（机械电子工程专业论文）基于arm的乳化液泵站嵌入式监测系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 煤矿的安全生产正得到全社会越来越多的重视，本课题正是针对矿采安 全生产的重要环节“乳化液泵站”的工作状态进行监测的“基于a r m 的乳 化液泵站嵌入式监测系统”。 随着工业自动化技术的快速发展，现场应用在实时性、可靠性、稳定性、 可扩展性等方面对监测系统提出了更高的要求。在这一背景下，课题采用了 以a r m 嵌入式处理器为硬件平台、以t z c o s 1 i 嵌入式操作系统为软件平台 的嵌入式实时监测系统方案，采用井下监测系统与远程数据管理中心两级监 测系统的结构，实现对被监测参数的采集、处理、传输、存储和显示。课题 充分利用了a r m 处理器硬件优势采用t z c o s - r r 嵌入式搡作系统进行任务管 理和通信，使系统能够满足现场应用的多项要求。 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，数据 经采集电路送到处理器进行分析处理，被监测参数用l e d 显示屏进行显示， 必要时监测系统发出报警信息并进行断电保护。两级监测系统间通过串行通 信接口建立连接，进行数据交换。远程控制唧b 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。 本文首先对系统需求进行分析，确定系统的功能目标和性能要求，并提 出总体设计框架，划分功能模块。然后着重阐述系统的硬件设计、软件设计 和软、硬件抗干扰设计。讨论了a r ms 3 c 4 4 b o x 嵌入式处理器及其扩展电路 设计、多通道数据采集电路设计、l e d 显示屏及按键电路设计、报警处理电 路设计及以上各模块的软件设计。在l e d 显示模块对常见电路设计进行改进 并完善了显示驱动程序。最后对系统功能进一步完善及实现网络化提出了设 想。 关键词：嵌入式系统、监测系统、数据采集、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 a b s t r a c t m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nh a sb e e np a i dc ot h es a f e t yi np r o d u c t i o no fc o l l i e r y , s ot h i sp r o j e c t “s t u d yo fa r m b a s e de m b e d d e dm o n i t o r i n gs y s t e mo ne m u l s i o n p u m ps t a t i o n c o n c e n t r a t e so nt h ew o r ks t a t em o n i t o r i n go ft h ee m u l s i o np u m p s t a t i o nw h i c hi st h em o s ti m p o r t a n ts e c t i o ni nt h em i n i n gs a f e t y w i t hd e v e l o p m e n to ft h ei n d u s t r i a la u t o m a t i o n , t h en e e do nm o n i t o r i n g s y s t e mo ff i e l da p p l i c a t i o nh a sb e e ni n c r e a s e dg r e a t l y , s u c ha st h er e a l - t i m ea b i l i t y , r e l i a b i l i t y , s t a b i l i t y , e x p a n s i o na b i l i t y u n d e rt h i sb a c k g r o u n d , ad e s i g no fa r m e m b e d d e dp r o c e s s o rp l a t f o r ma n d # c o s i ie m b e ds y s t e mi sd i s c u s s e di nt h i s p r o j e c t ，w h i c ht h es t r u c t u r ec o m p o s e do fu n d e r g r o u n dm o n i t o r i n gs y s t e ma n dt h e r e m o t ed a t am a n a g e m e n ts y s t e mi sa d o p t e di n u s i n gt h i sm o n i t o r i n gs y s t e m ，s u c h t h ew o r k sa sd a t aa c q u i s i t i o n , p r o c e s s i n g ，t r a n s m i t t i n ga n dd i s p l a yc o u l db e c o m p l e t e da sq u i c k l ya sn e e d t h eh a r d w a r ep r e d o m i n a n c eo ft h ep r o c e s s o ri s f u l l ye x p l o i t e dt oh a v et h e t c o s - i ie m b e d d e di ni t , w h i c hc o m m a n d st h em i s s i o n s a n dc o n t r o l st h ec o m m u n i c a t i o na m o n gt h e s em i s s i o n ss oa st om e e tt h e d i v e r s i f i e dd e m a n d so f t h ef i e l da p p l i c a t i o n u n d e rt h ec o n t r o lo fs 3 c 4 4 b o x ，n s o 幅a c q u i r e d 蛳a f t e rt r a n s a c t i o ni n c i r c u i t s ，t h ed a t ai s s e n tt o p r o c e s s o rf o ra n a l y s i sa n dp m c e s s i n g t h ed a t a p r o c e s s e di sd i s p l a y e do nt h el e dd i s p l a ys c r e e n d e h e nn e e d e d ，a l e r t i n gs i g n a l c o u l db es e n ta n dt h ep o w c ro fe m u l s i o np u m pc o u l db ec u to f f t h eu a r t ( u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e rt r a n s m i t t e r ) i sa p p l i e dt oc o m m u n i c a t et h e u n d e r g r o u n dm o n i t o r i n gw i t ht h er e m o t ed a t am a n a g e m e n ts y s t e m ，w h i c hv i r t u a l i n s t r u m e n t st e c h n o l o g yi sa p p l i e di nw h e nd e s i g n i n gt h ep r o g r a m t h er e c e i v e d d a t ai sp u ti nt h ed a t a b a s ea c c o r d i n gt ot h et i m es e q u e n c i n gf o ru s e r si n q u i r ya n d a n a l y s i s s o t h er e m o t ea c q u i s i t i o na n dt h es c i e n t i f i cm a n a g e m e n to fd a t aa r e r e a l i z e d t h et h e s i sf i r s ta n a l y s e st h ed e m a n do ft h es y s t e m ，c o n f i r m ss y s t e mf u n c t i o n g o a l sa n dr e q u i r e dp e r f o r m a n c e , t h e np u t sf o r w a r dt h ed e s i g n i n go v e r a l lf r a m ea n d d i v i d e sf u n c t i o nm o d u l e s t h e nt h ee m p h a s i si sp u to nh a r d w a r ed e s i g n , s o f t w a r e p r o g r a m m i n ga n da n t i i n t e r f e r e n c e m e t h o d so fh a r d w a r ea n ds o r w a r ed e s i g no f 西南交通大学硕士研究生学位论文第| li 页 t h ee m b e d d e ds y s t e m i ti sd i s c u s s e dt h a tt h e $ 3 c 4 4 8 0 xa n di t s p e r i p h e r a l c i r c u i t s ，m u l t i c h a n n e ld a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i t ，l e dd i s p l a ys c r e e r lc i r c u i t , k e y b c a r dc i r c u i t ，a l e r tc i r c u i td e s i g na n dt h es o f t w a r ed e s i g no ft h e s em o d u l e s d u r i n gt h es e c t i o no f t h el e dd i s p l a ys c r c c l ld e s i g n , t h ec o m m o nc i r c u i td e s i g ni s i m p r o v e da n dt h ed r i v ep r o g r a mi sf u l f i l l e dw e l l f i n a l l yt h es u g g e s t i o nt of u r t h e r c o m p l e t et h es y s t e ma n dr e a l i z ea n e t w o r kb a s e ds y s t e mi sp u tf o r w a r d k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ； m o n i t o r i n gs y s t e m ；d a t aa c q u i s i t i o n ； s 3 c 4 4 8 0 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 乳化液泵站是井下作业的关键设备，它负责为整个液压系统集中供液， 是支架液压系统的动源，并可用作高压水射流设备和其它液压设备的动力源。 乳化液泵站通常由二台乳化液泵和一台乳化液箱组成。 泵站效率是决定液压支架移架速度和支护质量的重要因素，直接影响高 产高效工作面的生产效益。现在国外乳化液泵站单机功率已由7 0 k w 发展到 2 5 0 k w ，国内乳化液泵站生产厂家也在研制装机功率高达3 1 5 k w 的乳化液泵。 随着乳化液泵单机功率的增大，如何保障乳化液泵持续安全稳定运行成为一 个亟待解决的问题。开发和应用乳化液泵站监测系统的目的，就是通过智能 机电系统技术，实现井下乳化液泵站持续安全运行和无人自动监测。在故障 发生前出现异常情况时，监测系统就能及时发出报警信息，提醒用户采取措 施，防止情况进一步恶化。 1 。l 乳化液泵站的应用现状 在煤矿采集作业中，乳化液泵站是用来向煤矿综采工作面的液压支架或 普采工作面的单体液压支柱输送乳化液的设备。目前，就我国国产乳化液泵 站机械部分的生产技术水平而言，产品质量、性能已经达到或接近国外同类 产品的水平；与国外产品的差距，主要在于国产乳化液泵站没有配备必要的 安全自动保护装置或功能较差。一些国产乳化液泵站在井下使用时，会出现 由于润滑不良造成曲轴烧瓦的质量事故，有时甚至造成整机烧毁报废。而要 实现煤矿井下较长时期的安全、稳定作业，提高采煤效率，必须防止重大设 备事故的发生。因此保障乳化液泵站在井下的安全运行，是矿采安全生产十 分重要的一个环节。 1 2 监测乳化液泵站工作状态的意义 以前在乳化液泵站运行时，工作人员往往凭经验和主观感觉来判断设备 的工作状态正常与否。由于工作人员的技术水平差距很大，使得许多乳化液 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 泵系统的故障不麓及时检出，导致泵站长期带病工作，这将直接影响工作面 的产量并造成能源的大量浪费。当乳化液泵站性能降低到一定程度后，就会 造成工作面停产。 在出现设备故障并影响生产正常进行时，往往都是从机器本身的设计制 造和维护等方面去寻找事故原因。而要保证机械设备长期不出故障，代价高 昂，事实上也很难作到。如果从预防的角度能及时发现闻题，解决问题，将 可能发生的故障，特别是一些可能影响生产甚至造成停产的重大问题，消灭 在萌芽状态，对安全、稳定的生产显然具有十分重要的意义，经济效益显著。 论文研究的主要内容，是煤矿用乳化液泵站的在线智能监测系统。当乳 化液泵站工作状况不正常时，必然会导致相关参数的异动。通过实时监测乳 化液泵各部分的工作压力、温度以及乳化液箱液位等关键参数，可以掌握泵 站的实际工作状况。目前国内还没有成熟的、高性价比的矿用智能在线监测 产品问世。项目的开发，对于防止乳化液泵的工况故障、保障矿井安全生产 具有重要的现实意义。 除煤矿乳化液泵站外，方案的思路、技术等，对于其他的类似工况，具 有通用性。 1 3 系统方案 经论证，系统选用了嵌入式实时监测系统的技术方案。该方案具有工作 频率高、存储空间大、实时反应快、数据吞吐量大、环境适应能力强、体积 小等优点。并能适应井下恶劣的工作环境，满足现场应用的多项要求。 1 3 1 课题的主要内容 本课题以嵌入式系统为平台进行乳化液泵的实时监测系统设计。根据矿 采乳化液泵站的工作状态特点，实时监测其各个关键部位的温度、压力、液 位等参数，设计并实现了嵌入式的数据采集、处理系统。该系统通用性好、 可靠性强、可扩展性强。在实验室条件下基本实现了系统的主要功能。在硬 件技术上选用了接口丰富、处理能力极强的嵌入式a r m 处理器，提升了系 统性能。软件设计则采用嵌入式实时操作系统# c o s 。, t c o s u 是源代码公 开、可移植到各种目标系统中的多任务实时内核，使用它能直接在多任务内 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 核下实现多任务处理，提高了c p u 利用率，能保证系统的实时性，稳定性和 可靠性。 1 3 2课题的特点 采用两级监测系统，应用以太网协议实现远程通信是课题的突出特点。 它由嵌入式数据采集监测系统和远程管理中心构成。 嵌入式数据采集监测系统主要负责数据的采集、处理分析、显示、信号 报警、与远程管理中心通信等任务，被测对象为系统压力、乳化液温度、液 面高度及润滑液流量等参数。由传感器及调理电路将各物理量转换为模拟量 送入到嵌入式监测单元，由c p u 进行a d 转换，对所采集的信号量进行处理。 处理内容包括将被监测参数在l e d 显示屏上进行显示，当被测参数超限时进 行声光报警等。 远程管理中心( 上位机) 的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、数据处理横块、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运行所需的各项参数值( 目前主要是预警、 报警限值) 进行远程设置；数据查询模块可使用户随时查询数据文件存储的 各项历史数据。 两级监测系统之间的通信可以采用串行通信和以太网通信两种方式，为 系统今后的扩展及实现远程网络化管理奠定了基础。 1 3 3 论文的主要工作 论文主要内容是以嵌入式数据采集监测系统为对象，侧重于硬件部分的 设计、开发和嵌入式数据采集系统的控制程序编写。硬件部分主要完成了硬 件平台的设计和主机板模块的选型、电路设计，数据采集电路设计、l e d 显 示屏及控制电路设计、按键及报警处理电路设计以及各模块间的接口电路设 计。控制程序部分主要完成了a d 转换程序、数据分析处理程序、l e d 显示 屏驱动控制程序、按键及报警处理电路控制程序设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第二章系统总体设计 进行系统总体设计时，要求系统能满足现场应用的基本要求，实现多测 点多参数的监测和故障诊断处理。 2 1 系统功能要求 设计嵌入式乳化液泵实时监控系统，要求能以巡回方式连续地实时监测 如下监测位置的物理参数： 1 ) 乳化液供应系统支架器液过滤器主压力( 位于单向阀出口段) 2 ) 乳化液泵吸液口两边压差( 乳化液箱) 3 ) 乳化液箱液面高度( 乳化液箱) 4 ) 乳化液泵曲轴润滑油温度( 曲轴箱) 5 ) 乳化液温度( 乳化液箱) 设计嵌入式实时乳化液泵数字监护仪要求做到： 1 1 所监测的参数全都实现数字化集中显示( l e d 滚动屏显示) 。 2 ) 判别所监测参数的正常、准异常与异常情况，进行故障诊断。对于 预警情况采用三路声光报警，对应三种参数限值。对于报警情况， 除了保持声光报警外，要求紧急情况下能自动切断主电源，保护乳 化液泵。 3 1 用户可以现场切换显示方式：巡回显示、固定显示，可以随时调整预 警、报警限值。 4 ) 出现异常事故时，系统应能保存事故发生前1 0 0 次的检测时间和监测 的参数值，并立即报警，切断主电机电源，提示设备故障位置，向远 程管理中心传递故障信息。 5 ) 整个系统要满足矿井下的防爆要求，外壳坚固可靠，外观美观大方。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第f 5 页 2 2 检测参数要求 依据x r b 2 b 型乳化液泵工作参数：工作压力2 0 3 5 m p a ，工作流量 1 1 0 l m i n ，电机电压3 8 0 6 6 0 1 1 4 0 v ，功率1 5 4 5 7 6 k w ，转速1 4 7 0 r p m ，油箱 容积6 4 0 1 0 0 0 l ，确定监测以下物理参数( 检测位置、缺省正常值预警值，报 警值) 。其中温度检测精度为l ，压力检测精度为o 1 m p a ，液位检测精度为 0 0 1 m 。 1 ) 乳化液供应系统支架器液过滤器主压力( 单向阀出口段 3 5 4 0 4 5 田a ) 2 ) 乳化液泵吸液1 ：3 过滤器两侧压差( 乳化液进口段2 5 s m p a ) 3 ) 乳化液箱液面高度( 乳化液箱7 0 1 0 0 1 1 0 e m ) 4 ) 乳化液泵曲轴箱润滑油温度( 曲轴箱7 0 1 0 0 1 2 0 ( ? , ) 5 ) 乳化液温度( 乳化液箱7 0 1 0 0 1 2 0 c ) 具体捡测点及通道如下( 总计6 路输入) ： 1 ) 乳化液供应系统主压力：p l 2 ) 乳化液吸液口过滤器压力差：p 2 p 3 3 ) 乳化液泵曲轴箱润滑油温度：t 1 4 ) 乳化液箱乳化液温度：t 2 5 ) 乳化液油箱液面高度：h 1 样机原型第一步实现了乳化液高压出口段主压力p 1 、乳化液箱温度t 1 、 曲轴润滑油温度t 2 和乳化液油箱面高度h 1 共四个关键参数的监测。 2 3 系统方案设计 根据上述系统设计的功能目标及具体检测参数的要求，监测系统必须能 实现多测点、多参数的监测和故障诊断处理。 2 3 1系统结构 乳化液泵数字监护仪实际为一个智能化的数字监测系统，整个装置从结 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 构上可分为变送箱、主机箱、电源箱三大部分，各部分之间用航空管线连接。 1 ) 变送箱由以下模块组成： 传感器模块：选用能满足现场应用要求的压力、温度、液位传感器， 采购时注意要满足系统电压和防爆性能的要求，实现o 2 5 伏或0 2 0 m a 标准输出。温度监测采用热电阻传感器，压力监测采用应变片式压电传感器， 乳化液箱液位监测则采用投入式液位传感器。 变送电路模块：采用高性能集成运算放大器，并实现光电隔离。 2 ) 主机箱由以下模块组成： 数字主机模块：采用a r ms 3 c 螂o x 处理器，配备电擦除f l a s h 存 储器、可擦写大容量s d r a m 存储器以及其他外围电路。 数据采集模块：采用满足采样精度和速度要求的a d c 模拟数字转换 器，实现巡回数字采样。 数字显示及按键模块：采用1 6 x 6 4 点阵的l e d 显示屏显示监测数据 及提示信息。键盘设置采用密封数字触摸键，四键设计。 报警处理模块：采用开关量输出，驱动l e d 发光二极管、蜂鸣器进行 声光报警，在紧急情况下可驱动臣体继电器切断主电源。 3 ) 电源箱主要由电源模块组成： 电源模块选用高精度开关抗干扰的防爆电源，输入为6 6 0 v 电源，经变压 器、桥整流和稳压滤波电路，输出+ 2 4 、a ：1 2 v 、+ 5 v 电压，符合防爆要求。 系统采用抗干扰性能较好的屏蔽导线，能减少信号传输过程中的衰减和 失真。 2 3 2 系统功畿 系统对以下关键工作点位的工作状态进行连续的监控： 1 ) 单向阀出口段支架器液过滤器 支架器液过滤器是保证支架系统器液至乳化液箱液体的清洁度的重要装 置，它决定了乳化液泵吸入液体的清洁度，关系到乳化液泵柱塞密封的寿命 及液力端进、排液阀等的密封寿命，因此必须对其工作状态进行连续监控。 当支架器液过滤器主压力降低到一定程度时，自动保护装置立即报警，切断 主电机电源，提示用户清洗滤网。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 ) 乳化液吸液1 2 1 过滤器 高压过滤器是保证乳化液泵站向支架系统提供清洁液体必不可少的装 置。它是否有效工作，直接关系到支架系统阀类零件的寿命。在我国煤矿井 下，高压过滤器由于滤网堵塞，使滤网两侧压差增大，造成有效过滤能力降 低，最终导致滤网被击穿造成过滤失效的事故时有发生。系统要能够连续有 效地监控高压过滤器滤网的工作状况，一旦两侧压差超过设定值，自动保护 装置立即报警，切断主电机电源，提示用户清洁滤网。 3 ) 乳化液泵的曲轴箱油温 曲轴箱润滑液温度是表征乳化液泵运动部分各零件运行状况的一个综合 参数，煤炭行业标准m t l 8 8 x 2 0 0 0 对此有严格的规定。啦轴箱润滑液温度的 高低，对运动部件的润滑效果影响较大，也直接影响着运动部件的使用寿命。 当监测到曲轴箱油温超标时，立即启动报警装置，切断主电机电源，提示用 户排除故障。 乳化液箱液位 乳化液箱是盛装支架系统工作介质一乳化液的容器，乳化液箱液位过低， 工作介质的容积减少，将导致单位时间内乳化液的循环使用次数增加。乳化 液温度将升高、变质，而工作介质的变质将直接影响支架系统各元部件的防 锈性能及使用寿命，同时对乳化液的吸入性能也有重要影响。当液位降低到 泵的吸入口之下时，会造成乳化液泵吸空，此时支架系统将无法正常工作， 因此必须对乳化液箱的液位实行连续监控。当乳化液箱液位低于设定位置时， 自动保护装置报警，切断主电机电源，提示用户排除故障。 2 4系统主机平台 为了满足监测系统对工作频率、存储空间、实时反应速度、数据吞吐量、 环境适应能力和其它现场应用的若干项要求，主机平台选用了嵌入式系统。 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、功耗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。+ 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 4 1 嵌入式系统简介 嵌入式系统包含硬件和软件两部分：硬件架构上以嵌入式处理器为中心， 配置存储器、i 0 设备、通信模块等必要的外设：软件部分包括要求实时和多 任务操作的操作系统软件( o s ) 和应用程序编程：应用程序控制系统的运作和 行为，而操作系统则控制着应用程序编程及其与硬件的交互作用。软件部分 以操作系统为核心，向上提供应用编程接口( a p i ) ，向下屏蔽具体硬件特性 的板级支持包b s p 。嵌入式系统中，软件和硬件紧密配合，协调工作，共同完 成系统预定的功能。 一、嵌入式处理器 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式系统的功能软件集成于硬 件系统之中，系统的应用软件与硬件一体化。在嵌入式系统的硬件设备中， 嵌入式处理器是整个系统的核心部件，其性能的好坏直接决定整个系统的运 行效果。 为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式处理器虽然在功能上和标准处 理器是基本一样的，但在工作温度、成本、功耗、可靠性、健壮性等方面和 普通工业控制计算机相比，嵌入式处理器具有体积小、重量轻、成本低、可 靠性高的优点。在应用中将微处理器装在专门设计的电路板上，只保留与嵌 入式相关的母板，这样可以大幅减小系统的体积和功耗。 嵌入式微处理器一般具备以下四个特点： 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响 应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。 具有很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块 化，为了避免在软件模块之闻出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区 保护功能，同时这也有利于软件诊断。 可扩展的处理器结构，以便最迅速地开发出能满足应用的最高性能的 嵌入系统。 - 能嵌入式微处理器必须功耗很低，实现节能的目的。 二、实时操作系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 以嵌入式处理器为中心，搭建好硬件电路后，仅为系统的开发提供了裸 机运行平台。要使整个系统有限的硬件资源充分利用起来，还需要( 嵌入式) 实时操作系统r t o s ( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t 自r n ) 的软件支持。 r t o s 的使用使得实时应用程序的设计和扩展变得容易。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，r t o s 使得应 用程序的设计过程大为简化。使用可剥夺性内核时，所有时间要求苛刻的事 件都能得到尽可能快捷、有效的处理。通过有效的服务，如信号量、邮箱、 队列、延时、超时等，可使资源得到更好的剥用。 在全球范围内，商用r t o s 多达2 0 0 多种。这些名称不同的r t o s ，核心 软件的差异微妙而且难以琢磨。由于具体嵌入式应用的功能需求以及不同 r t o s 闯的性能指标的差异，r t o s 的选择主要考虑以下医素： 性能评价指标 主要包括调度算法、r t o s 本身的内存开销、r t o s 内存的管理模式、最 大中断禁止时间和最大任务切换时间。针对实时性要求较高的应用，需要重 点考虑r t o s 的最大中断禁止时间和最大任务切换时间。这两个参数越小越 好。减小这两个参数值，除了选用较高工作主频的嵌入式处理器外，还和i l = 】d s 本身的任务调度和中断处理机制密切相关。 系统功能支持 考虑系统功能方面支持何种处理器硬件平台，何种a p i 、是否支持内存 管理单元m m u 、可移植性、调试支持、标准支持等。如果开发网络应用，还 需要考虑该r t o s 是否支持t c p i p 的网络组件和i o 服务等。 嵌入式# c o s i i # c o s i i 是开放源代码的免费自由软件，互联网上的技术论坛较多，具 备较好的裁减性以支持不同的应用范畴。 三、嵌入式系统的调试技术 调试是嵌入式系统开发过程的重要环节。嵌入式系统的开发调试和一般 p c 系统的开发调试有较大的差别。在一般p c 机的系统开发中，调试器和被 调试程序是运行在相同的硬件和软件平台上的两个进程，调试器进程通过操 作系统专门提供的调试接口控制和访问被调试进程。而在嵌入式系统中，调 试器是运行在桌面操作系统上的应用程序，被调试程序是运行在基于特定硬 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 件平台的操作系统，两个程序之间需要实时通信。 嵌入式系统调试时，主机上运行的集成开发调试工具( 调试器) 通过仿 真器和目标机相连。仿真器处理宿主机和目标机之间的所有通信，这个通信 接口可以是串行口、并行口或者高速以太阿接c i 。仿真器通过j t a g 口和目 标机相连。三者间的关系如图2 1 所示。 在线嵌入 实时 _ 竺塑k 式系 仿真r 1 统 器 图2 1 嵌入式系统调试关系图 嵌入式系统的开发调试方法有快速原型仿真法和实时在线调试法。快速 原型仿真法主要用于硬件设备尚未完成时，直接在宿主机上对应用程序运行 进行仿真分析。在此过程中系统不直接和硬件打交道，由开发调试软件内部 某一特定软件模块模拟硬件c p u 系统的执行过程，并可同时将仿真异常反馈 给开发者以进行错误定位和修改。 实时在线调试法在具体的目标机平台上调试应用程序，系统在调试状态 下的执行情况和实际运行模式完全一样，这种方式更有利于开发者实时对系 统硬件和软件故障进行定位和修改，提高产品的开发速度。 调试器是运行在主机上的集成开发环境，需要集程序编辑、汇编、编译、 链接和调试环境于一体，支持低级汇编语言、c 和c + + 语言，基于友好的图 形用户界面( g u i ) ，支持用户观察或修改嵌入式处理器的寄存器和存储器配 置、数据变量的类型和数值，堆栈和寄存器的使用，支持程序断点设置，单 步、断点或者全速运行等特性。 2 4 。2 嵌入式实时系统解决方案 本课题采用基于a r ms 3 c 4 4 b o x 嵌入式微处理器，# c o s i i 实时操作系 统的嵌入式实时系统解决方案。以s d t ( 调试器) 加j t a g ( 仿真器) 为调试 解决方案。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 一、嵌入式处理器 目前世界上具有嵌入式功能的微处理器已经有上千种，流行体系结构包 括m c u 、m p u 等3 0 多种。根据其现状，嵌入式处理器可以分成下面几大类： 嵌入式微处理器( m i c r op r o c e s s o ru n i t ，m p u ) 嵌入式微处理器是由通用计算机的c p u 演变而来的。它的特征是具有3 2 位以上的处理器，具有较高的性能。但与计算机处理器不同的是，在实际嵌 入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功 能部分，这样就能以最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 、3 8 6 e ) ( 、s c - 4 0 0 、p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、 m p s 、a r m 系列等。 嵌入式微控制器( m i c f oc o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 其典型代表是单片机，目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。 和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从 而使得功耗和成本下降、可靠性提高。比较有代表性的包括8 0 5 1 、m c s 2 5 1 、 m c s 9 6 1 9 6 2 9 6 系列等。 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ， e d s p ) d s p 处理器是专门用于信号处理方面的处理器，在系统结构和指令算法 方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令的执行速度。在数字滤波、 f f t 、谱分析等各种仪器上d s p 获得了大规模的应用。目前应用最为广泛的 是t i 的t m s 3 2 0c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 系列。 。 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ) s o c 最大的特点是成功实现了软硬件的无缝结合，能直接在处理器片内 嵌入操作系统的代码模块。由于s o c 往往是专用的，所以大部分都不为用户 所知。比较典型的s o c 产品是p h i l i p s 的s m a r t x a 。 现场工业控制的要求往往较高，需要各种各样的设备接口，除了进行实 对控制外，还须将设备状态，传感器的信息等在显示屏上实时显示。这些要 求八位的单片机是无法满足的。在目前的现场工业控制设备中，工控机的使 用非常广泛，这些工控机一般采用的是工业级的处理器和各种设备。但是在 实际应用中，工控机也存在体积大、能耗高、系统结构复杂、稳定性较低、 价格昂贵这些缺点。 a r m 推出的3 2 位r i s c 嵌入式控制器，提供了丰富的接口总线资源，可 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 以通过它们实现数据采集，数据处理，通讯以及显示( 显示一般是连接l e d 或者l c d ) 。特别是针对高性能、低功耗的实际现场应用，只需要采用基于微 处理器的嵌入式系统就可以实现所需要的功能，而且性价比很高。 因此，根据本系统的应用要求，以及嵌入式处理器的发展状况，并为后 期扩展i n t e r n e t 功能，使设备上网并能实现远程控制，决定选用a r m 系列嵌 入式微处理器。a r m ( a d v a n e 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 主要半导体厂商都在生产基于a r m 体系结构的通用芯片。 采用r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ，精简指令集计算机) 架构 的a r m 微处理器能很好地满足嵌入式应用的要求。它具有如下特点： i ) 体积小、低功耗、低成本、高性能； 2 】支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件； 3 1 大量使用寄存器，指令执行速度更快； 4 ) 大多数数据操作都在寄存器中完成： 5 ) 寻址方式灵活简单，执行效率高； 6 ) 指令长度固定； a r m 系列处理器有五个系列：a r m 7 、a 砌曲、a r m 9 e 、堰m 1 0 、 s e c u r c o r e 。其中，a r m 7t m d i 是目前使用最广泛的3 2 位嵌入式r i s c 处理 器，属低端a r m 处理器核。t d m i 的基本含义为： t ：支持1 6 位压缩指令集t h u m b ； d ：支持片上d e b u g ； - m ：内嵌硬件乘法器( m u l t i r i l i e r ) ： i ：嵌入式i c e ，支持片上断点和调试点，提供了集成的在线调试支持。 本课题所使用的s a m s t m g 公司的s 3 c 4 4 b o x 即属于该系列的处理器。 二、嵌入式操作系统 目前世界上已经有一大批成熟的实时嵌入式操作系统。商业化实时操作 系统具有强大的功能、良好的接口，但是价格昂贵且一般不提供源代码。随 着操作系统走向开放，越来越多的带源码的无版税软件、自由软件得到了广 泛的认可与应用。# c o s 就是一个很好的例子。它简单易学，具有嵌入式 系统的基本功能，核心代码短小精悍，对于嵌入式系统的初学者和工程技术 人员而言，是个理想的选择。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 z c o s i i 完全是占先式的实时内核，是基于优先级的，即总是让绪态中 优先级最高的任务先运行，因此实时性比非占先式的内核要好。它是一个支 持多任务的操作系统，可以将一个完整的应用程序划分为几个任务，不同的 任务执行不同的功能。# c o s i i 可以管理6 4 个任务，提供了任务管理的各种 函数调用，包括创建任务、删除任务，改变任务的优先级，挂起和恢复任务 等。z c o s u 包含了实时内核、任务管理、时阀管理、任务间通信同步和内 存管理等功能。它的大部分代码都是用c 语言编写的，可移植性强，目前， 可以在绝大多数的8 位、1 6 位、3 2 位甚至6 4 位处理器、位控制器、数字信 号处理器上运行。用户可以根据自己的需要编写、移植代码。肛c o s 4 i 网站 上有针对不同处理器的移植代码可以下载。 s 3 c 4 4 b o x 是一种低功耗、低成本的高性能处理器。心o s - 是一款功 能强大、源码开放的完全免费的嵌入式操作系统。两者结合，就可以设计出 一种低成本、高效能的可用于工业现场控制的嵌入式监测系统。 2 4 3系统的调试方案 嵌入式系统的调试方案，采用以s d t ( 调试器) 加t a g ( 仿真器) 的解 决方案。 一、s d t 集成开发环境 目前基于a r m 的集成开发环境( d e ) 有两类：一类是a r m 公司开发 的s d t ( a r ms o f t w a r ed e v e l o p m e n tt o o l k i t ) ：另一类则是各应用厂商开发的， 例如m i c t e c k 公司的h i t o o l 、c v t e c h 公司开发的a d t 等，这类 d e 产品都是将i t a g 仿真器的控制程序捆绑在 d e 中，由于它们采用的仿真器 是不公开的，因此无法应用在本系统中。 s d t 是a r m 公司为方便用户在a r m 芯片上进行应用开发而推出的一整 套集成开发工具，它们的汇编器、编译器都是a r m 公司自己开发的，编译 器效率较高并且它的编辑及界面设置十分简洁。 二、j t a g 仿真器 j t a g ( j o i mt e s ta c t i o ng r o u p ，联合测试行动小组) 是一种国际标准测 试协议，主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试。支持j t a g 技术 西南交通大学硕士研究生学位论文第 4 页 的芯片内部封装了专门的测试电路t a p ( t e s t a c c e s s p o r t ，测试访问口) ，通 过专用的s t a g 测试工具可以对芯片内部节点进行测试。目前大多数比较复 杂的器件都支持j t a g 协议，如a r m 、d s p 、f p g a 器件等。 j t a g 仿真器是通过芯片的j t a g 接口进行调试的设备。j t a g 仿真器结 构简单、连接方便。结构最简单的j t a g 仿真器，可以只对a r m 处理器的 t a g 接口进行电平转换，之后通过并口与p c 主机相连。使用一片电平转换 芯片( 如7 4 h c 2 4 4 ) 和几个上拉电阻，就可以搭建出来。 由于j t a g 仿真器只需要通过a r m 的j t a g 接口与处理器核通信，属于 完全非插入式( 即不使用片上资源) 调试，它无需目标存储器，不会占用目 标系统的任何端口，而这些都是驻留监控软件所必需的。另外，由于j t a g 调试的目标程序是在目标板上执行，仿真更接近目标硬件。因此，许多接口 问题，如高频操作限制、a c 和d c 参数不匹配、电线长度的限制等被最小化 了。j t a g 的调试原理在第三章再作详细的介绍。 j t a g 仿真器和相应的软件调试环境，通过j t a g 接口电路可对芯片内部 的所有部件进行访问，实现嵌入式系统的硬件调试和软件的在线调试开发工 作，是开发、调试嵌入式系统的一种简洁高效的手段。使用集成s d t 开发环 境配合y r a g 仿真器进行开发，是目前采用最多的一种实时在线调试方式。 调试系统的硬件连接如图2 2 所示。 1 调试主机 暗标板 j 2 4 。4系统的优越性 图2 2 调试系统硬件连接图 项目使用基于删s 3 c 4 4 b o x 嵌入式处理器和弘c o s - 实时操作系统 进行系统丌发，具有以下优越性： 采用3 2 位处理器，其处理能力与速度大大超过单片机系统，接近p c 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 机的水平。但其体积更小，结构更紧凑，具有更丰富的硬件接口，如l c d 、 u s b 、u r a t 、7 1 个通用i o 口等，这些都为系统的开发和扩展提供了方便。 采用源码公开、可移植性强的嵌入式操作系统# c o s i i ，利用它进行系 统的任务管理、任务间的通信等，提高了系统的实时性、可靠性与兼容性。 设计简单、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 ) ，函数可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。 西南交通大学硕士研究生学位论文第，6 页 第三章系统硬件选型与设计 本章介绍监测系统的硬件平台设计，硬件平台的选择对监控系统的功能 实现和开发效率具有举足轻重的作用。如果脱离了硬件系统，软件将无所依 托，不能运行。由于嵌入式系统具有软硬件可裁减