（测试计量技术及仪器专业论文）基于armlinux的喷油泵测试试验系统的设计.pdf

摘要 基于a r m l i n u x 的喷油泵测试试验系统的设计 作者简介：韩东波，男，1 9 8 1 年0 9 月生，师从成都理工大学曾兵副教授， 2 0 0 8 年0 6 月毕业于成都理工大学测试计量技术及仪器专业，获得工学硕士学位。 摘要 发动机的燃油系统是发动机的关键部分，直接影响着发动机的动力性能、经 济性能和使用性能，其中喷油泵是该系统中至关重要的部件，是燃油系统的核心， 而喷油泵试验台是检测和调整发动机喷油泵所必需的关键设备。 喷油泵实验系统被广泛应用在教学、科研及生产部门，成为我国喷油泵研究 与制造水平的关键。传统的实验系统多属于简单机电式的，效率和自动化程度较 低。近年来出现的一些实验系统结合了现代计算机技术，在性能和功能上有所增 强，但在硬件和软件方面还存在着结构复杂，可靠性、稳定性差等问题，且此类 系统通常只能在实验室进行研究，难以实时的在现场进行检测，难以方便的应用 于工业生产、维修的厂况，也不能满足科学研究及生产制造等方面的要求。 本论文将喷油泵实验系统与计算机及嵌入式技术有机结合起来，充分发挥嵌 入式系统实时性强、功能专一的特点，研制了一种基于a i 蝴l i n u x 的喷油泵实 验系统。系统采用s a m s u n g 公司性价比较高的a r m 9 芯片s 3 c 2 4 1 0 a 为硬件核 心，移植嵌入式“n u x 作为操作系统，编写应用程序，开发了友好的人机交互界 面，具有体积小、重量轻、功耗低、操作简单、可靠性高等特点，对于我国的教 学、科研及工业生产具有重大意义。 文中首先简要介绍了喷油泵实验系统的发展现状、嵌入式系统的基本定义以 及本课题所要研究的内容和意义，然后在对系统的需求进行分析的基础上，给出 了系统的总体方案设计，并进一步分块探讨了：系统的硬件设计；系统软件设计 ( 详细阐述了将嵌入式l i n u x 操作系统移植到a i 洲微处理器s 3 c 2 4 1 0 a 上的过 程) ；应用程序设计。最后对本文所丌发的实验系统进行了调试并对后续工作做 了展望。结果证明，此喷油泵实验系统运行稳定，性能可靠，能够方便快速的应 用于教学实验、科学研究以及生产实践中，是性能优良的喷油泵实验系统。 关键词：喷油泵实验系统；嵌入式系统；a r m ；l i n u x 操作系统 d e s i g no f t h ef u e lp u m pt e s t i n gs y s t e mb a s e do na r m - l i n u x i n t r o d u c t i o no ft h ea u t h o r ：h a nd o n 曲o ，m a l e ，w a sb o mi ns e p t e m b e r ，l 9 81 w h o s et u t o rw a sp r o f e s s o rz e n 曲i n g h e 斟a d u a t e df r o mc h e n g d uu n i v e r s i t y o f t e c l l n o l o g yi nt e s ta n dm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yi n s t r u m e n tm 匈o r a n d w a sg r a n t e d t h em a s t e rd e g r e ei nj u n e ，2 0 0 8 a b s t r c t f u e lo i ls y s t e m ，d i r e c t l ya 仃e c t i n gt h ep o w e r ，e c o n o m i ca n d s e r v i c ep e r f o m a n c e o f t h ee n g i n e ，i st h ek e yc o m p o n e n to fi t a st h ec o r eo ff u e lo i ls y s t e m ，o i lv a p o r p u m p i se s s e n t i a l t h et e s tb e di st h ei m p o r t a n te q u i p m e n to fd e t e c t i n ga n d a d j u s t i n gt h eo i l v a p o r ”m po f t h ee n g l n e t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mo fo i lv a p o rp u m ph a sb e e nw i d e l yu s e di ne d u c a t l o n ， s c i e m i f i cr e s e a r c ha i l dp r o d u c t i o nd e p a n m e n t i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l em t h es t u d y a n dm a m l f i a c t u r eo fo i lv a p o rp u m p m o s tt r a d i t i o n a le x p e r i m e n t a ls y s t e m 1 ss l m p l e e l e c t r o m e c h a n i c a lw i t h1 0 we m c i e n c ya n dd e g r e e o fa u t o m a t l o n c o m b m l n gw l t h m o d e mc o m p u t e rt e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r s ，s o m ee x p e r i m e n t a ls y s t e m sh a v eb e e n i m p r o v e di np e r f o m l a n c ea n dm n c t i o n h o w e v e r ，t h e ys t i l lh a v es u c h d i s a d v a n t a g e sa s c o m p l e xc o n s t m c t i o n ，b a dr e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yi nr e s p e c t o f h a r d w a r ea n ds o n w a r e s u c hk i n do fs y s t e m sc o u l do n l yb es t u d i e di nl a b t h e yc a nn e i t h e r b e 印p l l e dm r e a l t i m ed e t e c tn o rm a n u f a c t u r i n gp r o d u c t i o no rm a i n t e n a n c e t h e r e f o r e ，t h e y c a nn o t m e e tt h ed e m a n d so fs c i e n t m cr e s e a r c ha n dm a n u t a c t u r e c o m b i n i n gt h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m o fo i lv a p o rp u m pw l t hc o m p u t e ra n d e m b e d d e d t y p et e c h n 0 1 0 9 y ，c h a r a c t e r i s t i c s s u c ha ss t r o n gr e a lt i m ea n ds p e c l a lt u n c u o n o fe m b e d d e ds y s t e ma r ee x e r t e d t h ep a p e rd e v e l o p so n ee x p e r l m e n t a ls y s t e mo t o 儿 v a p o rp u m pw h i c h i sb a s e do na r m l i n u x w i t ha r m 9c h i p ( s 3 s c 2 4 1o a ) w i t hg o o d c o s tp e 墒姗a n c eo fs a m s u n gc o m p a n ya sh a r d c o r ea i l de m b e d d e d 。t y p el i m l xa st h e o p e r a t i n gs y s t e m ，t h es y s t e md e v e l o p s t h e衔e n d l yh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t l o n i n t e r f a c ew i t ht h ea p p l i c a t i o np r o g r a m t h es y s t e mf e a n l r e sw i t hs m a l ls i z e ，l i g h t w e i g h t ，l o wp o w e rc o n s 啪p t i o n ，s i m p l eo p e r a t i o n ，9 0 0 dr e l i a b i l i t ya n d s oo n i tl so t 疆e a ts i r n i f i c a n c et oe d u c a t i o n ，s c i e n t i f i cr e s e a r c ha n dm a n u t a c t l l r l n g1 n d u s n y f i r s t ，t h ep a p e rb r i e n yi n t r o d u c e st h ec u r r e n t s i t u a t i o no fd e v e l o p m e n to f 。t h e e x p 耐m e n t a ls y s t e mo fo i lv a p o rp u m p ，如n d a m e n t a ld e f i n i t i o no f e m b e d d e ds y s t e m ， c o n t e n ta n ds i g n i f i c a l l c eo f r e s e a r c hp r o j e c t s e c o n d ，o nt h e b a s eo f a n a l y s l so ts y s t 锄s i i d e m a n d ，簖n e r a lt e n t a t i v ed e s i g i li sp u tf o 刑a r d t h ep a p e rm a k e sad i s c u s s l o nb y b l o c k i n gp a n “i o na sf o l l o w s ：h a r d w a r ed e s i g n ；s o r w a r ed e s i g n 习e t a i l e dd e s c n p t l o n o ft h e p r o c e s s o f p l a j l t i n g t h e l i n u x o p e r a t i n g s y s t e m i n t oa r m m i c r o p r o c e s s o r ( s 3 c 2 4 1 0 a ) ；a p p l i c a t i o np r o g r a md e s i g n f i n a l l y ，t h ee x p e n m e n t a l s v s t e mw h i c hh a sb e e nd e v e l o p e di sd e b u g g e d t h e a u t h o rl o o k sf b r w a r dt of o u o w 。u p w o r k i tp r o v e st h a tt h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mo f o i lv a p o rp u m p ，f e a t u r m gw l t hs t a b l l l t y a n dr e l i a b i l i t y ，c a nb ea d v a n t a g e o u s l ya n dr a p i d l ya p p l i e di ne d u c a t i o n a le x p e r l m e n t ， s c i e n t i f i cr e s e a r c ha n dm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y i t sd e f i n i t e l ya ne x p e n m e n t a ls y s t e m o 士 o i lv 印o rp u m pw i t he x c e u e n tp e 墒m a n c e k e y w o r d ：e x p e r i m e n t a ls y s t e mo fo i lv a p o rp u m p ；e m b e d d e d c o m p u t e rs y s t e m ；a 刚； l i n u xo p e r a t i n gs y s t e m i i i 独创性! 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛壑型至太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 韩专。 i 文伊譬年夕月 o l 乡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛都理工太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛都理王太堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：蕈争暮i 吱 学位论文作者导师签名：、普乓 文叼罗年 了 月 上6 日 第l 章引言 1 1 选题依据 第1 章引言 喷油泵是发动机燃油喷射系统中燃油的控制、供给单元，是柴油机的“心脏”， 其性能的好坏直接决定着柴油机的动力性、经济性，准确测试喷油泵的各种技术 参数对提高发动机的各项技术性能具有十分重要的意义。 喷油泵试验系统作为测试、调整喷油泵泵油参数的专用设备，在喷油泵的制 造与维修中发挥着重要的作用，广泛应用于发动机生产企业、维修企业和发动机 供油系统的研发单位心1 。 随着发动机节能和环保要求的不断提高，对喷油泵的工作质量提出了较高的 要求，因此油泵油嘴技术在不断改进，喷油泵制造厂家和维修行业对喷油泵试验 系统的技术要求也越来越高，致使喷油泵试验台技术不断的在自动量油和智能化 控制方面进行更新。但目前国内喷油泵试验台的量油系统仍采用传统的量筒式计 量法，该测量系统存在量筒的制造误差、刻度误差和测量人员的视觉误差等，使 测量系统的系统误差较大、自动化程度低、测量过程缓慢，已不能满足现代喷油 泵检测对其性能的要求。 随着电子技术和计算机技术的发展和普遍应用，用现代电测技术对喷油泵试 验台的量油系统进行智能化自动测量已成为发展主流。近年来市场上出现的一些 实验台，结合了现代计算机技术，在性能和功能上都有所增强，但从研究、设计 的角度看，它们的实际应用性显得不足，很难实现将实验由实验室搬到现场工况， 不能满足企业的实际需求，这些实验台基本上是基于p c 机的系统( 以下简称 p c 咄a s e 系统) ，或者是以单片机为核心的，从整体上看，存在以下几方面问题。： 成本方面：p c _ b a s e 系统需要工业计算机的捆绑，造成硬件资源的浪费 和成本的提高。 功耗方面：p c _ b a s e 系统一般功耗较高； 硬件可靠性方面：p c - b a s e 系统是一种通用系统，相对于专用系统，其 结构复杂，整体的可靠性较低； 软件可靠性方面：p c b a s e 系统使用桌面操作系统，相对于专用操作系 统，其过于庞大和累赘，且不够稳定，不适于要求较高的工业用途； 基于单片机的试验系统，功能相对简单，智能化程度不高，界面简单， 系统功能难以扩展。 所有这些都制约了我国喷油泵的研制质量及生产维修水平，针对以上喷油泵 成都理j ：大学硕士学位论文 试验台存在的问题，在工作中丌发了一种全新的不同于传统的喷油泵测试试验系 统，在这种情况下，山东油泵油嘴厂对该题目进行了立项开发，委托成都通达恒 力科技有限公司进行设计，本课题就来源于成都通达恒力科技有限公司对该项目 的研发设计。 1 2 喷油泵工作原理及特性 喷油泵包括凸轮、滚轮体、柱塞、出油阀、调速器等，喷油泵的作用是根据 柴油机工况的变化调节柴油量，并提高柴油压力，按规定的时间与规律将柴油供 给喷油器。喷油泵分为两种：单体泵与合成泵( 整体泵) ，如图卜1 所示。 1 2 1 喷油泵的工作原理4 1 柱塞和柱塞套是一对精密偶件，经配对研磨后不能互换，要求有高的精度、 光洁度和好的耐磨性，其径向间隙为o 0 0 2 o 0 0 3 m m ，作用是改变调节循环供 油量。出油阀和出油阀座也是一对精密偶件，配对研磨后不能互换，其配合间隙 为o 0 1 m 。其作用是在停供时，将高压油管与柱塞上端空腔隔绝，防止高压油 管内的油倒流入喷油泵内，在供油终了时，使高压油管内的油压迅速下降，避免 喷孔处产生滴油现象。 工作时，在喷油泵凸轮轴上的凸轮与柱塞弹簧的作用下，迫使柱塞作上、下 往复运动，从而完成喷油任务，喷油过程可分为以下三个阶段。 ( 1 ) 进油过程 当凸轮的凸起部分转过去后，在弹簧力的作用下，柱塞向下运动，柱塞上部 空间( 称为泵油室) 产生真空度，当柱塞上端面把柱塞套上的进油孔打开后，充 满在油泵上体油道内的柴油经油孔进入泵油室，柱塞运动到下止点，进油结束。 ( 2 ) 供油过程 当凸轮轴转到凸轮的凸起部分顶起滚轮体时，柱塞弹簧被压缩，柱塞向上运 动，燃油受压，一部分燃油经油孔流回喷油泵上体油腔。当柱塞顶面遮住套筒上 进油孔的上缘时，由于柱塞和套筒的配合间隙很小( 0 0 0 1 5 一o 0 0 2 5 m m ) 使柱塞 顶部的泵油室成为一个密封油腔，柱塞继续上升，泵油室内的油压迅速升高，推 开出油阀，高压柴油经出油阀进入高压油管，通过喷油器喷入燃烧室。 ( 3 ) 回油过程 柱塞向上供油，当上行到柱塞上的斜槽( 停供边) 与套筒上的回油孔相通时， 泵油室低压油路便与柱塞头部的中孔和径向孔及斜槽沟通，油压骤然下降，出油 阀在弹簧力的作用下迅速关闭，停止供油。此后柱塞还要上行，当凸轮的凸起部 2 第l 章引青 分转过去后，在弹簧的作用下，柱塞又下行。此时便开始了下一个循环。 图卜1 喷油泵的基本结构图( 左：单体泵右：合成泵) 1 2 2 喷油泵的主要特性5 1 喷油泵的特性主要是指喷油泵的供油特性、速度特性、压力特性和温度特性。 ( 1 ) 供油特性 供油特性是指喷油泵凸轮轴转速、喷油器针阀丌启压力和柴油进油温度不变 时，喷油泵循环油量随喷油泵供油调节拉杆位置变化的特性。其规律是拉杆位置 增大，柱塞供油有效行程增大，循环油量增多：反之，位置减小，有效行程减小， 油量减小。 ( 2 ) 速度特性 速度特性是指拉杆位置、喷油压力和柴油温度不变时，循环油量随泵轴转速 变化而变化的特性。其规律是泵轴转速升高，循环油量增多：反之，转速降低， 油量减小。 ( 3 ) 压力特性 压力特性是指泵轴转速、拉杆位置和柴油温度不变时，循环油量随喷油压力 变化而变化的特性。其规律是循环油量随喷油压力降低而增多：反之，随喷油压 力升高而减少。 ( 4 ) 温度特性 温度特性是指泵轴转速、拉杆位置和喷油压力不变时，循环油量随柴油温度 变化而变化的特性。其规律是循环油量随柴油温度于| 4 高而减少：反之，随柴油温 成都理上人学硕士学位论文 度的降低而增多。 还有一个重要的参数，喷油提前角：由于柴油存在发火延迟期( 0 0 0 1 0 0 0 5 秒) ，要在上止点前1 0 3 5 度曲柄转角时开始将雾化的燃料喷入汽缸，这个角度 称为喷油提前角。 1 3 喷油泵试验台的研究现状 1 3 1 喷油泵试验系统国外研究发展 目前，国外喷油泵测试设备与当今迅猛发展的微电子技术、计算机技术、自 动控制技术以及信息技术密切结合，具有自动化程度高、测量精度高、数据的加 工整理科学方便快捷等特点。 各国在喷油泵试验台量油系统方面，从容积法、流量法和重量一密度法等方 面的智能化控制上进行了大量的研究。德国、英国、美国等国在这方面的研究处 于领先地位。目前国外生产喷油泵试验台有名的公司有西德m o e h w a l d 公司，英 国h a r t r i d g e 公司，美国b a c h a r a c h 公司，奥地利h a n s m a n n 公司，还有意大利 r a b o t t i 公司和日本的n i p p o n d e n s o 公司。 德国m o e h w a l d 公司研制成功的e p b 2 0 0 0 型、r p b 2 0 0 0 型喷油泵试验台采用 k m m ( 流量法) 测量系统可以连续测量各缸喷油量，既能用屏幕显示喷油量，也 能用打印机打出每行程或多次喷油量，还能用计算机半自动化地检测喷油泵。 英国h a r t r i d g e 公司研制的容积法喷油泵试验台量油系统，其结构主要由喷 油泵、喷油器、指示器、光学读数器、压力阀、控制阀、微型计算机、打印机等 组成，量油原理是通过喷油器喷出的燃油推动活塞移动，同时带动光栅传感器， 光学读数器将移动信号经微机处理转化为油量阳3 。 美国b a c h a r a c h 公司研制的p d f m 8 0 8 型喷油泵试验台采用c r t 显示喷油量、 转速及测量误差。它可以测量单缸以及多至8 缸的喷油量，还可测定某一个缸的 每行程喷油量，可以按顺序自动地显示各缸的总喷油量、平均喷油量、单缸喷油 量6 | 。 意大利r a b o t t i 公司研制的b d 8 5 0 是采用先进的变频无级调速装置，它比直 流调速、电磁转差离合器式无级调速技术先进。只是在试验台转速方面有所改进， 但量油系统装置仍采用量杯式量油系统。 1 3 2 喷油泵试验系统国内研究发展 我国开始研制喷油泵试验系统起步较晚，自6 0 年代从德国引进，开始生产 4 第1 章引言 液压喷油泵试验台以来，随着技术的发展和工艺水平的提高，国产喷油泵试验台 在性能上有了很大的提高，在最近十几年发展速度也相当快，增加了许多品种， 彻底改变了依靠进口的局面。1 9 6 3 年以来，经历了从无到有、形成系列产品和 提高技术水平的过程。现在拥有的产品种类和年产量，基本满足国内需要，改变 了国产试验台不成系列、性能落后、质量低下或完全依靠进口的状况，还具备一 定的开发、研制能力。 目前变频调速试验台是我国喷油泵生产、维修行业普遍采用的最先进的试验 台，也是各喷油泵试验台生产厂家的主导产品。但是其它形式的产品在生产、维 修行业也在应用。国产的喷油泵试验台主要生产厂家有泰安拉宝地试验设备有限 公司，泰安金诺试验设备厂，湖北精峰试验设备有限公司，成都八一机电设备厂， 唐山北方喷油泵检修设备厂等厂家。 9 0 年代，山东泰安拉宝地试验设备有限公司生产的b d 8 5 0 系列喷油泵试验 台，具有转速预置功能；转速、计数、温控、f 负压等全部数显，实现了所谓的 全功能盯1 。该产品采用变频调速技术，变频调速技术发展和应用十分迅速，目前 国内各生产厂家都在生产变频调速喷油泵试验台。 从9 0 年代末开始，部分国产喷油泵试验台相继采用了标准喷油器，转速、 油温、油压、计数数显，转速还可任选预置，使用离子扩散刻度量杯，无间隙弹 性联轴器，报警装置，提前角测试仪等。燃油实现恒温自动控制，特别近年来采 用冰箱加风扇冷却，效果极好，飞轮转动惯量增大，使瞬态降( 升) 速值明显改善。 试验台在原系列基础上又发展了p t d 4 0 型p t 泵试验台，具有屏幕显示及打印功 能，大功率2 2 k w ，1 8 5 k w 变频试验台，预行程自动检测数显试验台，特别是屏显 试验台的诞生，量油分辨率达到0 1 m l ，且连续显示，自动打印，以及采用变频 调速技术等，上述技术的应用，缩短了我国喷油泵试验台与国外同类产品的差距， 但是由于这类试验台价格比较高，目前还没有推广利用m 1 。 自动化程度的提高，电子信息技术的发展，使微机控制喷油泵试验台己成为 发展主流，也是国产喷油泵试验台向国际技术靠拢，缩小差距的捷径，但是国产 的试验台在检测手段和性能上还有待于提高。 1 4 嵌入式系统概述 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术、控制技术、通信技术和微电子 技术为基础，软硬件可裁剪，适应于对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格 要求的专用计算机系统旧1 。通常，一个完整的嵌入式系统由处理器、外围设备、 操作系统和应用程序4 部分组成，主要用于实现对其他设备的实时控制、监视、 管理、数据处理等各种自动化处理任务，它的迅速发展推动i t ( i n f o 珈a t i o n 成都理j 二人学硕士学位论文 t e c h n o l o g y ，信息技术) 产业进入了崭新的、以嵌入式系统为核心的后p c 时代。 1 4 1 嵌入式系统的特点n 由于嵌入式系统是应用于特定环境下，针对特定用途设计的专用计算机系 统，同通用型计算机系统相比具有以下特点： ( 1 ) 面向特定应用 嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群设计的系统中，它专用于某个特定 任务，或者很少几个任务。 ( 2 ) 占用和消耗的资源较少 嵌入式系统能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，具有 功耗低、集成度高、成本低等特点。 ( 3 ) 对软件要求严格 嵌入式系统软件目标代码通常是固化在非易失性存储器( r o m 、e p r o m 、e e p r o m 和f l a s h ) 芯片中，开机后必须有代码对系统进行设置及测试等初始化工作，因 而要求软件代码具有较高的质量和可靠性，嵌入式系统通常需要操作系统的支 持。 ( 4 ) 需要专用的开发环境和开发工具进行开发 受限于嵌入式系统自身资源与空间的不足，它不具备自主开发能力，所以嵌 入式系统的开发模式需要采用以宿主机一目标机方式构成交叉开发环境，并需要 一些专用的汇编器、编译器、链接器等作为开发工具。 ( 5 ) 是知识集成系统 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体工艺、电子技术以及通信网络技 术与各领域的具体应用相结合的产物，因此它是一个技术密集、资金密集、高度 分散、不断创新的知识集成系统。 1 4 2 嵌入式系统的发展趋势n 们 美国著名的未来学家尼葛洛庞帝曾预言，嵌入式系统将是继p c 和 i n t e r n e t 之后最伟大的发明。如今的现实验证了这个预言的正确性。现在嵌入 式系统技术仍在高速发展着，而且具备如下趋势： ( 1 ) 网络互联成为必然趋势 网络化、信息化的要求随着i n t e r n e t 的成熟、带宽的加大而日益提高，使 得单一功能的设备如电话、手机、冰箱等功能不再单一，结构更加复杂。通常嵌 入式设备必须配有通信接口，并提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软 6 第1 章引言 件。 ( 3 ) 精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本 嵌入式产品是软硬件紧密结合的设备，为了降低功耗和成本，需要设计者尽 量精简系统内核，只保留和系统功能紧密相关的软硬件，利用最低的资源实现最 适当的功能。应用软件方面要求设计者选用最佳的编程模型，不断改进算法并优 化编译器性能。 ( 4 ) 提供友好的多媒体人机界面 嵌入式设备低功耗、便携的特点使其被广泛的使用，同时也要求它能提供非 常友好的图形用户界面和方便灵活的操控方式，因此嵌入式设计中图形界而、多 媒体技术已成为关键。 1 4 3 嵌入式系统的应用 嵌入式系统技术正以前所未有的速度和深度在国民生活的各个层面得到应 用和发展，已广泛应用于制造工业、工j 业控制、仪器仪表、医疗器械、消费电子、 通信设备、汽车、航空航天、军事装备、机器人等诸多领域。1 ，如图卜2 所示。 军事国防 工业控制 消费电子 网络 图1 2 嵌入式系统应用领域 除了以卜这些应用领域，其在工业领域和服务领域获得更为广泛的应用。嵌 入式系统还有其他方面的应用，已进入到现代社会中人们生活的方方面面，可是 说嵌入式系统己经是“无处不在”。所以，丌发和探讨嵌入式系统有着十分重要 的应用价值。 1 5 本课题的研究内容及意义 1 5 1 课题的研究内容 成都理1 人学硕+ 学位论文 本课题将喷油泵实验系统与计算机及嵌入式技术有机结合起来，采用以高 速、低功耗的a r m 微处理器为核心的嵌入式设备作为实验系统的主控核心，充分 发挥嵌入式系统的实时性强、功能专一、效率高等特点，使实验系统可以同时采 集和控制多路数据信号，处理能力更强。同时为满足分析仪器在数字化、智能化、 信息化、网络化、微型化和固态化方向上的更高要求，系统实现的工作包括以下 几个方面： 设计并调试基于a r m 微处理器的r s 2 3 2 、l c d 、j t a g 及以太网等接口电 路： 硬件电路的设计，其中包括：前级信号放大电路、温度采集模块、压力 采集模块、电机转速控制模块等； 研究嵌入式l in u x 操作系统在a r m 微处理器上的移植； 实现对系统各外部设备的驱动； 编写基于q t 的用户图形界面应用程序； 喷油泵有关传感器的选择安装，并作模拟试验； 测试系统的调试、现场联调，试验结果及分析等。 本人在该系统研究开发过程中，按试验台的功能需求从嵌入式系统软硬件两 个方面着手，分别对喷油泵试验系统的软硬件设计进行了相应的工作。 1 5 2 课题的研究意义 喷油泵试验系统的主要用途是检测和调整喷油泵在各种工况时的喷油量及 其他参数。衡量喷油泵试验台性能和质量的一个重要指标就是喷油量测量的精确 性，它需要对主轴转速、喷油次数进行精确测量，作为调整或修校喷油泵的重要 依据8 | 。 喷油泵试验系统量油系统普遍采用量筒式计量法，该方法存在量筒的制造误 差、沉积误差、液面读数误差以及测量人员的视觉误差等，使得测量精度较低， 耗时长，已不能满足对发动机的快速和智能化检测要求。本研究利用嵌入式技术、 传感器技术和电子技术对原量油系统进行改进，实现智能化的测量试验系统。 对于喷油泵试验台智能量油系统预期实现以下几个功能： 本量油系统应保证量油精度要高于传统的试验系统； 实现转速的设定，自动控制、喷油压力、喷油量等全自动化测量显示； 嵌入式平台的资源综合利用，界面美观简洁，人机性能好； 抗干扰性能要强，工作稳定可靠，使用寿命长。 该系统是一个完整的测控系统，涉及多种不同信号的采集，电动机转速的控 制，是一个闭环的综合的检测控制项目。 8 第1 章引言 该系统是以a r m 9 为核心的嵌入式系统设计，测量喷油泵的各种参数并进行 显示分析，精确的控制了电动机的转动，是在以a r m 9 为核心的嵌入式领域的全 新应用，是对当前以工控机为核心的喷油泵测试系统的改进，功能完善，操作简 单，工作可靠稳定，成本低廉，技术含量高，值得应用推广。 该系统能为我国的喷油泵制造，维修提供了的有效的精确而简易的测试设 备，可广泛应用于发动机，油泵生产厂，汽车检修厂，进行油泵的测试和校验。 由于本课题所作的研究在国内论文库中还鲜有涉及，因此本文可以作为我国 教学、科研及生产等相关应用领域的一种有益尝试和探讨。 1 6 论文结构安排 第一章、引言 第二章、系统方案设计 第三章、喷油泵信号的检测及电动机控制 第四章、嵌入式硬件平台的设计 第五章、嵌入式l i n u x 的实现 第六章、驱动程序的丌发与应用程序的设计 第七章、系统测试 结论及展望 9 成都理工人学硕士学位论文 第2 章系统方案设计 2 1 系统需求分析 本课题的研究一方面是为了提高我国喷油泵研究和制造的技术水平，另一方 面也是为了满足用户对喷油泵实验系统功能与性能上不断增加的要求。因此，本 系统除了要具备传统实验系统的功能外，还需要对外输出更多的控制信号和快速 的采集外界的数据信号，同时还需要有一个良好的人机交互及显示界面，从而力 求使系统在智能化、集成化、可靠性和处理能力方面有较大的进步和提高1 。 系统以a r m 处理器为核心构建嵌入式软硬件平台，控制三相交流电动机，带 动喷油泵工作，同时测量喷油泵的有关运行参数，显示测量结果以供分析，校验。 系统的框图如图2 1 所示。 基于以上需求分析，系统需要完成以下任务： a r m 嵌入式平台的构建，包括硬件接口电路，嵌入式操作系统软件； 喷油泵参数测量电路，包括传感器的选择安装，信号处理运算电路，其 中要测的参数有：电动机转速，油温，油压，喷油次数等； 电动机p i d 转速控制电路，信号变送调理，变频器控制等； 各种应用程序，包括软件界面，温度、转速、压力采集，量油r s 2 3 2 通 信程序等。 图2 1 喷油试验系统框图 系统工作过程，通过触摸屏设定电机转速，进行p i d 控制，由变频器驱动三 相电机运转，带动喷油泵工作，在设定的转速下a r m 核采集电机的转速，供油装 置的温度即油温，燃油压力，喷油压力等信号，同时系统和电子秤经r s 2 3 2 通信 获得喷油量，经过运算处理并实时显示于屏幕上，并且可以作趋势曲线图，进行 打印，存储等基本功能。 1 0 第2 章系统方案攻计 2 2 嵌入式微处理器 2 2 1 嵌入式处理器介绍 嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心部件，为了满足嵌入式应用的特殊要 求，处理器在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面都做了各种增强，并且只保 留了与嵌入式应用有关的功能2 | 。目前比较有影响的嵌入式处理器产品主要有 p o w e r p c 、m i p s 和a r m 等系歹0 。 a r m 处理器是a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 公司通过授权方式，由不同 芯片厂商生产的基于a r m 核的微处理器芯片。由于a r m 核具有业界领先的体系结 构，因而a r m 公司成为目前世界第一大i p 知识产权商。a r m 系列微处理器提供 了各种性能和版本的产品，能够互相兼容，方便系统升级，支持各种嵌入式应用 1 2 】 o 凭借低功耗、高性价比的优势，a r m 微处理器己遍及工业控制、消费电子、 通信、网络、无线系统、等各类产品市场，约占3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的 市场份额，并且向传统的8 1 6 位微控制器提出了挑战。 2 2 2s 3 c 2 4 1o a 简介 s 3 c 2 4 1 0 a 是韩国s a m s u n g 公司推出的a r m 9 2 0 t 内核1 6 3 2 位r i s c 架构的一 款高性价比微处理器。a r m 9 2 0 t 由a r m 9 t d m i 、m m u 和高速缓存三部分组成。其中 删u 支持w i n d o w sc e ，、e p o c 3 2 、l i n u x 等嵌入式操作系统；高速缓存由分别独 立的1 6 k b 指令c a c h e 和1 6 k b 的数据c a c h e 组成。 s 3 c 2 4 1 0 a 提供了一系列完整的外围设备，它的低功耗、精简和出色的全静 态设计特别适用于对成本和功耗敏感的应用，如手持设备、p o s ( p o i n to fs a l e ) 机、数字多媒体播放设备等。其主要特征如下3 1 ： 2 0 3 m h z 的a r m 9 2 0 t 内核，支持j t a g 仿真调试； 外部存储器控制( s d r a m 控制和片选逻辑) ，分8 个b a n k ，每个b a n k 可 访问1 2 8 m 空间； 片内4 k bs r a m ，可用作n a n df 1 a s h 系统引导； l c d 控制器( 最大支持4 k 色s t n 和2 5 6 k 色tf ，i ) ，1 通道l c d 专用d m a ； 4 通道d m a ，有外部请求引脚； 3 个u a r t ( i r d a l 0 ，1 6 字节t xf i f o ，1 6 字节r xf i f o ) ； 2 个s p i 总线接口，1 个多主i i c 总线接口，1 个i i s 音频总线接口； 兼容s d 主接口协议1 0 和删c 卡协议2 1 l 兼容版； 成都理上人学硕士学位论文 支持n a n df l a s h s m 卡接口，支持n a n df 1 a s h 系统引导； 2 个u s b 主机接口，其中1 个可作u s b 设备接口； 4 个p w m 定时器，1 个内部定时器，看门狗定时器； 1 1 7 个g p 工o ，2 4 个外部中断； 8 通道1 0 位a d c 和触摸屏接口； 具有日历和时钟功能的r t c 和片内p l l 时钟发生器； 1 8 v 内核供电，3 3 v 存储器及外部i 0 供电； 功耗控制模式：普通、慢速、空闲和掉电模式。 2 3 硬件方案设计 硬件设计一方面包括a r m 嵌入式平台的相关电路，另一方面是喷油泵信号采 集和电动机控制电路，还有量油通信电路等。 2 3 1 喷油泵信号采集和电动机控制 ( 1 ) 喷油量测量 喷油泵喷油到油量存储箱中的量杯中，量杯放在电子秤上，油量通过电子秤 秤重获得，体积也可以从量杯上计量，普通的电子秤都带有r s 2 3 2 4 8 5 接口，可 以和a r m 进行通信，将喷油量值传输到处理器中，供分析显示。 ( 2 ) 喷油压力测量 在喷油管上安装为测量发动机喷油压力专门开发的外卡式压力传感器，测量 喷油的压力，传感器输出4 2 0 m a 电流信号，在终端串接采样电阻，转换为电压 信号，电压信号送a r m 的a d i n 接口采集压力信号。 ( 3 ) 燃油温度测量 在供油装置上安装温度传感器，检测燃油温度，信号经放大调理后送到a r m 的a d i n 接口采集燃油温度。 ( 4 ) 电动机转速测量 在电动机转轴上安装接近开关，检测电动机转速。速度脉冲信号送到a r m 计 数器计数进行分析运算计算转速值。 ( 5 ) 电动机转速p i d 控制 目前提出的控制算法很多，实际运行经验和理论分析都表明，偏差控制即 p i d 控制，能满足相当多的工业控制对象的控制要求，它是根据偏差的比例( p ) 、 积分( i ) 、微分( d ) 进行控制，至今是工业过程控制中应用最广泛的一种控制形式， 一般都能达到令人满意的控制效果。 1 2 第2 章系统方案设计 该控制方法是基于一个数字p i d 控制原理，具体介绍如下。 在d d c ( d i r e c td i g i t a lc o n t r 0 1 ) 系统中，用计算机代替了模拟调节器， 控制规律的实现是由计算机软件完成的，因此，系统中数字控制器的设计，实际 是计算机算法的设计”引。 由于计算机只能识别数字量，不能对连续的控制算式直接进行运算，所以在 计算机控制系统中首先对控制规律进行离散化处理。 模拟的p i d 调节规律的算式为： ) = 酬印) + 軎研+ 乃警】 1 ) 式中：p ( f ) = ，( f ) 一c ( r ) 为偏差信号，是调节器的输入信号； ，( f ) 一给定值； c ( ，) 一被测变量； 洲一调节器输出的控制信号； k 。一比例系数； z 一积分时间常数； z ，一微分时间常数。 将( 2 一1 ) 式离散化，若采样周期为t ，第n 次采样输入偏差为e ( n ) ，输出为 u ( n ) ，p i d 算法中的微分专导用差分玉 霉代替，积分r p ( f ) 砒用e k t 代 d tl “ 替，于是得到( 2 2 ) 式。 u = 专弘丁+ 乃与 ( 2 _ 2 ) ( 2 2 ) 式称为输出量的全量输出，它对应被控对象的执行机构每次采样时应 达到的位置，称为位置式p i d 算式。 位置式p 工d 算式不够方便，不仅要占用较多的存储单元，而且不便于编写程 序，为此对( 2 2 ) 式进行改进可得到递推公式如下。 小) 钏川“小”叫川+ 寺p 一+ 等( p 一- 2 - 托州) 】 ( 2 书) ( 2 3 ) 式称为p i d 增量式。 令： 虮地飞- l + 知弓魄也。) 】 k l = kp ； ， k d = kp 等。 则p i d 增量式转化为： 1 3 成都理：一【：大学硕士学位论文 “( ，2 ) 2 “。一l + k p ( p 。一p 。一1 ) + k ，p 。+ k c ，( p 。一2 p 。一l + p 。一2 ) ( 2 4 ) 可看出( 2 4 ) 式简单，易于计算机处理，所以用( 2 4 ) 式作为编制程序的算法。 利用( 2 3 ) 式的p i d 增量式，编制控制程序，只需现在时刻的偏差p 。，及以 前时刻的偏差和p 月一2 ，则选择采样周期，采集转速，( 聆) ，( 门一1 ) ，( ，2 2 ) 分 别计算出三次偏差，再选择p i d 参数，则可计算出控制量增量“，每次采样之 后只须计算出控制量的增量，便可递推出每次的输出控制量。 转速控制是这样一个反