（信号与信息处理专业论文）基于嵌入式的振动信号采集分析系统的研究.pdf

摘要 随着现代化工业的快速发展，人们对机械设备的可靠性提出了更高的要求。 机械设备的状态监测系统能够对机械设备运行过程中的工况进行在线或离线检 测，便于及时发现故障或对其故障的发展趋势做出早期的预测，然后可以采取相 应的措施对机械设备进行维护和保养，以免造成巨大的损失。 本课题针对工厂对机械设备状态监测和故障诊断的实际需求，开发了基于嵌 入式l i n u x 系统的数据采集分析系统。由于机械设备运行过程中产生的振动信号 包含丰富的故障信息，其分析方法和理论都比较成熟，因此，该系统选择对机械 设备的振动信号进行采集处理，采用a r m 处理器为核心、c p l d 作为辅助，具 有信号预处理、数据采集显示、信号分析和数据管理等功能。系统的硬件设计主 要包括a r m 主控模块、信号预处理模块以及数据采集模块。a r m 主控模块是 利用a r m 的强大控制能力实现对系统各个模块的控制处理。信号预处理模块主 要完成加速度传感器输出的模拟信号的调理、放大和抗混滤波处理，为数据采集 做好准备。数据采集模块丰要是根据丰控模块设置的采集参数实现四通道经过预 处理的模拟信号的1 6 位d 转换，并将转换之后的数据通过f i f o 传送给a r m 作进一步分析处理。系统的软件设计主要完成嵌入式l i n u x 系统的各个组成部分 在a r m 上的移植实现，利用基于q t ，e m b e d d e d 的图形界面软件q t 叩i a 完成数据 的采集显示和通信、以及信号分析理论在系统上的实现。 为了验证系统功能的正确与否，采用信号发生器的正弦信号作为系统的输入 信号进行采集与分析处理，系统所得的时频域分析结果与该信号的理论分析结果 一致。因此，该系统可以运用于机械设备振动信号的采集与分析处理，获取设备 的状态信息并进行相应的故障诊断处理，保障设备的正常运作。 关键词：数据采集；信号分析；a r m ；嵌入式l n u x ；振动信号 a b s t r a c t w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n t o fm o d e mi n d u s t r y ，t h er e q u i r e m e n to ft h e r e i i a b i l i t ) ，o fm e c h a n i c a le q u i p m e n tb e c o m e sh i 曲e r m e c h a n i c a le q u i p m e n t c o n d i t i o n m o n i t o r i n gs y s t e mm e c h a n i c a lc a nd e t e c tw o r k i n gc o n d i t i o no n i i n eo ro 用i n ed u r i n g o p e r a t i o no fm e c h a n i c a le q u i p m e n t ，e a s yt od e t e c tf a u i t so rf a u l tt r e n d st 0m a k et h e i r e a r l yp r e d i c t i o n ，t h e nc a nt a k et h ea p p m p r i a t em e a s u r c st o m a i n t a i na n dr e p a i r m e c h a n i c a le q u i p m e n ti no r d e rt oa v o i dh u g el o s s e s c o n s i d e r i n gt h ea c t u a ld e m a n do ft h ef a c t o r y sm e c h a n i c a le q u i p m e n tf o rt h e c o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i s ，t h i si s s u ed e v e i o p sad a t aa c q u i s i t i o na n d a n a i y s i ss y s t e m b a s e do ne m b e d d e dl i n u xs y s t e m b e c a u s et h ev i b r a t i o ns i g n a l p r o d u c e dd u r i n gt h eo p e r a t i o no fm e c h a n i c a ie q u i p m e n tc o n t a j n s a b u n d a n tf a u l t i n f o r m a t i o na n di t sa n a l y s i sm e t h o da n dt h e o 叫i su s u a l l yq u t ea d v 锄c e d ，t h i ss y s t e m i sc h o s e dt oc o l l e c ta n dp r o c e s st h ev i b r a t i o ns i g n a lo fm e c h a n i c a le q u i p m e n t ，w h i c h u s e sa r mp r o c e s s o ra sc o r ea n dc p l da sa na u x i l i a 拶w i t ht h es i g n a lp r e t r e a t m e n t ， d a t aa c q u i s i t i o na n dd i s p l a y ，s i g n a la n a l y s i sa n dd a t am a n a g e m e n tf u n c t i o n ，e t c s y s t e mh a r d w a r ed e s i g ni n c l u d e sa r mm a s t e rm o d u l e ，t h es i g n a lp r c t r e a t m e n t m o d u i ea n d ( i a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e a r mc o n t r o lm o d u i em a k e su s e0 ft h ep o w e 向l c o n t r o lo fa r mt 0a c h i e v ec o n t r o ia n dt r ea t l m e n to ft h ev 撕o u sm o d u i e so ft h es y s t e m c o n t r 0 1 s i g n a ip r e t r e a t m e n t m o d u l ei s m a i n l yc o m p l e t e dp r o c e s s i n g o fs i g n a l c o n d i t i o n i n g ，a m p i i f i c a t i o na n d r e s i s t a n c et 0m i xf i l t e r i n gf o rt h ea n a i o go u t p u ts i g n a l o ft h ea c c e l e r a t i o ns e n s o r p r e p a r i n gf o rd a t ac o l l e c t i o n t h ed a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e i sa c c o r d i n gt oa c q u i s i t i o np a r a m e t e r ss e t t e db yt h em a i nc o n t r o lm o d u l et om a i n l y r e a i i z el6a dc o n v e r s i o n o ft h ef o u rc h 粕n e la n a l o gs i g n a la r e rm es i g n a l p r e t r e a t m e n t ，a n dt h e nt h es w i t c h e dd a t ai st r a n s m n e dt h r o u g ht h ef l f ot ot h ea r m f o rf u r t h e ra n a l y s i sa n dp r o c e s s i n g s y s t e ms o r w a r ed e s i g ni sc o m p l e t e dt h ep o r t i n g o ft h ev a r i o u sc o m p o n e n t so fe m b e d d e dl i n u xs y s t e mi nt h ea r m ，t ou s eq t o p i a b a s e do nq t e m b e d d e da st h es o r w a i ei n t e r f a c ef o rd a t aa c q u i s i t i o n ，d i s p i a ya n d c o m m u n i c a t i o n ，a n dt h es i g n a la n a l y s i st h e o r yo fi m p i e m e n t a t i o no nt h es y s t e m i no r d e rt ov e r i 母t h es y s t e m sf u n c t i o n sc o r r e c t l yo rn o t ，t h es i n u s o i d a ls i g n a i f 而mt h es i g n a lg e n e r a t o ra st h ei n p u ts i g n a li sa c q u i r e da n da n a l y z e db yt h es y s t e m ， t h er e s u i t so ft h et i m ea n df k q u e n c yd o m a i na n a l y s i sb yt h es y s t e mi sc o n s i s t e n tw i t h t h e 托s u l t so ft h et h e o r e t i c a ia n a l y s i so ft h es i g n a l t h e r e f o r e ，t h es y s t e mc a nb c a p p l i e dt ot h ev i b r a t i o ns i g n a la c q u i s i t i o n ，a n a l y s i sa n dp i 、o c e s s i n go ft h em e c h a n i c a l e q u i p m e n t ，t h ed e v i c es t a t u si n f b 肿a t i o na c q u i s i t i o n 锄dt h ec o 盯e s p o n d i n gf a u l t d i a g n o s i si su s e dt oe n s u r et h en o r m a lo p e r a t i o no ft h i se q u i p m e n t k 呵啊o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o n ，s i g n a la n a l y s i s ，a r m ，e m b e d d e dl i n u x ，v i b r a t i o n s i g n a l 学位论文的主要创新点 一、以3 2 位删处理器为核心、c p l d 为辅助，利用加速度传 感器采集机械设备的振动信号，同时采用基于q t e m b e d d e d 的图形界 面软件q t o p i a 完成采集数据的分析与管理，实现了系统的小型化与 智能化。 第一章绪论 1 1 选题的意义 第一章绪论 随着科学技术的快速发展，机械设备的组成和结构日益复杂，功能越来越 强大，自动化程度越来越高，设备内部的各个子系统之间以及不同设备之间的 联系变得越来越密切，因此，其维修和保障工作也就变得更加困难。由于存在 许多非人为的因素导致对设备的维护不够及时，或者未能及时发现设备中潜在 的可能会引起故障的异常情况，导致故障程度越来越大，这些故障有些仅仅只 会导致系统的某些特定功能的降低或者失去，但是有些却会引发灾难性的后果。 例如，2 0 0 0 年9 月三峡工地由于塔带机断裂引发了重大人员伤亡事故，2 0 0 3 年 2 月美国的哥伦比亚号航天飞机由于在穿越地球大气层疾速下降的过程中外壳 被穿孔而导致返航途中解体等。 在机械化牛产日益发达的今天，工业生产中运用的众多机械设备都比较昂 贵，一旦出现故障现象就可能导致生产的中止，给企业带来巨火的经济损失， 因此，对生产过程中的运行的机械设备的状态的监测和故障诊断t 作变得非常 重要。目前，虽然国外的机械故障诊断技术处于领先地位，其故障诊断设备非 常出色，功能强大而且全面，但是由于其设备的价格非常昂贵、不具备汉化版、 维修不便等冈素导致在国内的中小企业中很难普及，所以开发符合国内企业操 作人员习惯的、高性能的故障诊断设备成为了迫切需要解决的问题，其市场需 求和应用前景都是比较广泛的。 从以往的实践经验可知，采用先进的信号分析和诊断方法对机械设备的运 行状态进行监测和诊断，通过这些监测到机械设备运行过程中的工况信息，对 其故障发展的趋势做出早期分析诊断处理，有助于找到故障发生的原因，使之 可以提i j 采取维护和保养措施，有效地避免设备出现突然的损坏情况，防止意 外事故的发生，保障设备安全有效地运行，减少不必要的财产损失。 在机械设备中可以用作状态监测的信号有很多种，其中最常见的就是机械 设备的振动信号，利用机械设备运行过程中产生的振动信号进行故障诊断，是 目前最常用的诊断手段川。这主要是因为振动信号中包含了丰富的故障信息， 机械设备的许多故障都是可以通过其异常的振动信号表现出来，有时还非常直 观，其测试和分析的手段、方法和理论也比较成熟。因此，本系统采集机械设 备的振动信号进行分析与处理，实现对机械设备工作状态的监测。 天津工业大学硕 ：学位论文 1 2 国内外研究现状 机械故障诊断技术是一门获取机械设备运行状态信息，判断设备是否工作 正常，发现设备故障及其原因，并且能够预测故障发展趋势的技术。在二十世 纪六十年代末，美国国家宇航局( n a s a ) 创建美国机械故障预防小组m f p g ( m a c h i n e 拶f a u l tp r e v e n t i o ng r o u p ) 标志着机械设备故障诊断作为一门科学进 入了有计划的研究和应用阶段【2 j 。 由于机械故障诊断技术所带来的的经济效益巨大，发展非常迅速，已经成 为各国研究的重点技术。目前，美国在机械故障诊断领域处于领先地位，美国 的西屋电气等公司的监测诊断设备基本上能够体现当今诊断技术的最高水平， 其设备的监测和诊断能力都非常强大，在宇宙、军事、化工等方面的应用非常 广泛。其中，比较有代表性的有：美国西屋电气公司的汽轮发电机组人工智能 诊断网络系统【3 】、美国通用电器公司研制的运用于内燃电力机车故障排除的专 家系统d e u l a l 4 j 、b n e t l y 公司开发由于监测旋转机械运行状态的数据管理系统 以及美国n a s a 为动力系统诊断开发的专家系统等1 5 1 。欧洲各国的机械故障诊 断技术的发展也各有千秋，在某些方面也有其独到之处，例如瑞典s p m 公司的 轴承监测技术，挪威的船舳诊断技术，丹麦的b & k 公司的振动、噪声监测技 术i6 。，法国的s m a v 系统，德国菲利普公司的i 洲s 7 0 0 系列t s i 和p r 3 0 0 0 状 态监测系统等【7 】。亚洲的日本在钢铁和化工等民用工业中的机械故障珍断技术 中占有优势，其中三菱重工研制的机械保健系统已经在汽轮发电机组故障监测 和诊断方面起到了有效的作用【8 】。 我国故障诊断技术的起步非常晚，从上个世纪的八十年代中期才开始进入快 速发展的阶段。如今不仅在理论研究方面形成了具有国内特色的故障诊断理沦， 并出版了许多相关的著作，同时，国内许多研究机构开发出的一些大型设备状态 监测和故障诊断系统也能够与国际上的相媲美。其中，比较有代表性的有：东方 汽轮机厂与哈尔滨工业大学联合研发的微计算机化旋转机械状态监测故障诊断 系统一j 、西安交通大学研制的大型旋转机械计算机状态监测与故障诊断系统、东 北大学设备诊断工程中心研制的轧钢机状态监测诊断系统、浙江大学研制的工业 汽轮机状态监测系统以及清华大学与山东电力科学研究所等单位在1 9 9 7 年共同 研发的火型汽轮发电机组远程在线振动监测分析与诊断网络系纠卧1 1 】。 近年来国内的故障诊断技术发展非常迅速，但是和国外的诊断技术相比，仍 然有不少的差距，这些差距主要表现在如下几个方面： 第一，传感器的性能差，致使信号的分析频率范围小。 第二，信号采集仪器自身的数据处理能力不够，在采集现场仪能做到简单的 第。章绪论 分析和诊断，精密诊断则需南计算机完成，导致实时性很差。 第三，诊断系统的信号分析仍停留在基本频谱分析上，分析处理能力不强， 智能化水平不i 岛。 虽然机械设备故障诊断技术发展比较迅速，但是到日前为止依旧没有能够 形成一套完整的理论体系和行之有效的诊断技术，对机械设备故障诊断的研究 仍然是从故障的种类、特定层次的故障以及特定的设备等方面展开的。纵观近 年来国内外发展现状，机械设备的状态监测诊断系统的开发有两个明显的发展 趋势【1 2 】： ( 1 ) 采用离线方式完成设备的同常监测和维护工作，借助各种通信总线向 小型化、便携式、高度集成和通用化等方向发展。 ( 2 ) 设备的状态监测和故障诊断向连续、在线、实时和网络化的方向发展。 这类系统虽然功能丰富全面，但耗资巨大，一般适用于大型的旋转机械没备和 比较重要的设备。 1 3 论文主要研究内容 本课题研究的主要内容足设计一款应用于机械设备状态：临测的振动信号采 集分析系统，该系统通过加速度传感器采集机械设备运行过程中产生的振动信 号，并对该振动信号进行预处理以便满足a d 转换要求，完成信号采集操作， 再借助a r m 处理器的强大控制能力实现信号的时频域分析处理，从而获取机 械设备的工作状态，以便能够及时对设备进行维护和保养。本论文各章节的安 排如下所示。 第二章主要介绍了系统软硬件的总体结构以及目前主流的几种嵌入式操作 系统的特点，从开发成本、可移植性等方面选择了嵌入式l j n u x 操作系统；最后， 分析了几种基于嵌入式l i n u x 操作系统的主流图形界面软件，从执行效率和库的 稳定性等方面考虑而选用基于q t e m b e d d e d 的q t o p i a 作为图形界面开发软件。 第三章主要介绍了系统的硬件电路设计，主要包括a r m 主控模块、信号预 处理模块和数据采集模块。a r m 主控模块主要是由以a r m 处理器为核心的各个 外围电路所构成；信号预处理模块主要完成对传感器输出信号的预处理，使其达 到d 转换的最佳效果，分为调理电路、信号放大和抗混滤波三部分；数据采集 模块主要完成信号的a d 转换操作，将采集到的振动信号送给a r m 处理器做进一 步的分析处理工作。 第四章主要分析了嵌入式l i n u x 系统的移植过程，包括交叉编译环境的建 立、引导程序u b o o t 的移植、l i n u x 内核的编译移植以及y a f f s 2 根文件系统 天津工业人学硕士学位论文 的制作。 第五章介绍了系统的各个软件功能模块，包括软件采集模块、信号分析模 块以及数据管理模块。重点研究了信号分析方法理论及其在系统上的实现和系 统数据通信方式的设计。 第六章提出系统调试方案，并分析了系统硬件电路的调试和嵌入式l i n u x 系 统的调试，在此基础上对系统功能进行了测试验证。 第七章对本课题的研究内容进行总结和展望。 第_ 章系统总体结构设计 第二章系统总体结构设计 2 1 系统硬件结构设计 振动信号采集分析系统是以3 2 位a r m 处理器为核心，采集机械设备的振 动信号进行时域和频域等分析处理，以及通过多种通信接口将采集剑的数据上传 给配置故障诊断软件的上位机作出相应的诊断处理。振动信号采集分析系统的硬 件设计按照功能模块可以划分为信号预处理模块、数据采集模块和a r m 主控模 块，其中a r m 主控模块又包括l c d 显示电路、f l a s h 接l j 电路、串口等通信接 口电路、键盘输入电路等。系统硬件结构如图2 1 所示。 i 振动信号输入 。lt ，、n u ： 。 i l l l ，业j 、 ： i i 信吁调理 i弼 i 。 - 。j 孤 卜一 f l a s h ! + 朴 i ， i 信号放大理 a r m i ： 模 ，i s d r a m i 抗混滤波 块 、 ，l l ) 。7 、。u 。 i ：一一一一一0 数据采集模块l + 叫 通信接口 图2 1 系统硬件结构框图 系统硬件的各个功能模块的作用分别如下： l 、信号预处理模块：信号预处理模块主要是对i c p 加速度传感器采集到的 机械设备的振动信号进行调理驱动、放大以及抗混叠滤波处理，使得a d c 芯片 能够获取该振动信号，并能够做出进一步的处理工作。 2 、数据采集模块：数据采集模块将经过预处理的信号进行a d 转换，并将 转换结果送给a r m 进行分析处理。该模块非常重要，它决定了整个系统的采集 精度和分辨率。 3 、a r m 主控模块：a r m 处理器为该模块的核心部分，控制振动信号的采 集参数设置、数据的显示和分析处理以及数据的传输通信等。a r m 主控模块的 1j 一 丰控模块 一 天津工业大学硕士学位论文 主要组成部分如下： ( 1 ) l c d 显示部分：采用6 4 英寸t f tl c d ，分辨率为6 4 0 4 8 0 。 ( 2 ) f l a s h 接口部分：采用双f l a s h 设计，n o rf l a s h 用于存放引导程序， n a n df l a s h 主要用于存放系统内核以及文件系统。 ( 3 ) s d r a m 接口部分：采用两片1 6 位的2 5 6 m b i t s 的s d r a m 芯片作为 系统的内存。 ( 4 ) 通信接口部分：包括串口、以太网网口以及u s b 接口。通过以太网网 口、串口或者主方式下的u s b 从上位机下载信号采集的测点信息到本系统中， 同时将本系统采集到的数据上传至配置诊断软件的上位机。 2 2 系统软件结构设计 本系统的软件采用的足模块化设计思想，各个功能模块之间相互独立，功能 模块之间使用专门的接u 函数进行通信，这样的处理可以使系统软件的维护和升 级变得更加方便。本系统的软件是基于嵌入式操作系统开发设计的，其软件结构 由下往上分依为：嵌入式操作系统、设备驱动程序和应用程序。整个系统的软件 结构如图2 2 所示。 图2 - 2 系统软件结构框图 操作系统负责整个系统的软硬件资源的管理，而设备驱动程序完成系统内核 与各个具体硬件的接口，为应用程序提供操作硬件的接口函数。本系统的主要驱 动程序有数据采集驱动、串口、u s b 和网络驱动、l c d 驱动以及f i a s h 驱动等。 应用程序是负责实现系统功能的核心部分，主要有数据采集、人机交互、信号分 析以及数据管理等。 第二章系统总体结构设计 2 3 嵌入式操作系统的选择 嵌入式系统以其强大的功能、丰富的接口、灵活的配置等优势，已经成为了 现代控制领域的重要技术。嵌入式操作系统作为嵌入式系统的重要组成部分，负 责系统软硬件资源的的管理，其性能的好坏很大程度上决定了整个系统的性能。 在选择嵌入式操作系统的时候要考虑多方而的因素，主要考虑的因素有：操作系 统提供的开发工具、向硬件平台移植的难度、可配置性、对内存的要求以及开发 人员对操作系统和其a p i 的熟悉程度等。 目前，市场上的嵌入式操作系统比较丰富，主流的嵌入式操作系统主要有如 下几种： l 、v x w b r k s v x w b r k s 操作系统是由美国w i n d r i v e r 公司开发的一种嵌入式实时操作系 统，具有非常高的可靠性和非常良好的实时性，系统本身的开销小、支持多任务 以及完善的t c p i p 网络协议；同时，它还支持裁剪，其内核最小可达8 k b ，所 占用的空间非常小。但是，由于v x w o r k s 是收费的操作系统，价格非常昂贵， 所以它的开发和维护成本非常高。 2 、w i n d o w sc e w i n d o w sc e 是由微软开发的一个支持多线程、多任务和优先级的3 2 位嵌 入式操作系统。w i n d o w sc e 继承了w i n d o w s 的图像界面，可以使用w i n d o w s 上的编程工具和函数，具有灵活的电源管理和良好的通信功能，不仅如此，它还 支持嵌套中断，但其对硬件要求高而且是收费的。 3 、p a l mo s p a l mo s 是3 c o m 公司专门为掌上电脑开发的一种3 2 位嵌入式操作系统， 它的开放性极强，提供开放的应用程序接口，用户可自行开发所需的应用程序。 p a i mo s 占用的内存非常小，其数据是基于数据库的格式进行存储的，支持串口 通信和红外线传输，此外，p a l mo s 充分地考虑了节能和硬件资源问题，具有良 好的电源管理和合理的内存管理功能。 4 、q n x q n x 是由加拿大q s s l 公司开发的一种分布式实时操作系统，支持多任务、 多用户，其部分遵循p o s i x 相关标准，使其应用可以方便的进行移植。q n x 支 持多种c p u 和总线；提供多种资源管理器，能使多种文件系统同时运行；具有 非常小的内核，并且运行速度非常快；系统非常安伞，没有计算机病毒。 5 、嵌入式l i n u x 嵌入式l i n u x 是通过对标准的l i n u x 进行裁剪定制获得的，它最大的特点足 天津工业大学硕士学位论文 源代码开放并且遵循g p l 协议，用户可根据实际需要进行任意修改和裁剪。嵌 入式l i n u x 系统是一种多用户、多任务、稳定可靠、可移植性非常强的操作系统， 不仅支持丰富的硬件设备和文件系统，具有大量优秀的开发工具和技术文档，用 户模块可以动态加载和卸载，支持所有标准的网络协 义，而且它还是完全免费的。 从嵌入式操作系统的选择原则方面考虑，嵌入式l i n u x 系统与其他操作系统 相比，具有开发成本低、开发工具丰富、功能强大、可移植性强等特点，因此， 本系统采用嵌入式l i n u x 系统。 2 4 图形用户界面的选择 目前，基于嵌入式l i n u x 操作系统的图形用户界面软件比较丰富，主流的有 以下几种： l 、m i n i g u i m i n i g u i 是一款由国内开发的面向实时嵌入式系统的高级窗口系统和图形 用户界面支持系统。m i n i g u l 支持多种嵌入式操作系统、可伸缩性强，功能丰富 灵活，占用资源比较少，它的库所占的空间最小可以裁剪到5 0 0 k 左右，采用类 w i n d o w s 的界面风格。m i n i g u l 的不足之处在于对输入法的支持不好，图形操作 a p i 接口函数不够丰富。 2 、m i c r o w i n d o w s m i c m w i n d o w s 是一种开源的图形用户界面软件，可移植性非常好，具有自 己独特的帧缓冲机制。m i c r o w i n d o w s 支持多利，嵌入式操作系统，采用基于消息 机制的s e r 、，e f c l i e n t 传输机制，支持多种外部设备输入，提供了类似x w i n d o w s 的功能，而且占用内存少。m i c r o w i n d o w s 采用设备驱动层、图形引擎层和a p i 接口层的三层设计方法，实现了多种a p i ，允许改变不同层来适应实际应用的需 要。m i c r o w i n d o w s 的缺点在于它没有任何的硬件加速能力，图形引擎中也存在 一些低效的算法1 13 1 。 3 、o p e ng u i o p e ng u i 是基于l g p l 条款发布的，对于采用x 8 6 平台的实时操作系统非 常适合。o p e ng u i 可以支持q n x 和l i n u x 等多种操作系统，不过目前仅能够支 持x 8 6 硬件平台。o p e ng u l 支持消息驱动的a p i 、鼠标和键盘操作等，能够利 用帧缓冲机制和s v g a l i b 在l i n u x 上实现绘图功能。o p e ng u l 的内核是由汇编 语言完成的，并且采用m m x 指令对其进行优化处理，使得它的运行速度非常快。 但也正是因为它的内核采用汇编语言实现，它的跨平台的可移植性和可配置性都 比较差【1 4 】。 第_ 章系统总体结构设计 4 、q t e m b e d d e d q t 厄m b e d d e d 是由t r o l l t e c h 公司开发的一个专门为小型设备提供图形用户界 面的应用框架和窗口的工具包，它以原始q t 为基础，针对嵌入式环境做出了许 多的调整。q 仉! m b e d d e d 通过q t 的a p i 与l i n u x 的l o 直接交互，与q t ) ( 1 l 不 同的是，q t ，e m b e d d e d 采用胁m e b u f f e r 作为底层图形接口，在底层摒弃了x l i b ， 其应用程序直接操作应用缓冲区，不需要复杂的x l i b s e r v e r 系统i ”j 。 q 优! m b e d d e d 主要具有如下几个优点【1 8 】： ( 1 ) 采用面向对象的c + + 开发库，模块化程度高，可重用性较好。 ( 2 ) 跨平台能力非常强，支持w i n d o w s 、m a c o sx 、i i n u x 、h p u x 等多种 平台，无须针对不同的操作系统编写不同程序，只需将相同的代码针对不同的环 境进行编译，可移植性非常好。 ( 3 ) 采用可视化的开发工具q td e s i g n e r ，可以直接向项目中添加各种组件， 不需要逐步地编写代码，而- 日q td e s i g n e r 还包含全面丰富的帮助文档。 ( 5 ) 具有丰富的a p i 函数，大约有2 5 0 多个c + + 类；采用信号与插槽作为对 象间的通信机制，使得各个元件之间的协同工作变得简单：具有优秀的绘画功能 和2 d 3 d 图形渲染功能。 ( 6 ) 开发者可以根据所需的特性进行裁剪，去除不需的特性，q t e m b e d d e d 的映像通过裁剪最小可以达到7 0 k b 左右。 与其他图形界面软件相比，q t e m b e d d e d 具有可移植性好、a p l 函数丰富、 开发工具强大、执行效率高等特点，因此，本系统采用基于q t e m b e d d e d 的开源 代码的q t o p i a 作为图形界面开发软件，它是一个类似桌面系统的应用环境。 2 5 本章小结 本章首先介绍了振动信号采集分析系统的软硬件总体框架；然后通过对各种 主流嵌入式操作系统的特点的分析与比较，选择了嵌入式l i n u x 系统作为本系统 的操作系统；最后在这基础卜分析各种主流的图形界面软件，从执行效率、可移 植性、库的稳定性等方面考虑，最终采用基于q t e m b e d d e d 的q t o p i a 作为系统 图形界而的开发软件。 天津t 业大学硕士学位论文 i o 第三章系统硬件电路设计 第三章系统硬件电路设计 3 1a r m 主控模块设计 a r m 主控模块主要围绕a r m 核心处理器展开，根据核心处理器的特点设 计其外围接口电路，实现对振动信号的采集控制、数据的显示和分析处理、以及 与上位机的数据通信功能。该主控模块的主要外围电路包括s d r a m 接口电路、 f l a s h 接口电路、l c d 接口电路以及串口等通信接口电路。 3 1 1 核心处理器简介 a r m 主控模块的核心处理器选用的是三星的s 3 c 2 4 4 0 ，该处理器是基于 a r m 9 2 0 t 核的1 6 3 2 精简指令集( r i s c ) 微处理器，实现了m m u 、a m b a 总线 和哈佛结构的高速缓冲体系结构，具有独立的1 6 k b 指令高速缓存和1 6 k b 数据高 速缓存。s 3 c 2 4 4 0 采用低功耗、简单、精致及全静态设计，涵盖丰富的通用系统 外设，减少整体系统成本和无需配置额外的组件，其主要特性如下： ( 1 ) a r m 9 2 0 t 内核 ( 2 ) 8 个存储器b a n k ，每个b a n k1 2 8 m 字节 ( 3 ) 支持n a n df l a s h 和n o rf l a s h 双启动 ( 4 ) 支持s d r a m 自刷新和掉电模式 ( 5 ) 支持四种电源模式：普通、慢速、空闲和睡眠模式 ( 6 ) 一个支持4 k 色的s t n 和2 5 6 色t f t 的l c d 控制器 ( 7 ) 6 0 个中断源，其中2 4 个外部中断支持极性可调的电平和边沿模式 ( 8 ) 4 通道具有p w m 功能的l6 位定时器 ( 9 ) 具有日历功能的r t c ( 1 0 ) 1 3 0 个通用i o 接口 ( 1 1 ) 4 通道的d m a 控制器 ( 1 2 ) 3 通道基于d m a 或基于中断运行的u a l 玎 ( 1 3 ) 8 通道1 0 位的多路复用a d c ( 1 4 ) l 通道i i c 总线接口，支持标准模式和4 0 0 k b i 以的快速模式 ( 1 5 ) l 通道i i s 总线音频编码接口 ( 1 6 ) 2 通道u s b 主机接口和l 通道u s b 设备接口 ( 1 7 ) 2 通道s p i 接口和l 通道s d m m c 接口 天津工业大学硕i ：学位论文 3 1 2s d r a m 接口电路设计 s d r a m ( 同步动态随机存储器) 具有单位空间存储容量大、可以进行读写 操作以及价格便宜等优点，虽然它不具备掉电后保持数据的特点，但是它的存取 速度远快于f l a s h 存储器。通常，系统中程序的数据、堆栈区以及运行空问都是 在s d r a m 中。当系统启动时，c p u 首先会从复位地址o x o 处开始执行，完成 系统所需的初始化处理，然后再将程序代码调入s d r a m 中继续执行，以提高系 统的运行速度。s d r a m 需要定时刷新以避免数据的丢失，这样一来就要求系统 所选的处理器具备刷新控制逻辑或者是在系统中增加刷新控制逻辑的电路。由于 本系统采用的核心处理器具有独立的s d r a m 刷新控制逻辑，所以系统的 s d r a m 电路的设计不需太复杂。 本系统采用3 2 位6 4 m b 的s d r a m ，具体使用的是两片1 6 位2 5 6 m b i t s 的 s d r a m 芯片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 。h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 分成4 个b a n k ，每个b a n k 的容量 为l m 1 6 位。b a n k 的地址由b a l 和b a 0 决定，0 0 对应b a n k 0 、o l 对应b a n k l 、 1 0 对应b a n k 2 、l l 对应b a n k 3 。该两片s d r a m 芯片通过数据总线、地址总线 以及一些控制线与a r m 相连，s d r a m 接口电路如图3 1 所示。 图3 1s d r a m 接口电路 a r m 采用n g c s 6 片选两块s d r a m ，使用地址线a d d r 【2 4 ：2 5 】来选择 s d r a m 芯片的四个b a n k 。由于每地址对应1 6 b i t s ，共有4 m 地址范围，因此应 该需要2 2 位地址线，在寻址时2 2 位的地址是分两次( 行地址和列地址) 输入 s d i 认m 芯片的。当n s r a s 有效时，a d d r 【2 ：1 4 】输入的是行地址：而当n s c a s 有效时，a d d r 【2 ：1 4 】输入的是列地址。这样一来，寻址一个内存单元至少需要 第三章系统硬件电路设计 两个时钟周期，第一个为行地址的时钟周期，第二个为列地址的时钟周期，然后 才能找到对应内存单元。 a r m 的地址线是从a d d r 2 开始使用，而不是a d d r 0 开始使用。这是因 为该s d r a m 的一个地址单元对应3 2 位数据，即四个字节，而a d d r 【l ：0 】对应 着最低2 位地址，所以不需专门连接a d d r 1 ：o 】。同时，采用n w b e 3 ：0 】这四根 线区分一个3 2 位内存单元的四个字节。a r m 的数据线为3 2 位，其中d a t a 【1 5 ：0 】 连接第一块h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 芯片，d a t a 【3 l ：1 6 】连接第二块h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 芯片。 3 1 3f l a s h 接口电路设计 本系统采用双f l a s h 设计，由于n o rf l a s h 支持片内执行，应用程序可以直 接在该f l a s h 中运行，不需要先将其读入到系统的i 认m 中再运行，而且n o rf l a s h 读数据比较快，所以本系统采用n o rf l a s h 存储系统的引导程序u b o o t 。由于 n a n df l a s h 的写数据和擦除数据速度比较快，因此，采用n a n df i a s h 存储内 核以及文件系统。 n o rf l a s h 选用的是e n 2 9 l v l 6 0 b ，该芯片容量为2 m b ，具有2 0 根地址线 和1 6 位数据线，其擦除次数可以达到1 0 万次。该n o rf l a s h 接口电路如图3 2 所示。 d a t a f 0 3 l o a d d r l2 5 a d d r 22 4 a d i ) r 32 3 a d d r 42 2 a d d r 52 l a d d r 62 0 a d d r 7 a d n r 81 8 a i ) d r 98 a 【) i ) r 1 07 a d i ) r l l6 a d d r l 25 a d 【) r 1 34 a d d r l 43 a 1 ) i ) r 1 52 a d d r l 6l a d d r l 7 4 8 a d d r l 8 1 7 a d d r l 9 1 6 a d d r 2 09 a d d r 2 1 1 0 a d d r 2 2 1 3 1 5 4 7 2 7 a 0 a l a 2 a 3 a 4 a 5 a 6 a 7 a 8 a 9 a l o a i l a 1 2 a 1 3 a 1 4 a 1 5 a 1 6 a 1 7 a 1 8 u 1 5 d 0 d l d 2 d 3 d 4 d 5 d 6 d 7 d 8 d 9 d 1 0 d i l d 1 2 d 1 3 d 1 4 d 1 5 v d d a 1 9n o e a 2 0 ，n cn w e a 2 l n cn c e n i 峪t n c n cn w p n c v s sv s s e n 2 9 l v l 6 0 b 图3 2n o r f l a s h 接口电路 1 3 2 9 d a t a o 3 ld a t a l 3 3d a t a 2 3 5d a t a 3 3 8d a t a 4 4 0 d a t a 5 4 2d a t a 6 4 4 d a t a 7 3 0 d a t a 8 3 2d a t a 9 3 4d a t a l 0 3 6d a t a l l 3 9d a f l a l 2 4 ld a t a l 3 4 3d a t a l 4 4 5d a t a l 5 三l jv d d 3 v 3 2 8n o e l ln 、征 2 6n g c s 0 1 2n r e s e t 1 4 。_ _ _ 。_ _ _ 4 6 天津t 业人学硕 ：学位论文 a r m 采用n g c s o 作为n o rf l a s h 的片选信号，当a r m 从n o rf l a s h 启动 时将该f l a s h 定位在存储器的b a n k o ，a r m 直接运行存储其中的u b o o t 程序。 其中，系统采用n o rf l a s h 的字模式，即1 6 位，其b y t 脒引脚必须接高电平。 本系统的n a n df l a s h 选用三星的k 9 f 2 g 0 8 u o a 芯片，该芯片容量为 2 5 6 m b 、数据页为2 k b 。该n a n df l a s h 接口电路如图3 3 所示。 d a t a 肌3 l 卜、 1 1 1 6 r 8v d 【 、 d a t a 74 4 ；。辫 1 ，卜互 d a