（控制科学与工程专业论文）基于armlinux的油气性质分析仪初步设计与开发.pdf

k i j o p m e n to fo i l - g a sa n a l y s i s a r m l i n u x at h e s i ss u b m i t t e df o r t h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：z h a n gz o n g c h a o s u p e r v i s o r ：p r o f x i ab o k a i l e c b oy i n g c h u n c o l l e g eo f i n f o r m a t i o n & c o n t r o le n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 产 ；j 关于学位论文的独创性声明删y 1 黝8 7 5 8 91 够 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：邀壑垒坠 日期：弘j j 年彭月扣日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：毯宝丝 指导教师签名：奚) 驻 日期：) df j 年多月厶日 日期：j 年乡月0 日 争 ， 摘要 石油是重要的战略贮备资源，实施先进控制对于石油石化企业提高生产效率，提升 油品质量具有重要意义。油气性质分析仪表是实施闭环优化控制的关键技术之一。目前， 国外的油气性质分析仪表价格昂贵，所以，研制一款高性价比、适合国内石油样品的分 析仪表，对于先进控制在石油石化行业的广泛实施具有重要意义。 本文深入研究了油气性质分析仪的设计原理，并对其中的软件部分内容进行具体实 现。研究内容主要包括t 首先，在深入研究油气性质分析仪的基本原理的基础上，设计油气性质分析仪的总 体开发方案；给出了各模块的功能描述和相应的技术指标；提出了软、硬件的功能划分 及具体实现方法。 其次，对油气性质分析仪的部分功能进行了研发，包括l i n u x 开发环境的搭建、 m i n i g u i 环境的配置等开发平台的搭建；在此基础上，开发了信号输入输出模块、数据 处理模块、数据存储模块和触摸屏监控界面模块等油气性质分析仪的功能模块软件；同 时对油气性质分析仪的内、外部通信机制进行了深入研究，实现了g p i o 、r s 2 3 2 、u s b 等底层的通信驱动程序的开发。 最后，对油气性质分析仪的部分功能进行了模拟测试。利用y c 2 4 4 0 实验板模拟油 气性质分析仪硬件平台进行了开发环境的搭建测试以及数据采集、通信、g p i o 和u 盘 存储等功能模块的测试，为油气性质分析仪软硬件的进一步开发奠定了基础。 关键词：a r m l i n u x t 油气性质分析仪；模块化；m i n i g u i ；在线分析 j t 飞 j i 咚 j p r e l i m i n a r yd e s i g na n dd e v e l o p m e n to fo i l - g a sa n a l y s i s m e t e rb a s e do na 肼l i n u x z h a n gz o n g c h a o ( c o n t r o ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rx i ab o k a ia n dl e c t u r e rb oy i n g c h u n a b s t r a c t p e t r o l e u mi sa l li m p r o t a n ts t r a t e g i cr e s e r v er e s o u r c e i m p l e m e n t i n ga d v a n c e dc o n t r o li s s i g n i f i c a n tf o rp e t r o l e u ma n dp e t r o c h e m i c a le n t e r p r i s e si ni m p r o v i n gp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y a n do i lq u a l i t y g a s - o i la n a l y z e ri so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e si nc l o s e d - l o o po p t i m i z a t i o n c o n t r 0 1 c u r r e n t l y , g a s o i la n a l y z e r sf r o ma b r o a da r eq u i t cl l i g l li np r i c e s ot od e v e l o pak i n d o fa n a l y z e rt h a ti sc o s t - e f f e c t i v ea n ds u i t a b l ef o rd o m e s t i cp e t r o l e u mh a sg r e a ts i g n i f i c a n c ef o r b r o a d e ri m p l e m e n t a t i o no fa d v a n c e dc o n t r o li np e t r o l e u ma n dp e t r o c h e m i c a le n t e r p r i s e s t h i st h e s i ss t u d i e sd e s i g np r i n c i p l eo fg a s o i la n a l y z e ri n t e n s i v e l ya n da c c o m p l i s h e s c o n c r e t er e a l i z a t i o no fs o f t w a r ep a r t t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sc o n c l u d e ： f i r s t l y , o v e r a l ld e v e l o p m e n tp r o g r a m m eo fg a s - o i la n a l y z e ri sd e s i g n e do nt h eb a s i so f s t u d y i n gf u n d a m e n t a lp r i n c i p l e so ft h ea n a l y z e r f u n c t i o nd e s c r i p t i o na n dc o r r e s p o n d i n g t e c h n i c a li n d e x e so fe a c hm o d u l ea r eg i v e n f u n c t i o n a lp a r t i t i o n i n ga n di m p l e m e n t a t i o n m e t h o d so fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ea r er a i s e d s e c o n d l y , p a r tf u n c t i o n so fg a s - o i la n a l y z e ra r ed e v e l o p e dw h i c hi n c l u d ee s t a b l i s h m e n t o fl i n u xd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ta n dm i n i g u id e v e l o p m e n tp l a t f o r m o nt h i sb a s i s ，s i g n a l i n p u t o u t p u tm o d u l e ，d a t ap r o c e s s i n gm o d u l e ，d a t as t o r a g em o d u l e ，t o u c hs c r e e nc o n t r o l i n t e r f a c em o d u l ee t c o fo i l g a sa n a l y z e rf u n c t i o nm o d u l e sa r ed e v e l o p e d m e a n w h i l e ，i n t e r n a l a n de x t e r n a lc o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s mo ft h ea n a l y z e ri ss t u d i e d g p i o ，r s 2 3 2 ，u s ba n d o t h e rr o c k - b o t t o mc o m m u n i c a t i o nd r i v e rp r o g r a m m e sa r ed e v e l o p e d f i n a l l y , p a r tf u n c t i o n so fg a s - o i la n a l y z e ra r et e s t e d f u n c t i o nm o d u l e st e s ti n c l u d i n g d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tt e s t ，d a t aa c q u i s i t i o n ，c o m m u n i c a t i o n , g p i oa n du s b f l a s hd i s k s t o r a g et e s t se t c a l ed o n eb yu s i n gy c 2 4 4 0b r e a d b o a r dt os i m u l a t eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h e a n a l y z e r , w h i c hc a nl a yaf o u n d a t i o nf o rf u r t h e rd e v e l o p m e n to fs o f t a r ea n dh a r d w a r eo f g a s o i la n a l y z e r ： t v | 弩 j 一、 正 一 k e y w o r d s ：a r m l i n u x ；o i l g a sa n a l y s i sm e t e r ；m o d u l a r i z a t i o n ；m i n i g u i ；o n l i n e a n a l y s i s 1 1 1 、， j 目录 第1 章前言1 1 1 课题研究背景与意义l 1 2 油气性质分析仪的发展现状2 1 3 嵌入式系统简介3 1 4 本文的主要研究内容及结构安排4 第2 章油气性质分析仪的总体设计6 2 1 油气分析仪的特点及需求分析6 2 2 油气性质分析仪的总体框架6 2 2 1 油气性质分析仪的功能与技术指标设计7 2 2 2 油气性质分析仪的硬件结构8 2 2 3 硬件平台的选择9 2 2 4 油气性质分析仪的软件设计1 1 2 3 本章小结1 2 第3 章油气性质分析仪软件系统的详细设计1 3 3 1 信号输入输出模块1 3 3 1 1 控制信号输出1 3 3 1 2 数据采集模块1 3 3 2 数据存储模块1 4 3 2 1内部存储1 4 3 2 2 外部存储。1 4 3 3 数据处理模块与通信模块1 4 3 3 1 嵌入式操作系统的选择。1 4 3 3 2 基于模型的软测量模块。1 5 3 3 3 通信模块16 3 4l c d 触摸屏界面监控模块1 6 3 4 1 嵌入式g u i 简介1 6 3 4 2 油气分析仪开发界面g u i 的选择1 6 3 4 4l c d 触摸屏界面监控功能设计1 8 j 噜 、 _ 韩 j | 3 5 油气分析仪应用模块开发方案1 9 3 6 本章小结2 0 第4 章油气性质分析仪软件系统开发平台的建立2 1 4 1 交叉编译环境的建立2 1 4 2b o o t l o a d e r 移植。2 l 4 2 1b o o t l o a d e r 简介2 l 4 2 2u b o o t 的移植2 2 4 3l i n u x 内核的配置与移植2 3 4 4 根文件系统的制作2 5 4 5 本章小结2 6 第5 章油气性质分析仪的软件开发2 7 5 1 设备驱动程序的实现。2 7 5 1 1 设备驱动程序简介2 7 5 1 2a d 驱动程序的实现。3 0 5 1 3g p i o 驱动程序的实现3 4 5 1 4 串口及u s b 驱动实现一3 7 5 1 5 驱动程序的静态加载4 0 5 1 6 驱动程序m a k e f i l e 的实现4 1 5 2m i i l i c 町i 的配置4 1 5 2 1p c 端开发环境的建立4 1 5 2 2 交叉编译环境的建立4 3 5 3 界面监控与应用程序的实现4 6 5 3 1界面主窗口的创建4 6 5 3 2 界面菜单的实现4 8 5 3 3 数据存储与显示5 0 5 3 4 程序模块化5 2 5 3 5 定时器的使用5 3 5 4 软件系统的组态设计思想5 4 5 5 本章小结5 4 第6 章油气性质分析仪部分功能模拟测试5 5 v j 键 ， s 、 6 1油气性质分析仪运行环境测试5 5 6 2 数据采集测试。5 6 6 3 与p c 通信测试5 7 6 4g p i o 测试。5 8 6 5u 盘存储测试5 9 总结与展望6 1 参考文献6 2 致谢6 5 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题研究背景与意义 第1 章前言 石油是工业的血液，是国民经济的命脉，石油工业是国民经济的支柱产业，其发展 水平是衡量国家综合实力的重要标志。近年来，随着我国石油消费的不断增加，国际石 油价格的上涨以及国际石油公司的激烈竞争，国内各石油石化企业为提高企业竞争力， 纷纷采用了先进控制系统，它能够节省原材料，降低能耗，提高产品收率、产品质量和 设备的使用寿命，对生产过程进行有效地监测和控制，使生产过程处于最佳状态，实现 企业的安全、稳定生产。在先进控制系统中，过程分析仪表发挥着非常重要的作用，自 控专家f r i e d m a n 曾对美国实施先进控制的五家炼油厂效益分布进行调查，结果表明 先进控制有4 0 的效益取决于分析仪表是否稳定可靠1 1 1 。此外，在环境保护和监测中也 需要对工业废水中的有害物质进行在线或者离线分析检测，特别是石油工业污水中微量 石油含量的监测；日常生活中，随着大众对食品安全的要求越来越高，需要对食品、药 品等日用品实现快速的、在线的质量安全监测。这些检测都依赖于分析仪表的发展和应 用。 传统的石油分析仪表在处理器上采用的单片机性能较弱，且外围接口少，无法运算 较复杂的算法和执行并行处理的任务；在显示方式上采用的l e d 以及段式l c d ，只能 显示一些简单的图形，比如字母、汉字等，无法实现较复杂的美观友好的界面；在数据 存储方面采用的小容量e p r o m 和二进制方式数据存储，存储容量有限并不具有一般性； 在通讯方式上单纯采用的串口通信，具有组网距离短和开放性差的弱点；传统石油分析 仪表的这些劣势使现场中经常采用多个单片机共同运行的方式来提高系统性能，这大大 增加了分析仪表设计、研发和实现的难度。因此，采用高性能的3 2 位处理器来设计分 析仪表显得越来越必要。在软硬件资源不断成熟和完善的情况下，基于3 2 位处理器的 嵌入式系统由于其便利灵活、性价比高和嵌入性强的优势，已经在工业系统及信息家电、 自动化通信和军事领域等方面有着广泛的应用。将嵌入式操作系统移植到仪表系统开发 中，合理裁剪硬件和软件资源，以实现高集成度、小型化和智能化，使石油分析仪表除 了传统的测量、显示和计算功能外，还增加了信息处理、比较推理、故障诊断和自学习 自适应等功能，从而达到仪表独立工作的目的。此外j 在仪表开发中嵌入式系统网络技 术的运用将增加仪表的远程维护和控制、监控报警以及信息发布与共享等特殊功能。 第1 章前言 本课题正是基于这样一种背景，将嵌入式系统技术运用到仪表研发中，并综合近红 外光谱技术、光电转换技术和模型分析仪技术，设计一款石油分析仪表，以提升国内石 油工业中的仪器仪表检测水平。 1 2 油气性质分析仪的发展现状 油气性质分析仪是一种对石油石化生产、加工和销售过程中原料、中间产品以及最 终产品的质量进行离线和在线检测的仪器，它以优化生产、控制产品质量为目的，具有 测量精度高、稳定性好、可靠性强等特点。将油气性质分析仪进行模型算法的改进，还 可用于多相流检测、食品安全检测和环境保护等方面的物质含量检测。 用于油气分析检测的方法很多，主要的方法有：色谱法、光谱法、微库仑法1 2 1 。除 了上述方法之外，根据石油石化产品物理和化学性质进行测试的传统方法也在继续应 用与改进中，如分光光度法和示波极谱法在石化产品分析中仍发挥着重要作用。质谱法 和核磁共振法在石化分析中一般很少单独使用，质谱法与色谱法联用较多。 由于光谱法测量技术不需要对分析样品进行预处理，在分析过程中不消耗其它材料 和损坏样品，具有分析速度快、重现性好、成本低的优点，因此，在近些年的石油性质 分析仪表中得到了广泛应用。其原理是通过已知样品的光谱与组成或性质关系进行关 联，用多元校正方法建立校正模型，从而根据模型和未知样品的光谱对未知样品的组成 或性质进行预测【3 1 。 国外油气性质分析仪中，比较典型的是美国德威尔公司生产的手持式可燃油气分析 仪，它可预编程1 1 种物质，能够对天然气、城市煤气、轻油、重油、丁烷和丙烷等石 油产品进行测量并计算出所有参数，同时显示8 路数据，并有相应的历史记录功能，可 以通过r s 2 3 2 接口输出到打印机或者p c 。此外，德国元素公司、美国克勒公司也都有 相应的石油液体烃类等分析仪产品。国内油气性质分析仪的研究中，中石油勘探开发研 究院和上海三科仪器有限公司基于荧光光谱代表所含芳烃物质化学成分的不同，合作研 发的o f a 系列的石油荧光分析仪，可以检测轻质油、凝析油、煤成油等多种石油产品 并能够对原油样品进行二维荧光光谱全貌的反应；甘肃工业大学利用红外分光原理对石 油产品的酸值大小进行在线监测，研发出石油酸度分析仪，并投入现场应用；石油化工 科学研究院的陆婉珍院士及其团队基于近红外光谱技术研制出汽油辛烷值光谱分析仪、 聚丙烯专用分析仪，在兰州炼油厂联合重整装置上进行了工业实验，取得良好效果；大 连特安技术有限公司、北京北斗星工业化学研究所推出了一系列商业化石油分析仪产 2 、 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 品，包括气体和液化天然气、炼厂气分析仪、石脑油和汽油组成分析仪以及中、重馏分 分析仪。 经过对国内外油气性质分析仪性能和功能以及价格的了解和分析得知，国外油气分 析仪表在性能稳定性、测量精度上较有优势，而国内油气分析仪表最大的优点是价位较 低，售后服务方便。综合国内外油气分析仪表，都有着一定的不足：处理能力有限，需 要借助于计算机进行分析；不能实现现场分析：不具备远程监控以及强大网络功能；测 量适应性较差，检测样本改变，就需要重新设计开发；图形界面不够美观，体积较大。 1 3 嵌入式系统简介 国际电气和电子工程师协会( i e e e ) 将嵌入式系统 4 1 定义为“d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ， m o n i t o r , o ra s s i s tt h eo p e r a t i o no fe q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s ，即“控制、监视或者辅 助设备、机器和车间运行的装置 。当前，大家普遍认可的定义是：以计算机技术为基 础，应用为目的，可裁剪软硬件的专用计算机系统，对功能、成本、体积、功耗、可靠 性有严格要求。嵌入式系统一般用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功斛5 】【6 】， 由以下4 部分组成：嵌入式微处理器、嵌入式操作系统、外围硬件设备和用户应用程序。 伴随网络技术和通信技术的高速发展，嵌入式技术已在科学研究、工程设计、军事国防、 网络设备、消费电子等领域得到了广泛应用，成为后p c 时代领域发展的主力军。 面向专业领域、应用于特定环境下的嵌入式系统与通用计算机系统相比【7 】，具有如 下特点： ( 1 ) 嵌入式系统的c p u 功能强大，集成了很多外围设备的功能，具有体积小、功耗 和成本低、实时性好以及集成度高等优点，并对网络技术有很好的支持。 ( 2 ) 嵌入式系统是一个技术密集、高度分散和不断创新的知识集成系统，集合了计 算机、微电子以及半导体等先进技术，硬件和软件的高效率设计将应用成本最大限度的 降低，从而在市场中具有更强的竞争力。 ( 3 ) 嵌入式系统为提高处理速度和保证可靠性，一般将软件程序固化在具体的存储 器件中，从而升级换代是和具体产品同步进行的，生命周期较长。另外，形成产品之后 用户也不能对其中的功能及程序进行改动。 嵌入式系统的开发一般由需求分析、体系结构设计、硬件和软件设计、系统集成以 及代码固化共5 个阶段组成。系统需求分析包括输入输出信号、操作模式等功能需求和 系统性能、成本和功耗等非功能需求分析；体系结构设计是对系统所述的需求分析进行 3 l 第1 章前言 实现，主要是系统硬件和软件功能的划分以及对系统硬件、软件和处理器、操作系统的 选型等；体系结构设计之后是对系统硬件和软件的详细设计，软件程序的质量对系统开 发起着重要作用；系统集成是将系统的硬件和软件一起进行相应功能调试，发现错误不 足进行改进的过程；代码固化是在嵌入式软件开发完成后，将程序代码在目标环境的 f l a s h 中进行固化。嵌入式系统本身不具备自主开发能力，软件以宿主机目标机模式进 行开发【8 j ，所需要的开发环境为交叉编译环境。 从单片机的出现到今天各种嵌入式处理器、微控制器的广泛应用，嵌入式系统的应 用可以追溯到2 0 世纪6 0 年代中期。嵌入式系统的发展历程，大致经历了无操作系统、 简单操作系统、实时操作系统和面向i n t e r n e t 四个阶段。在市场和技术进步的双重推动 下，未来嵌入式系统的发展朝着以下趋势：联网、小尺寸、低功耗和低成本、提供精巧 的多媒体人机界面和无所不在的智能。 就本课题进行的基于a n n 1 i n u x 的油气性质分析仪的嵌入式系统开发具体包括如下 七项内容： ( 1 ) 选择适合油气性质分析仪需求的目标硬件系统。 ( 2 ) 建立油气分析仪的交叉编译环境。 ( 3 ) 开发或者移植系统的引导程序b o o t l o a d e r 。 ( 4 ) 移植l i n u x 内核。 ( 5 ) 开发适合油气性质分析仪的根文件系统。 ( 6 ) 开发与油气性质分析仪相关硬件的驱动程序。 ( 7 ) 开发上层的油气性质分析仪应用程序。 1 4 本文的主要研究内容及结构安排 本文针对石油工业先进控制系统应用中对高性能检测分析仪表的需求，进行油气性 质分析仪的设计与开发，完成油气性质分析仪的总体设计和详细设计方案，并根据方案 进行软件设计的一系列具体实现。 本文分6 章对研究内容进行了论述，具体安排如下： 第1 章主要讲述油气性质分析仪的研发背景及发展现状，阐述嵌入式系统的相关知 识，并对本课题研究内容和论文安排做了介绍。 第2 章主要对油气性质分析仪进行了总体设计，进行需求分析和技术指标设计等， 介绍了油气性质分析仪的硬件结构和软件设计方法。 4 、 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第3 章是继第二章油气性质分析仪总体设计之后的详细设计，对信号输入输出模块、 数据存储模块、数据处理模块和界面监控模块以及油气性质分析仪应用模块的开发方案 进行了阐述。 第4 章进行油气性质分析仪系统开发平台的搭建，分为交叉编译环境、引导加载程 序、内核移植和根文件系统这几个方面。 第5 章主要讲述了油气性质分析仪软件的具体实现，设计开发了相关驱动程序，对 m i n i g u i 进行了配置，开发了界面监控软件和人机交互界面，并进一步提出了软件组态 设计的思想。 第6 章是利用y c 2 4 4 0 实验板对油气性质分析仪的部分功能进行模拟测试，包括开 发环境平台的搭建测试以及数据采集、通信、g p i o 和u 盘存储功能模块的测试。 5 第2 章油气性质分析仪的总体设计 第2 章油气性质分析仪的总体设计 2 1油气分析仪的特点及需求分析 油气性质分析仪是基于光谱技术、光电转换技术、电子电路技术、嵌入式技术和模 型分析技术于一体的智能分析检测仪表，与传统仪表相比，它具有测量过程可由软件控 制、对测量数据进行存储和运算的数据处理、多样化功能和强大的通信能力等特点嘲。 从提高我国油气性质分析仪的开发和研究水平角度出发，不仅要实现油气性质分析 仪的一些基本功能，而且还要在仪表的智能化、网络化、可靠性以及数据存储和运算处 理能力等方面有所提高和创新，以实现油气性质分析仪的功能不断升级更新。基于以上 考虑，我们对油气性质分析仪所要实现的功能做出如下设计： 1 所测油气物质含量的实时显示和动态曲线显示； 2 对所测数据进行分析处理和数字滤波； 3 运行较复杂的算法和并行处理任务； 4 具有大容量数据存储和u 盘存储，实现数据的掉电保护。 5 方便的人机交互接口，友好的菜单操作界面。 6 具有开放性的以太网通讯接口、u s b 接口、串口通信接口。 7 运用合适的通讯协议，可进行设备问通信和远程控制。 2 2 油气性质分析仪的总体框架 油气性质分析仪原理是利用光源透射现场探测器，由光电检测器件进行接收经过样 品池的光线，经过光电转换为电信号进行光谱分析处理，根据现场探测器内物质对光谱 的吸收，经过对比分析，得出油气物质浓度。其基本结构与一般光谱仪器一样，都是由 光源系统、分光系统、样品室、检测器、控制和数据处理系统及记录显示系统组成。 6 一 ! 里互垫奎兰! 兰查! 堡主堂垡堡奎 f f p c 机”j f ； l 。p 栩i ll1 n 掣“j l 油气分析仪光路系统 ，、 蕃 i l 擎2 “21 - t 4 赢i l9 一巴习一_ 0 仁冷 。 ?lla r lji l v 。 i l外围设备 ! l。 一口j m l 厶业壮晕峪制墨广，_ n i 瑟， ，茹 拳墨： 远传显示 图2 - 1 油气性质分析仪原理框图 f i 9 2 1o i l - g a sa n a l y s i sm e t e rb l o c kd i a g r a m 2 2 1油气性质分析仪的功能与技术指标设计 根据前面章节油气性质分析仪的总体设计和需求分析可知，油气性质分析仪主要实 现油气组成物质含量的在线检测、处理和显示等功能，主要由以下功能模块组成：初始 化、自检、时钟、信号输入输出、数据存储和处理、人机交互、l c d 界面监控、通信。 l 初始化。实现油气性质分析仪微处理器芯片功能寄存器初始化、外围设备初始化、 全局变量与模块初始化等一系列的初始化功能，为仪表系统建立一个确定的初始状态。 2 自检。完成对油气性质分析仪的硬件检查，以便发现存在的错误故障。 3 时钟。为油气性质分析仪完成时钟的设置和运行，为系统提供时间数据，分为硬 件时钟和软件时钟两种实现方法。 4 信号输入和输出。油气性质分析仪输出相应硬件控制信号和实现外部数据的信号 采集。 5 数据存储和处理。将油气性质分析仪的数据进行存储以及采用基于模型的软测量 方法进行处理，以便系统调用或者分析决策。 6 人机交互。油气性质分析仪接收人工输入的信息，并按输入信息实现相应操作。 7l c d 界面监控。实现油气性质分析仪的实时数据监控，以便采取恰当的控制策略。 8 通信。油气性质分析仪与p c 机等其他设备的传输和交换数据信息。 由于油气性质分析仪是一款用于现场分析的仪表，根据工作环境条件和功耗等方面 的具体考虑，在设计过程中提出了以下主要技术指标： ( 1 )工作环境温度：2 0 一5 0 7 第2 章油气性质分析仪的总体设计 ( 2 )工作环境相对湿度：5 删5 ( 3 ) 工作环境大气压力：8 6 k p a - - 1 0 6 k p a ( 4 ) 测量误差：1 ( 5 ) 供电：1 2 v ( 6 ) 系统的软件可移植性强，具备升级功能 ( 7 ) 系统看门狗防死机 2 2 2 油气性质分析仪的硬件结构 人机接口 图2 - 2 油气分析仪硬件结构框图 f i 9 2 - 2o i b g a sa n a l y s i sm e t e rh a r d w a r eb l o c kd i a g r a m 本课题所设计的油气性质分析仪硬件电路结构主要由以下5 个部分组成： 1 光路装置 实现油气性质分析仪测量所需光源，由发光光源、准直系统、滤光装置组成。光路 装置对机械设计要求较高。 2 光电转换 接受光源发射并通过检测池的光线将其转换为电信号，以进行数据采集和处理，常 用光电转换器件有光电探测器件和热电探测器件以及高精度光电图像传感器c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) ，本系统所用光电转换器件为c c d 。 3 硬件平台 硬件平台是光电转换信号参数采集模块、输入设备和输出设备的纽带，并且它还提 供各种硬件接口，比如通信所用的网络接口等。油气性质分析仪可以基于单片机、p c i 0 4 标准计算机或者a r m 平台进行设计开发，在进行平台选择时，需要考虑系统需求和实 8 位论文 4 人机接口 油气性质分析仪为方便操作、节约成本，选用带有触摸屏的l c d 作为人机交换的 输入设备和输出设备。 5 通信接口 油气分析仪需要和p c 机以及其它设备进行通信，有时需要将现场数据通过网络进 行远传等，这就要求其需要常用的通信接口，比如串行通信接口、以太网通信接口等。 2 2 3 硬件平台的选择 本课题所设计的是一个用于油气性质分析的嵌入式系统仪表，目前，嵌入式处理器 种类繁多，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 等系列使用最为广泛。结合油 气性质分析仪的应用背景，并综合价格、性能、功能、设计支持和开发工具的支持等因 素，最终选择基于a r m 9 2 0 t 处理器的三星$ 3 c 2 4 4 0 作为硬件平台。 采用r i s c 架构的a r m 微处理器的特点体现在以下几个方面【1 0 l ：小体积、低功耗、 低成本和高性能；大量的寄存器被使用、更快的指令执行速度和固定的指令长度；兼容 t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集的同时，支持8 位1 6 位器件；简单灵活的寻 址方式、寄存器中完成数据操作和执行指令效率高d i l l l 2 】。 $ 3 c 2 4 4 0 是三星公司推出的1 6 3 2 位r i s c 处理器，主要面向高性价比、低功耗的 手持设备应用。$ 3 c 2 4 4 0 有$ 3 c 2 4 4 0 x 和$ 3 c 2 4 4 0 a 两个型号，a 型是x 型的改进型， 具有更好的性能和更低的功耗。 9 1 0 位论文 ( 8 ) 3 通道u a r t ： ( 9 ) 8 通道的1 0 位a d c ； ( 1 0 ) 2 个u s b 主机接口，1 个u s b 设备接口； ( 1 1 ) s d 接口和m m c 卡接口； ( 1 2 ) 触摸屏接口； ( 1 3 ) 看门狗计数器； ( 1 4 ) 1 3 0 个通用i o 口和2 4 位外部中断源。 由于$ 3 c 2 4 4 0 的丰富资源和强大功能，大大减少了油气性质分析仪的设计难度，3 2 位的处理器可以进行复杂的数据处理，自带a d 和触摸屏接口等，为外围设备的扩展及 人机界面的开发提供了方便。 2 2 4 油气性质分析仪的软件设计 油气性质分析仪的软件系统主要是用于完成系统逻辑，但不同的软件系统在实现方 式和开发系统选择上有所差异。实际情况中，由于用户对油气分析仪的功能需求不断增 加，相应的软件系统也就需要随之更新，因此，系统地探讨油气分析仪的软件实现框架， 具有重要意义。 基于单片机的软件在设计开发时不可避免的要对硬件进行直接操作，繁琐的硬件使 用配置及操作说明使软件设计变得困难重重。而如果将嵌入式操作系统运用到油气性质 分析仪的软件开发中，可以将大多数硬件相关的细节转移到操作系统中，从而使软件系 统只处理油气分析仪本身的工作，不必考虑硬件的具体内容和操作。此外，嵌入式操作 系统还具有编程接口统一的优势，开发成熟的软件可以方便的在不同硬件标准平台上进 行移植，比如可以将a r m 平台上的软件系统运行在基于p c i 0 4 标准的硬件平台上。 油气分析仪软件系统的设计中不可避免的还要实现图形界面的开发，自己编写图形 库和软件界面所需的工作量非常大，因此，采用成熟的g u i 平台来实现界面的操作成为 一种理想的选择。当前，可供选择的g u i 较多，具有适应不同硬件平台的可移植性【1 3 】。 综上所述，将嵌入式操作系统和图形界面开发系统运用到油气性质分析仪的软件设 计开发中。根据油气性质分析仪的功能需求分析，对软件进行如下设计： 2 3 本章小结 以 太 网 图2 4 油气分析仪软件设计框图 f i 9 2 - 4o i l - g a sa n a l y s i sm e t e rs o f t w a r ed e s i g n l c d 触摸屏界面监控 星 的 选 择 界 面 功 能 设 计 本章讲述了油气性质分析仪的总体设计，根据油气性质分析仪的特点和需求分析， 提出了它的功能模块和技术指标，然后对油气性质分析仪的硬件结构做了简单介绍，最 后提出了将嵌入式操作系统引入油气分析仪软件设计的思想，给出了软件设计具体框 图。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第3 章油气性质分析仪软件系统的详细设计 3 1 信号输入输出模块 3 1 1 控制信号输出 油气性质分析仪中的光电检测器件c c d 需要工作时钟，光路系统中的光源装置需 要对其进行开启或者关闭操作，以及其他需要控制的装置都需要系统发出控制信号对其 控制，以便油气性质分析仪更好的工作。这就需要油气性质分析仪通过软件进行设置， 产生所需控制信号，具体包括以下两方面的内容： l 油气性质分析仪中外围设备工作时的时序信号 $ 3 c 2 4 4 0 工作频率很高，主频可达4 0 0 m h z ，对其进行分频处理，完全可以满足各 类外围器件的工作时序要求。并且其中定时器有p w m 功能，有和其它功能共用的输出 引脚，通过设置，可以用定时器来控制引脚周期性的高、低电平变化以及占空比、死区 时间。通过软件对定时器寄存器的设置，可以产生所需外围设备的工作时序。 由$ 3 c 2 4 4 0 a 的技术手册，s 3 c 2 4 4 0 a 内部定时器模块简介【1 0 l 如下： $ 3 c 2 4 4 0 a 共有5 个1 6 位的定时器，定时器0 、l 、2 、3 都带有脉冲宽度调制功能 ( p w m ) ；每个定时器都有一个比较缓存寄存器( t c m p b ) 和一个计数缓存寄存器 ( t c n t a ) ；定时器0 、1 共享一个时钟分频器，定时器2 、3 、4 共享另一个时钟分频器， 时钟分频器都能产生5 种不同的分频信号值：两个8 位的预分频器是可编程的，且根据 装载的值来对p c l k 进行分频，预分频器和时钟钟分频器的值分别存储在定时器配置寄 存器t c f g 0 和t c f g l 中；有一个t c o n 控制寄存器控制着所有定时器的属性和状态。 2 油气性质分析仪外围设备开关操作的电平信号 油气性质分析仪系统需要发出高低电平信号对外围设备进行开启或者关闭，这就需 要系统根据需求输出电平信号，开关电平信号的输出可由通用i o 口实现。 s 3 c 2 4 4 0 有1 3 0 个i o 端口，分为a o 共9 组：g p a 、g p b 、g p j 。可以通过 设置寄存器来确定某个引脚用于输入、输出或者其他特殊功能。对于输出，可以通过写 入某个寄存器来让这个引脚输出高电平或者低电平，从而实现开关控制信号的输出。 3 1 2 数据采集模块 油气性质分析仪的数据采集模块用来接收由光电转换器件进行光电转换之后的电 信号，并对数据进行前期处理。在硬件结构上，由于$ 3 c 2 4 4 0 自带的1 0 位a d ，省去 1 3 并且由于a d 采集信号与 触摸屏信号共用a d 控制寄存器，所以，需要进行相应的互锁机制，来解决触摸屏与 a d 信号的共享与冲突。数据采集模块的设计主要包括采样时间和采样模式( 单次采样 或者连续采样) 的设计。 3 2 数据存储模块 3 2 1内部存储 油气性质分析仪在运行过程中不可避免的要进行数据存储，以方便进一步的数据处 理或供用户历史记录调用。y c 2 4 4 0 实验板自带6 4 m 的n a n d - f l a s h ，油气性质分析仪嵌 入式文件系统包括引导驱动程序b o o t l o a d e r 和l i n u x 内核等需要