孵系统鲍 要求。蠡予8 1 6 挺m c u 蠹灏辍整受藩，窭蕊多篷务蓉缝撂对瓣难。 3 2 位高饿能微处理器的跚现根好地解决了上述矛盾。荫熊，它的高速低功耗特性造予便携 应用的设计，翔a r m 9 豢剥擞处理器的熊型速发兔l 。1 m i p s m i - i z ，舞壁黪主对势獭率藩 1 0 蝴3 3 磁暾毋母 有些3 2 位韪理耨还带蠢f p u 协娃壤器或镫霄舔势移s p 糖夸，支持避 复杂 的数学速冀。麓次，妥裁诲雾3 2 燕檬控割瓣熬可缢镬惩s d r a m ，因魏霹棱大避簿抵蠖掰大容 譬数攥存赣器黪成奉；蔼8 馁徽控稍嚣一蔽鼹髓使瘸成本较离熊s r a m 撵麓滋掭存赭器。戴并， 除了处理应用控制功能之外，需嶷持互联网接入的应用在m c u 上运行t c p i p 城其它通情协议 的揍嚣1 ：，癸袋蒹绫建立在r t o s 裁必然藏鸯一辩璐安鬟浓，邃吝3 2 橙激怒溪器上窦瑷菸举 匿难，丽显露魏3 2 往弛壤爨豹设圣 就考惑澍对r t o s 静支持，铡鲡a _ r m 9 系粼专门为擞话系 统瓣g l 入设计了m m u n 。躐惹，资藏躲3 2 位m c u 集艘囊壤慈，冀上瓷澈辐巍事富，失犬簿 纯了系统设计，减少了横上外设，从而降彳露了成本。总之，3 2 位处理鹬的出现，为嵌入戏设计 沓寒丰富弱璇传凌躯襄凝努瓣链巍；健褥整个嵌入式鬟缝静魏缎最簧遴建软终煞舞缓释霹嫫理， 器莲8 赣箍纛瓣主遥霉受弼姻搿莪赣锌霰锫l 斑不存褒，蹬诗嚣热手爵辍程淼选择多任务撩作系 - 3 - 中国表韭大学颟 学位论文 第一霉绪论 统，并将廊用软件设计得复杂庞大，真1 e 体现“硬件软件他”的设计思想。现在，越来越多的 设计师认识到，选用3 2 位槊构设计嵌入式系统不仅能提升性能，还能降低相同成本下的系统功 耗零l 苇终慧裁本鞋及缀缓产瑟上豢簿瓣 1 0 l 。 在工业测控现场，随着嵌入式技术的发展，原先的采集板卡可以直接做成前端数据采集器， 并通过现场总线或以太网避 行数据传送和控制。这样可以太大简化布线，缩短布线距离。通过 在传感器本避把模拟信号转换成数字信号，可大大提高信号的抗于扰驻力。这种采集嚣要进行 严格戆瞬涟强麦彝控铡，数据传送量丈，慰予嵌天式系缝瓣实露毪要求乎格； 总之，藏于3 2 位处理器的嵌入式系统，既有传统单片机系统成本低、体积小、功耗低的特 点，又有p c 平台开发环境好、资源丰寓、具备操作系统、用户界面友好的优点，尤其在多传 感器技术、入枫接口和控锘葬法等方委舆旃特豫盼往势，医蕊在数据采熊领域有银好豹发展翦 景。奉漾撩设计麴基于a r m 静嵌入式数攥采集系统就楚遮方露静一瑗骈究。 1 3 论文研究内容 本论文的研究主要戡“f 1 5 型受蘅攀技术改造”谍题戈应霹背景，鼓a r m 寝u c o s l l 穗结 合搭建较醭捧平台。在灞麓顼蟊实际需求豹嗣对，基于系统逶焉蛙考虑，作了一定豹璃蘧预馨 和扩展。课飚的主要研究内窖如卜： 1 、对“f 1 5 型负荷车技术改造”项目进行需求分析和功能划分，针对原测试系统的不足， 确定技术数造的慧钵方案。 2 、在该平台静总体设计土，按照“交专用为通翊”的设计思怒，改变传统斡“羹 表” 的检测方法。充分发挥智能化的软硬件优辨，将多种被测参数集中在嵌入式平台上进杼测量、 处理和本地鼹示，这样可以简化测试系统结构，降低系统成本，提高测控质量和系统的可嚣性。 我癸，在竞袋项嚣实际簧袋魏基疆土，避露一定弱功髭扩展。 3 、对当前流行豹嵌入式平台进行广泛调研，在分析比较的基础上，缩含本项目实繇需求， 选择一种合逸的嵌入式微处理器。明确嵌入式数据采集系统所要实现的功能，针对选定的m c u ， 进行外围电路设计，并使用某种e d a 工舆绘制原理图和p c b ，完成数据采集硬件平台的搭建。 4 、霹疆羲爹比较舂影瞧力戆襄人式操撵系统进行瓣 0 臻究，选择一手孛安静蛙强、开滋，低残 本的操作平台，针对选定的嵌入式微处理器完成操作系统的移植，进而_ 程上面合理进行多任务 的划分和设计使系统有条不紊的处理繁魏任务。 5 、根攒项目需求，选撵恰当的通讯方察，设计商效、实用的握手协议，完成嵌入式数据采 集嚣与受耱率上整控中心静交互，实瑗数舞秘翕令熬虿靠、实辩接臻。 6 、为方便调试和进彳亍骶统功能的测试验证，使用虚拟仪器软件口b w i n d o w s c v i 开发相应 的上位机监控中心软件。 l 。4 砖、缝 本章酋先介绍了嵌入式系统豹定义、特点及组成等；随后从现有数据采集方式在某般场合 的不足以及人们对采集设备臻求的提高，引出嵌入式技术在数据采集领域的应用从而说明了 本课题静研究意义；最羼奔缓了本论文的研究内容。 4 中国敷业大学硕上学位论文第* = 章系统总体设计 第二章系统总体设计 本章班f 1 5 负荷率测控系统中的数攒采集单毙为蓝本，弗将对象尽可能扩展到通崩犁测量 控制系统敕中 瓣层节点，分拆这熙设备舞臻的一般功能。在此基础上，提出张基于a r m 处 理器和f p g a 、适疰髋强、配譬靛活豹戴入式系统解决方寨，对其禳心硬秤、矫潜功髓模块扩 展、软件结构进行总体规划和檄骤设计。 2 1 嵌入式数据采集系统需求分析 2 1 1f 1 5 负耨车潮控系统改遗概述f 1 1 阍 受蒋车避蓬蠢溅噬醢装置及繁量毽奏! 壁麴嚣鎏睾。虫子逶避溯定受麓躲霹臻翡，匪越 也称赞荷测功率。它是谶行汽车、拖拉机、工程机械及军用率辆牵引试验及对该类产品检测与 技术弹定的重要设备之一，在车辆工程的辩研和车辆产品的捻验中发挥羞重要俘媸。 f 1 5 登受葡车蹩我嗣在“红岩c 0 2 6 1 ”三轴汽车基础上改装而成的负蘅车。整车质量 2 s 2 5 0 k g ，牵g i 制动力为2 0 - 5 0 k n ( v 3 b y m h ) ，负荷车试验速度0 3 4 5 k m h ，自行最高速度 2 3 k m c h 。霹溅零霉l 鸯、符疆透蠢、发动撬转速，浮鬻攀、枣时澶耗等。蔬羚，述露潮大气压力、 风速、温湿度、涡流机辚速和温艘等辅助静数。该型负荷车从车内布鼹来看，火致分为毕前部 窝擎露都。车黎嚣是驾驶室，车盛部舞设蒜鼹，褒设罄簿奄凝了电瓣漉瓣殛辍的控裁橙、舞穆 测试仪表、绘嘲装置、獭调以麓用于试验时指挥的扬声器等。试验前，在被试举上安裟所需传 感器，避过绪跫线将逮蟪黄感嚣与负莓车上的溅试仪器连接；测试舛，棱测工程枫撼在藏，受 萄车在螽，两率耀锈缆连接，自救溯车辆牵翻受荷率蔽一定柏速度葡杼，负荷率上的牵引力加 载装鬻对被测搿辆平稳女# 栽，与此间对进行一系列工程机械逡行参数的测试。试验示意如熙2 - 1 。 莱霎懿数囊遥过夫工毙潦，嚣表粼表葬露巍输窭。逶耱瓣试方藏存在戳一f 簸酪：走线复杂，耗 费人力；自动化程度差，精度低：数据记泶和管理困难，工作效率低；只能对数据进行离线分 褥，笼法壤到窭涎盗溅秘在线分据。 行进方向 匕= = 露2 - 1f 5 蠢薅辜试鼗零蠢整 随着车辆行业的飞速发展，：馨辆测试业务不断增加以上缺陷严擞制约了测试效率难以 满足肖藏静测试需要。海照，霹f 1 5 负荷攀浏控系统戆技术羧造势在必行。改造的鞋舔避通过 一5 一 中国农业大学硕士学位论文 第二章系统总体设计 引入现代计算机技术和现代测控技术，提升测控系统的自动化水平提高测试精度和效率，降 低测试人员的工作强度：通过模糊控制和经典控制理论相结台的计算机自动控制，提高测控系 统的智能化水平。改造的思路如下： f 1 ) 应用计算机测控技术结合现代控制理论，实现制动力的平稳加载，提高实验精度： f 2 ) 部分被测参数通过无线传输，以减少现场接线和i 昊4 试工作量，同时提高测试可靠性； ( 3 ) 使用电视监控系统，便于负荷车指挥人员的指挥，提高工作效率； ( 4 ) 引入数据库技术实现测试数据的自动存取与分析，便于数据查询和报表输出； 对测试过程进行动画仿真，便于试验分析，使人机界面友好、美观； f 采用当今国际测控界最专业最流行的虚拟仪器软件平台，简化车载测控系统，减少分 立仪器的使用，改善车内环境，为测试功能的后续扩展提供空间。 磊i j 。一一一1 ；从台天线 被测车 ! 瘩咫 圈2 - 2f 1 5 负荷车测控系统结构田 拟研制的f 1 5 负荷车测控系统结构如图2 - 2 。本系统以笔记本电脑为核心，所有的传感器 信号经过前端处理后直接或间接送入计算机，交由监控中心软件进行后续分析和处理。在进行 工程机械性能试验时，大部分传感器位于被试车内，而数据处理与分析单元则在负荷车上，两 车之间通过无线方式进行数据和命令的传送。传感器信号进入嵌入式数据采集器，经过a d 和 通信协议转换后通过无线链路发送，位于负荷车内的接收装置将数据传送给p c 机，由后者进行 数据包解析，并对目标数据进行分析与处理，根据需要使用同样的信道下达控制命令。对负荷 车内测功机的控制则由计算机通过一定的算法，发出控制信号，由i ) a 转换后经过功率驱动单 元即可控制测功机的动作。数据处理如牵引力、滑转率计算则根据相关国标进行，由测控软件 完成曲线绘制、报表输出等。 为了避免现场连线，提高测试便利性，减轻测试人员的工作量，拟对f 1 5 负荷车测控系统 中的部分被测参数采用无线传输方案。通过比较分析，最终选用无线数传电台方式，主要基于 以下几点考虑：无线数传电台传输稳定，抗干扰性强。有良好的实时性；无需申请频率许可， 成本低：组网方便灵活，易于扩展。尽管其传输距离相对较短，但对于本测控系统已完全满足 数据传送的需求1 1 。 6 粤离 一嵌入式数|r虿w创剐劐粤糯 玉| | l 玉 丫困磊晶一 箧蠕 最 中簪农业丈学硕士学使论立： 第二章燕统惑体设汁 暑_ 嘲hh h i i 期鼍舅蔓鼍皇曩鼻糖量量皇鼎撒鼍曼舅愀 系统软鹱：瓠采用荛国n j 公镯静l a b w i n d o , f s c v i 开发，该予台渤旋强太，性能优越，使蠲 灵港，可真越体现“软件郯仪器”的思想。从以往的开发经验来看，使用l a b w j n d o w s c v i 不仅 缝天天簿甄系缝蕊奉，透搿强噻蕴开蓑璃鲻，弱予数襻鹣蓐缕爵缓辣秘戆扩震h 雄。 由于举谍艇的主簧任务是设计嵌入式数据采豢模块，掰珏对工穰机械性能参数的详细测试 和计募方法、传感器懿具体勰髑及监控中心软 牛的功能撬燃与实现举瀑a 避论。f 露主臻奔绥 嵌入式数据袋囊系统靛设计思路。 2 。i 2 受穗率数鬟采纂臻驻鬈求势耩 由图2 - 2 可知，嵌入斌数据采集模块放置在被测车上，主要完成的功能商：驱动轮和发动 规转速戆测髓秘砖簸；浦糕瓣蘩燕及传输；截动鼷离溺寇糖多 燕发努关嵇母鹃捕握及蛰输；产 生一个耩度媳i n s 静静辩嚣孵瓣，蔫捧潜帮、翻动特性溯窀酶曩重闽标准；声缓计骧狰绩弩的诗 数及传输，阕予噪声测爨；疆荚爨簸入输搬，用予浆些状悫攘号瓣鉴测及输出鼯关量控嚣l 偿号。 由于本渫髓的研究定位是开发一个适糟于多种工控场裔的嵌入式数据采集器f 1 5 负荷车 测控系统只楚箕中豹一个疲蠲蜜雠。为此。参考众多便携式数据采集产菇，献一毅惶、遗瘸佳 鑫茇，对彀攒采集模羲避帮了瓣手功莪扩瓣： 多参数采集及控制倍号输出，包描脉冲计数、a d c 、汗关量i o 、p w m 输出等； 簿食撼准静逶臻援鞠帮遴僖巍议黥嶷现，惫括r s 2 3 ：2 r s 4 8 5 、u s b 鞠瓣络接爨，使采 集嚣裁可避程零缝数据静窝速薅辕，又霹灵活组掰麴成分凑或溅控系统； 采熊器应毒一是瓣数据存穑动戆，黻满是菜鉴瘦孀撼台毒线势瓣懿鬟密； 友好的入机交甄功熊，如键盘、“渺、舯及触撩黼等； 自身错误的快速恢笈功髓。某些应髑中，由于运行环蟪复杂、外界平砉l i 等原噬，采集单 元鸯囊霹能搬蠛鞲诿。黪了簧求蕊缝豹其它簿分囊毒一是靛骞绩性努，聚壤攀嚣本身痰该采取 硬件藉门狗和软件上的快速g l 导嚣措施，使自身可鹱扶镄浚状态中快速恢复。 粪各上游糖麓瓣嵌入武数据采集器，鬻干f 1 5 受葑攀潮控系统串，葵燕鬯就不仅议怒一个 数据采集和传送的单元，而殿是集预处理、运算、照示、襻储和参数设鬻等功能的一次仪表。 蘸势铸黪嚣躺绩号辏a 数攒采集器，壶基赣避挥遗巍豹数籀懿莲窝转换，褥戮藤爨熬参数懿转 速、油耗、耕= 城温湿度等。被辩j 率辆性能参数和运行状态溉w 在本地显赫，也可通过数传装置 发送给负荷率点的p c 枧，幽后糍进行更簸杂的运算分拼、数据存继鄹搬褒打印等。屡榉，p c 梳也霹囱莱懿瓣发送操作令，糖采集器凳成裙应秘作。 瑟喾被潮芏覆祝援菇嚣燕在t 况瑟劣酌施工瑗缓，毽楚鲞受蔫车避繇鸯嚣鼗窦验靖，摄动巍 噪声遥整毙羧必戆，辫 乏，必籁逶行款鹾传抗干撬设计。想豹来说，本谦藤静瓣究茸标怒，在 实现上述功能的同时，保证系统工作的可靠性和稳定性，力求测量达到怒的准确性和精确性， 并要求数据熊糍窥抟输典蠢一定懿实鞋瞧。 2 2 系统总体设计方案 从器求分褥可知，拄f 1 5 贫旃车测控系统中，嵌入式数攒采集单元嚣突成酶功燕跑较筠 攀黪。霹转逮、霞驶透囊、滴耗耘噪声等豹溅量，囊莲上就戆稼狰诗数，瓣开美囊籍 翰基瓣 中国农监太擘磺圭学位论文第二章篆缀蕊俸设谤 量皇一i i i i 量曼曼量| 毫奠曼曼曼曼奠蔓囊量篁曼曼曼曼 只需对处理器的相应g p i o 口清0 或置1 即可。所以如果仅对f 1 5 负荷率测控系统这一应用， 数据采集嚣没有必要使用嵌入式系统，只霈用普通的或赣增强型8 位单片机，使用大循环套申 叛夔编程骥袋静可实现。稼是，本漂瑟静定爱是浚嚣骞一定逶建瞧、灵活瘴震予多秘场台弱 数据采巢横块，所以当考虑猁复杂的网络协议栈及友好的人机交互支持时，8 位单片机和单任 务的架构就有点勉为其难丁，即使可以实现。设计也将变得相当复杂。此外，当应用场景变化 时，需要槽摩地进行功能删减或扩展，这辩如果使用单任务的程序结构，款件的更薪怒盹较复 杂懿，嚣隽了瓣整个程滓绫撵，甚至援霹貔“牵一发纛动金身”：如采搜掰多任务系绞，遮对功 能的变更德往只需简单地游加或删除几个任务即可，大夫减少了软件升级的工作量【4 ”。为此， 本课题选用3 2 位微处理器结合嵌入式多馁舞操作系统的絮构【l “】。 此铃，本系统使用一蜂f p g a 芯片协綮处理嚣完成莱些工作，这榉一方亟可以减轻c p u 受整，勇一方蘑可班援高鬟绕静灵活性秘掰重梅桎；爵辩减夺电路教蕊辍，提高系统戆霹靠性。 2 3 硬件设计方案s 1 鸯了擒供更大静灵瀵瞧，戳逶瘟多辩艘薅场合，系统转矮舞设计势核心板彝接嚣扳避行， 它们之间避过扁平电缆线i 翻安。核心板完成主要功能，包括计数、a d c 转换、串行口通讯、l c d 显示等，掇上全为数字电路：接口板贝完成a d c 前端调理及所有输入输出信号的隔离，为数 模混合电鼹。这样，当， 辩传感嚣或者待控制对象变化时，只器相应改交接口扳朝可，蕊按心 板剩不藉鬟掰设计，这样裁提离了棱心教辩复用往，节卷了成本。同时，将模数电黯势帮，也 有利于降低布线难度，提高制板的一次成劝率。 围2 - 3 硬件系统结构程圈 魏鬻2 - 3 掰示，扶组成上看，整个磷伟系绞由c p u 予系统、f p g a 予系统、a d 转换子系 统、僖号黼离茸转换子系统鹈电源子系统构成。c p u 予系统受责运行掰霄豹控靠l 程序，实现采 集、存储、传输和显示等功能；f p g a 负责脉冲计数、键盘扫描和开关量输入输出；a d 负责对 输入信号的采集、调理和转换；信号隔离子系统负责与外郝输入输出的接口处理，增强系统抗 于扰能力。避惫援上芯片竣攘蓼；电源孑系绞爨孽先其它嚣努提撰电源。 1 、处理嚣麴选择棒# 1 9 l 为了设计出一个性能优异的硬件平台，徽处理器的选型是非常重要的。目前市面上的处理 器种类成百上千- 选择何种c p u 满足设计需求、同时性价比最低并有一定的功能扩展空间就值 撂抒缨拱韵? 。 a r m 是辩踅靛精蓠指令系统承嚣镑羲赣她瑷器两辕，鑫英强a r m 凳霭豸 诗，蕊西、 l o 、p h i l i p s 、n e c 、i b m 、s o n y 、s a m s u n g 等3 0 多家大的半导体公词被授权熊产具有a r m 内 接簸鲶理器芯嚣。 相对基于戴它微处理器的嵌入式系统，使用a r m 处理器构建数据采集器的硬件平禽优势 在予 多缎流承线结构，处理速度快，间额率处理能力更强。对予f 1 5 负荷率寝4 控系统中的 数攒来集单元来说，速度要求并不舞。但是对于其守器要避姆反馈控制的场会t 往往 要瓣输入参量滋孬数据计算并最终输 i ；衽捌重，掰越速度幂能戒秀簸颓，a r m 露谈 高处蠼速度显然是一个忧势。 枣髂获、甄瑭耗。a r m 是霹耧浚嵌天式簸瑾嚣孛骑耗较羝韵一静，散热蘑嚣苓纛多 考虑；低电压、微电流供电。这般无疑都怒便携式数据采集的理想选择。 a r m 酶目睡楚离速、小燮、甄鸵糕，其串a 1 1 m t r d m i 去撩了矗莓营理单竞( m m u ) ， 将a r m 7 指夸槊同t h u m b l 6 位指令扩餍缀合在一超，以减咖内存容爨，同时嶷有片 上在线 霹试支持，降低了系统舞缎成本。 a r m 芯菏静撩税生产方式使多家半导体厂商韵产赫形成有辟的市场细分和竞争。可 选用的芯片种类众多，片上资源枣富，市场价格也较低。同时还使产品具有长久的生 鑫蒋嬲窝稳定瓣供赞渠道。 a r m 崭度统一的体系结构可以保证软件襁大量使用a r m 的系统中方便地移械，从而 簿甄蠖蛰舞缀霰改交爱的较锌开发戚奉。 应用广泛，技术成熟，腮务支持齐全，降低了开发风险。 扶性徐擞、可选性、蜞盛鹰期鼹务支持的广泛强度、健髑风险等方嚣善，a r m 都容易灌 是系绕的要求。因姥，本课题选用a r m 处理器构楚嵌入式系统的硬件平台。 2 、c p u 予系统 裁括a r m 、存祷瓣、势毒亍羧霜、逶锩耱蜀窝l c d 聂汞接口，缀成框图瓤下： f 】枞 圈2 4 a ，u 子袭蟪框离 o ) a r m 处理器：鬟铙的控伟4 核心，负责运行所有软件糍序。 f 逶接接弱：逶避u s b 、r s 2 3 獯s 4 8 5 专奉媲p e 或者其它蔽袭遥痞；避过r s 2 3 2 串日 与无线数传电台连接，从而实现匀远程p c 的通信。 渤存赣器：存耱程疼窝数器。包挺进程系缓；l 导黎秘始健瓣昃读存簇嚣n o rf l a s h ：系 统工作时使用的随机读葛存储器s d r a m ；存储大猁用户程序和大量用户数据时使用的滩易失 性存端器n a n df l a s h 。 并行接口用于实现和f p g a 的数据通信。 ( 5 ) l c d 接口用于图形界面的显示。 3 、f p g a 子系统p ” f p g a 子系统包括f p o a 、配置电路、并行接口等，其组成如图2 - 5 所示。 下载接口使用专用电缆完成在线配置和烧写配置器件；配置器件通常是一种非易失性、基 于f l a s h 存储器的芯片，用于在上电时自动配置f p g a ；并行接口则实现与c p u 子系统的双向通 信；信号隔离主要是用于脉冲输入及开关量i o 信号的隔离。 p c 信号隔离 图2 - 5 f p g a 子系统程田 3 、a d 转换子系统 如图2 - 6 ，传感器输出通过信号调理电路后，转换为a d c 可接受的输入电压( o 一2 5 v ) ，再 通过隔离后直接送入a r m 自带的八路十位a d c 通道，由后者完成a i ) c 转换。 c p u 图2 - 6 a d 转换子系统框朗 4 、信号隔离子系统 p w m - 4 至三夏垂通亘丑吨至夏垂至 电机驱动嚣 开关量输出- 4 夏至至匹量亟丑吨至三垂亘卜卜继电器 f p o a 卜一低速输入隔离卜一开关量 f p o a - - q 输入隔离卜卜一脉冲 图2 7 隔离子系统框图 如田2 7 ，信号隔离子系统主要是对核心板与外部设备之问的输入输出信号进行隔离。 f w m 信号经高速输出隔离、信号转换后，送入电机驱动器控制电机运转。p w m 信号既可 由a r m 内部的p w m 定时器产生，也可由f p g a 编程实现。在f 1 5 负荷车测控系统中，实际 上并未使用p w m 控制信号，这里只不过作为一种典型应用列出。 为了防止外部设备对核心板电路的干扰，开关量输入输出、脉冲输入信号都先通过隔离电 路后再输出到控制对象或者输入至核心板。 5 、电源子系统 a r m 内核工作电压为2 5 v ，f p g a 核电压为1 5 v ，i o 电压为3 3 v ，高速光耦工作电乐 一般是5 v ，所以核心板上需要有5 v 、3 3 v 、2 5 v 和1 5 v 电压产生模块。对于a d c 调理部分 使用到的1 2 v 或1 5 v 则由外置开关电源提供。 1 0 中国农业大学硕士学位论文 第二章系统总体设计 2 4 软件设计方案 2 4 1 软件系统结构【狮1 1 整个软件系统以多任务操作系统为基础，按层次化结构设计。其体系结构如图2 - 8 ，从纵向 划分为三层：驱动程序层、操作系统层和应用程序层。 应用程序层( 算法、管理、控制输出等) 嵌入式实时操作系统层( u c o s - i i ) 驱动程序层( 与硬件相关) 硬件( a r m + f p g a 架构、 围2 - 8 软件系统体系结构 驱动程序层完成对本系统的硬件资源进行配置、启动和读写等相关操作，直接与硬件打交 道，是最底层的软件系统。 应用程序层是最上层的软件系统，由多个相对独立的应用任务组成，每个应用任务完成特 定的工作。例如数据采集、l c d 显示和通信任务等，由操作系统根据一定的策略调度各个任务 的运行。 操作系统层在其它两层之间进行沟通，它包括多任务内核、t c p i p 网络系统、文件系统、 g u i 系统和内存管理等部分。其中内核是基础和必备的部分，其它则根据需要来确定。对于 u c o s i i 而言。它只是一个微内核，只具备多任务调度、任务间通信等核心功能，并没有网络、 文件和g u i 系统等，所以它并非传统意义上的完整的操作系统。 2 4 2 嵌入式操作系统的选择旧盈】 1 、选型原则 嵌入式操作系统大体上可以分为两大类：商用型和免费型。其中商用型的实时操作系统功能 稳定可靠，有完善的技术支持和售后服务，但往往价格昂贵，典型的有v x w o r k s 、w i n d