（机械制造及其自动化专业论文）基于arm嵌入式的制造过程在线监测系统设计.pdf

摘要 摘要 随着嵌入式技术和网络技术的不断发展，现代工业生产过程在线监测与故障 诊断系统已经从传统电路、微机加专用采集卡模式发展为嵌入式系统模式，嵌入 式系统在现代工业领域中的应用越来越广泛。 本文以车间制造过程和设备为主要监测对象，搭建了基于p c i 0 4 总线结构 的在线监测系统硬件平台，利用l a b v i e w 软件开发了相关的数据采集和处理程 序。然后以该系统为原型，提出了一种基于嵌入式微处理器和嵌入式l i n u x 操作 系统的制造过程在线监测系统，通过对加工过程数据的采集、处理和分析，实现 对制造过程及加工设备的在线实时监测，并可为远程监测与故障诊断提供数据和 资料。本论文的主要内容如下： 1 对监测系统的功能需求进行了分析，完成了基于p c i 0 4 总线结构的在线 监测系统。 2 根据系统多通道、高速、实时监测等功能要求和性能指标要求，提出了 替代p c i 0 4 结构的基于a r m 结构的监测系统硬件平台的系统实现方案。 3 监测系统的硬件设计。详细介绍了系统中c p u 核心模块、数据采集模块、 u s b 接口模块、通讯模块的原理图设计与实现。 4 监测系统的软件设计。为实现对整个硬件平台的管理以及方便程序开发， 设计软件开发平台。建立了交叉编译环境，实现了b o o t l o a d e r 、l i n u x 内核的裁 剪、编译和移植，以及文件系统的移植等工作，并编写了相关硬件的驱动程序和 应用程序。 该嵌入式制造过程在线系统平台具有功能强大、成本低、稳定性高等特点， 适于复杂的加工现场，并具有较强的实用性和扩展性。论文的研究为后续的应用 开发提供了良好的基础。 关键词p c i 0 4 ；a r m 微处理器；在线监控；嵌入式l i n u x ；数据采集 a b s t r a c t 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 h ee m b e d d e dt e c h n o l o g ya n dn e t w o r kt e c h n o l o g y , o n l i n em o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i sh a sb e e ne m b e d d e dm o d ei n s t e a do ft h em o d e t r a d i t i o n a lc i r c u i ta n dt h ep e r s o n a lc o m p u t e ra n ds p e c i a la c q u i s i t i o nc a r di nm o d e m m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s t h r o u g ht h ei n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n ，p r o c e s s i n ga n da n a l y s i s o fi n d u s t r i a lf i e l d ，t h ei n d u s t r i a lf i e l de n v i r o n m e n ta n do p e r a t i o no fe q u i p m e n tc a nb e a c c u r a t e l yr e a l - t i m e l ym o n i t o r e d a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o nd e m a n do ft h eo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mi nm o d e m m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，t h eh a r d w a r ep l a t f o r mb a s e do np c 10 4a n ds o f t w a r eb a s e do n l a b v i e wf o rd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s sa r ec o n s t r u c t e d t h e na d o p t st h ep c i0 4 s y s t e ma st h ea r c h e t y p e ，ap r o j e c tt h a tt h es y s t e mc a nb ea b l et oc o l l e c ta n dp r o c e s s t h er u n n i n gi n f o r m a t i o ni nm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sb a s e do ne m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r a n de m b e d d e dl i n u xc o m eu p t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： 1 ，b ya n a l y z i n gt h ef u n c t i o nn e e d s ，a no n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do np c 10 4 i sd e s i g n e d 2 a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fm u l t i c h a n n e la n dh i g h s p e e da n dr e a l t i m e ， a na r c h i t e c t u r eo fa r mc o m e su pi n s t e a do ft h ep c10 4 t h em a i np a r to fa r m c o m p l e t et h es y s t e mc o n t r o la n dn e t w o r kt r a n s p o r t a t i o n ，a n df p g aa c c o m p l i s ht h e l o g i cp r o c e s s i n ga n ds e q u e n c em a t c h i n g 3 c o m p l e t e dt h ed e s i g no f t h em o n i t o r i n gs y s t e mh a r e w a r e ，i n c l u d i n gt h ed e s i g n o ft h ec p um o d u l e ，d a t aa c q u i s i t i o n ，u s bi n t e r f a c ea n dc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，t h e p a i n t i n go f t h ep c ba n dd e b u g g i n gt h eh a r d w a r e 4 c o m p l e t e dt h ep l a t f o r m o fs o f t w a r ed e v e l o p m e n t s e tu pt h e c r o s s i n g c o m p i l i n ge n v i r o n m e n t ，r e d u c e da n dt r a n s p l a n t e dt h eb o o t l o a d e ra n dt h ee m b e d d e d l i n u xk e r n e l t h ef i l e s y s t e mb et r a n s p l a n t e dt ot h ee m b e d d e dm o n i t o r i n gs y s t e m d e v e l o p e dt h e t h ec o r r e l a t i v eh a r d w a r e d r i v e ra n dd a t ac o l l e c t i n gp r o g r a m t h em o n i t o r i n gs y s t e mi nm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sh a v es o m ea d v a n t a g e s ，s u c ha s f u n c t i o nm i g h t i n e s s ，l o w c o s t ，h i g hs t a b i l i t ya n dg o o de x p a n s i b i l i t y k e y w o r d s ：p c 10 4 ；a r m ；o n l i n em o n i t o r i n g ；e m b e d d e dl i n u x ；d a t aa c q u i s i t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，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，也不包含为获得北京工业大学或其他教育机构的 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作的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：生二1 到 日期： 边盘。上盏 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：垒l 鲴 导师签名：至。盘：日期：逸丛：b 篼1 章绪论 1 1 课题的研究背景 第1 章绪论 制造业是支撑国家综合国力的基础产业，是国民经济持续发展的基础，其发 展状况表明了个国家和地区的经济实力和综合国力，人民的生活水平和生活质 量，国防能力和社会发展程度。就我国目前的情况来看，制造业已成为我国最大 的产业和国民经济的主要组成部分，带动了我国经济的高速增长。七十年代以来， 随着现代科学技术的进步发展和信息时代的来临，涌现出的新思想、新技术对制 造业产生了深刻和全面的影响，现代制造业及制造技术正朝着数字化、敏捷化、 网络化、虚拟化、智能化、信息化、集成化方向发展。网络技术特别是 i n t e m e t i n t r a n e t 技术的迅速发展，给制造业带来新的变革。制造网络化正成为现 代制造业发展的主要趋势，是本世纪主要信息化制造模式。 在制造加工过程中，为了安全可靠的生产，对加工过程进行监测和控制是非 常有必要的。在现代制造业中，制造过程和生产设备的结构越来越复杂，自动化 程度越来越高，一旦关键设备发生故障，不仅会造成巨大的经济损失，而且可能 危及人身安全，造成重大的社会影响。因此人们对设备的安全、稳定、长周期、 满负荷运行的要求也越来越迫切，希望能及时了解制造工况信息和设备的运行状 态，来预防故障、杜绝事故、最大限度地发挥设备的生产潜力。 制造过程的在线监测技术与故障诊断技术是分不开的，在线监测的目的主要 就是提高生产能力，并能对制造过程中出现的故障进行分析和诊断。在线监测与 故障诊断技术研究是根据制造过程中出现的的振动、噪声、温度、压力等物理参 数的变化来判断和识别设备的工作状态和故障，对故障的危害进行早期识别和预 报，做到防患于未然，实现预知检查维修，避免“过剩维修”造成的不经济、不 合理现象，它能够节省大量人力物力，为企业和社会带来巨大的经济效益。 对制造过程的监测是全天候地监测制造加工情况和设备运行状态，并对其进 行相关处理和显示。一旦机器的某些运行指标达到故障珍断系统中报警或者停机 的标准，系统会发出警报，提醒有关技术人员对被监测机器设备进行重点监护， 认真分析在线系统中有关数据，参考在线监测系统给出的诊断结果，以决定是继 续观察设备运行状态还是停机处理，预防事故的发生，保证生产和工作人员的安 全。 制造过程在线监测与故障诊断技术有相当大的实用价值，可以实时显示制造 过程的实际运行状况以及加工设备的运行状态，操作人员面对的不再是直接的生 产过程，而是由计算机采集和处理的相关过程的数据和信息，从而对制造过程有 一个准确、及时的工况信息，并可为设备预知维修提供基础资料和数据，为故障 北京丁业人学t 学硕f j 学f 节论文 的诊断和预防提供简便、快捷的手段，对设备的科学管理和减少维修费用，提高 设备的可靠性和维修性具有极大的意义。 目前，具有状态监测系统的加工设备多为数控加工设备和一些精密制造设 备，数控加工设备的状态监控多集中一些开关量的监控，通过数控系统来反映运 行状态，一般不能对模拟量例如切削力、切削振动等进行监控，因此，反映的加 工状态信息不完整。精密制造设备中的状态监控系统是专门设计的，通用性差， 且价格昂贵。机械加工实际生产中，迫切需要一种便捷的，具有一定扩展性的专 用加工过程设备状态监控系统。 计算机的广泛应用使制造过程在线监测与故障诊断技术得到极大的发展，而 网络技术应用的普及给网络远程监控系统的实现带来了可能。通过网络将工业现 场采集的数据传送到远程计算机进行分析，并通过网络交互操作对原有的系统进 行诊断，可以节省时间，提高效率，避免不必要的浪费，因此具有重大的意义。 在工业远程监控系统运行的过程中，专家可以在远程端通过网络进行实时监控， 以防止故障的发生，在发生故障后，也可以通过网络获得现场数据进行分析和研 究，做出必要的诊断和维护。计算机远程设备状态监控系统是计算机科学、通信 技术与设备监测诊断技术的结合。它充分利用计算机网络技术的发展，将孤立的 监视诊断系统有机地组合在一起构成诊断网络，实现了诊断资源的共享。 早期的工业智能监控系统大都采用工业控制p c 加以专用采集卡模式来实现 制造过程在线监测与故障诊断的，这种模式成本高、功耗大，并存在一定的资源 浪费。随着嵌入式技术的不断成熟和发展，嵌入式技术在制造过程在线监测与故 障诊断中的应用也越来越广泛。本文的研究主要工作就是将嵌入式技术应用到制 造过程在线监测系统中。 1 2 课题的国内外研究进展与趋势 1 2 1 制造过程在线监测技术研究进展与趋势 在制造业领域，在线监测系统技术的研究主要受到加工设备工况与运行环境 的复杂性的限制以致于发展相对较慢。目前，制造过程在线监测与故障诊断的研 究主要针对信息感知、信息处理、与切削过程相关的信息、与产品加工质量相关 的信息、设备精度信息、系统工作环境状况的信息等。 制造过程在线监测与故障诊断技术在设备管理与维修现代化中占有重要地 位，在保障设备运行中的可靠性、可用性、可维修性、经济性以及安全性等方面 起着极为重要的作用。这种技术初步形成于2 0 世纪6 0 年代未，迅速发展在7 0 8 0 年代，集大成于8 0 9 0 年代【i j 。 制造业领域在线监控与故障诊断系统的发展主要经历以下几个阶段： 2 第1 章绪论 ( 1 ) 人工离线监测与诊断方式 有经验的设备维护人员或工程技术人员利用常规监测仪表或者较复杂的分 析仪器对设备进行人工巡检，根据自己的经验对加工情况和设备的状念以及其发 展趋势等做出判断。这种监测方式，只能对设备做一些简易的诊断。鉴于我国的 特殊的国情，此类方式仍在部分企业中使用。 ( 2 ) 单机集中式在线监测与诊断系统 这种系统主要由一台计算机来完成数据的采集、信号处理、特征提取和故障 识别。这类系统集主要功能于一体，维护方便且投资较少。由于采用单台微机， 因此系统所能监测的测点数目有限，巡检周期长，系统功能受到诸多限制。 ( 3 ) 分布式在线监测与诊断系统 这类系统综合了单机系统的优点，采用多台微机通过传统的计算机通信手段 ( 如r s - 2 3 2 、局域网) 形成一个完整的诊断网络。下位机主要用于数据采集和信 号的预处理，上位机负责信号的精密分析和数据管理，上、下位机各司其职，提 高了系统的功能。由于采用分布式技术，系统相对复杂，技术难度大，且投资高。 ( 4 ) 远程监测与诊断系统 随着网络技术的发展，远程监测与故障诊断系统成为最近几年研究的热点。 远程监测与诊断系统的基础是集中式在线监测系统和分布式在线监测系统，是基 于i n t e r n e t 的、结构可拓展的、功能可柔性组合的广域分布式监测与故障诊断系 统，采用若干台中心计算机作为诊断服务器，在关键设备上设立状态监测点。通 过在监测点上永久安装的传感器拾取机械设备的运行信息，经过信号预处理、 a d 转换后输入现场监测计算机，然后对信号进行单位变换，实现连续实时地采 集设备状态数据，而在技术力量较强的科研院所、大学建立远程分析诊断中心， 为企业提供远程技术支持和保障。通过网络将监测点连接成一个复杂的监测网， 任何一个监测系统都可以提出请求服务的要求，在异地的诊断服务中心接到请求 服务的信息后，可以提供各种服务，并返回诊断结果。这种系统实现了设备的远 程在线监测与管理，及时控制设备的运行状态，为设备的安全运行提供了可靠的 保障，同时也形成了全国乃至全球范围内的诊断网络，有利于数掘的积累和资源 共享以及实施多样化协同服务【2 】。国外从事远程监测与故障诊断技术研究相对较 早，开发的系统也很多，技术趋于成熟。 1 2 2 嵌入式制造过程在线监控技术研究进展与趋势 嵌入式系统由于具有体积小、能耗低、可移动以及实时性好等优势，发挥着 其他计算机系统所不能替代的作用，工业实时监控就是嵌入式系统最大的应用领 域之一。 北京丁业人学t 学硕l j 学位论文 嵌入式制造过程在线监控系统凭借其轻巧方便，使用范围广，灵活性高，测 量对象多的特点成为状态监控领域的主力。纵观国内外情况，设备状态监测系统 的发展趋势：对各种类型的设备进行日常维护、监测，使得其向小型化、便携式、 通用化方向发展；向连续、在线、实时的状态监测与故障诊断系统方向发展。这 类系统功能齐全，但耗资较大，一般适用于重要的关键设备。此类系统广泛的应 用了多微处理机技术，从现有的产品来看，主要包括以下几个部分： ( 1 ) 配备有强有力的数据采集和信号预处理电路，如程控放大器、跟踪滤波 器等。这部分电路必须保证采集的数据能适应复杂多变的机组对象及各种工况。 ( 2 ) 专用的实时频谱分析仪，对现场采集的数据进行实时频谱分析。 ( 3 ) 监测系统网络化。充分利用i n t e m e t 或i n t r a n e t 的资源，系统主机作为 一个整体的核心，负责收集下位机通过网络传来的数据。利用本机所带的软件， 分析、计算、结合各种类型的数据库，设计组态模块来提供丰富的功能，做出最 终的决策判断【3 】。 1 3 嵌入式系统概述 1 3 1 嵌入式系统定义和特点 根据i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“控制、 监视或者辅助机器和设备运行的装置 。这主要是从应用上加以定义的，从中可 以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。目前国 内一个普遍被认同的定义是：以应用为核心，以计算机技术为基础，软件硬件可 裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的专用计算机 系统。嵌入式系统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 用户程序4 个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功削4 1 。 与通用计算机系统相比，嵌入式系统具有如下几个特点： 嵌入式系统功耗低、体积小，专用性很强。嵌入式系统通常是面向特定应 用的，可根据需要灵活定制。 嵌入式系统的软件一般都固化在存储器芯片或微处理器中，可以提高执行 速度以及系统的可靠性和稳定性。 嵌入式系统的硬件和软件高效率地设计，系统精简。 实时性强，支持多任务。 软件代码质量要求高。 嵌入式系统不具备本地系统开发能力，通常需要有一套专门的开发工具和 坏境。 4 第1 帝绪论 1 - 3 2 嵌入式系统的硬件组成 嵌入式系统的硬件系统以嵌入式处理器为核心，由存储器、f o 设备、通信 模块以及电源等外围设备组成。在嵌入式系统的硬件中，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。在嵌入式系统设计 中，应尽可能选择适于系统功能接口的s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 和s o p c ( s y s t e mo n p r o g r a m m a b l ec h i p ) 芯片，以最少的外围部件构成一个应用系统，满足嵌入式系 统的特殊要求。 嵌入式处理器可分为低端的嵌入式微控制器m c u ( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ) 、中 高端嵌入式微处理器e m p u ( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ) 、常用于计算机通信 领域的嵌入式d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 和高集成的嵌入式片上系统s o c 。 嵌入式外围设备是指在一个嵌入式硬件系统中，除了中心控制部件以外的完 成存储、通信、保护、调试、显示等辅助功能的外围部件。 1 3 3 嵌入式系统的软件组成 对于嵌入式系统来说，硬件是支撑，软件是灵魂，几乎所有的嵌入式产品中 都需要嵌入式软件来提供灵活多样而且应用特制的功能。在设计较复杂的嵌入式 软件程序时，一般需要有一个操作系统来管理和控制内存、多任务、周边资源等。 对于使用操作系统的嵌入式系统来说，其软件结构一般包含4 个层面：实时操作 系统r t o s 、应用程序接口a p i 层、设备驱动层、实际应用程序层。 1 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统包括非实时操作系统和实时操作系统。非实时操作系统主要 是基于非抢占式的多用户多任务系统，实时操作系统是指能在指定的或确定的时 间内实现系统功能和对外部或内部、同步或异步事件做出响应的系统。操作系统 的实时性在某些领域是至关重要的，比如工业控制、航空航天等领域。 目前大多数嵌入式操作系统必须提供以下管理功能：存储管理、多任务管理、 周边资源管理、中断管理等。嵌入式操作系统内核将c p u 时间、中断、i o 、定 时器等资源都包装起来，给用户一个标准的a p i 接口，从而使编程人员就不需要 为每种功能重新编制程序，而只需按照系统或某些硬件事先提供的a p i 调用即可 完成功能的执行。在具体的应用中，可以根据实际应用功能的要求对内核进行裁 剪和重新配置，组成根据不同应用领域而定制的不同的个性化操作系统，其一般 包括：k e r n e l 内核、网络组件、文件系统和图形接口等。 目前世界上的嵌入式操作系统已经有两百多种，主流的操作系统主要有： l i n u x 、u c o s 、v x w o r k s 、w i n d o w s c e 、q n x 等。每一种嵌入式操作系统都有 5 北京t 业人学t 学硕i 。学位论文 其自身的优越性，本文根据自己的实际应用选择多任务的l i n u x 操作系统。 2 操作系统的应用程序接口a p i a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) 是一系列复杂的函数、消息和结构的 集合体。在计算机系统中有很多可通过硬件或外设去执行的功能，这些功能的执 行可通过计算机操作系统或硬件预留的标准指令调用，而在编制应用程序时，编 程人员就不需要为每种功能重新编制程序，而只需按照系统或某些硬件事先提供 的a p i 调用即可完成功能的执行。因此在操作系统中提供标准的a p i 函数可以 加快应用程序的开发，也为系统版本的升级带来方便，大大简化了应用程序的编 写。 3 设备驱动层 嵌入式操作系统内核的基本功能确定后，就要为嵌入式系统的特定设备开发 驱动程序了。设备驱动层是嵌入式系统中不可缺少的重要部分，使用任何外设都 需要有相应的驱动层程序的支持，它为上层软件提供了设备的操作接口。上层软 件不用理会设备的具体内部操作，只需调用驱动层程序接口即可。设备驱动层一 般包括硬件抽象层h a l 、板级支持包b s p 和设备驱动程序。 ( 1 ) 硬件抽象层 硬件抽象层h a l ( h a r d w a r ea b s t r a c t i o nl a y e r ) 是位于操作系统内核与硬件电 路之间的接口层，其目的在于将硬件抽象化。即通过程序来控制所有硬件电路如 c p u 、i o 、存储器等的操作。使得系统的设备驱动程序与硬件设备无关，从而 大大提高了系统的可移植性。抽象层一般应包含相关硬件的初始化，数据的输入 输出操作，硬件设备的配置操作等功能。 ( 2 ) 板级支持包 板级支持包b s p ( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ) 是介于主板硬件和操作系统中驱动 层程序之间的一层，一般认为它属于操作系统的一部分，主要是实现对操作系统 的支持。为上层的驱动程序提供访问硬件设备寄存器的函数包，使之能够更好地 运行于硬件主板之上。b s p 是相对于操作系统而言的，不同的操作系统对应于不 同定义形式的b s p 。但是其功能大致相同，一般分为2 个方面：系统启动时完成 对硬件的初始化和为驱动程序提供访问硬件的手段。 ( 3 ) 设备驱动程序 设备驱动程序是内核的一部分，系统中安装设备后，只有安装相应的设备驱 动程序之后才能使用，驱动程序为上层软件提供设备的操作接口。上层软件只需 调用驱动程序提供的接口，而不用理会设备的具体内部操作。驱动程序不仅要实 现设备的基本功能函数，如初始中断响应、发送、接收等，使设备的基本功能能 够实现，而且因为设备在使用过程中还会出现各种意外的差错，所以好的驱动程 序还要具有错误处理函数。 6 第1 章绪论 4 应用程序 实际的嵌入式系统应用软件建立在系统的主任务基础之上的，用户应用程序 主要通过调用系统的a p i 函数对系统进行操作，完成用户应用功能开发。在用户 的应用程序中也可创建用户自己的任务，任务问的协调主要依赖系统的信号量， 信息队列等【5 1 。 1 3 4 嵌入式系统的开发流程 嵌入式系统设计一般由需求分析，体系结构设计，硬件、软件、执行机构设 计，系统集成以及系统测试等五个阶段组成，其一般流程如图1 1 所示。各个阶 段之间往往需要不断的反复和修改，直至完成最终的设计目标6 1 。 图1 1 嵌入式系统设计开发流程 f i g u r e1 1t h ep r o c e s so fe m b e d d e ds y s t e md e s i g n 1 4 课题的来源及研究内容 1 4 1 课题的来源 本课题是北京市自然科学基金项目( 3 0 7 2 0 0 5 ) “切削系统稳定性的自适应控 制方法与实验研究”以及北京测控技术重点实验室丌放项目的研究内容之一，针 7 北京t q p 人学t 学硕i j 学佗论文 对制造过程监控服务系统硬件基础进行研究。该项目旨在为制造业数控加工设备 的整个生命周期提供硬件支持和服务，提高产品的质量和机床系统运行的可靠 性。 1 4 2 课题的主要研究内容 本课题需要实现功能有：实现多通道数据的在线实时采集，为在线监测与故 障诊断系统提供真实的数据和资料。本研究的重点在于硬件平台的搭建、嵌入式 开发环境的建立、嵌入式l i n u x 操作系统的裁减移植以及应用程序的开发，包括 相关设备驱动程序的开发。具体包括以下工作： 1 总体方案设计 根据监测系统的功能要求和所制定的性能指标要求，确定了系统硬件平台的 设计方案。首先，完成了基于p c i 0 4 总线结构的制造过程在线监测系统的硬件 平台搭建和相关应用程序的编写。然后以该系统为原型，提出了一种基于a r m 微处理器和嵌入式l i n u x 操作系统的在线监测系统方案。针对监测系统的功能要 求，确定了合适的硬件组成及相关微处理器的选型等。系统采用a t m e l 公司专为 工业控制及通讯领域应用推出的a t 9 1 r m 9 2 0 0 为核心芯片，根据需求扩展相应 的硬件，采用源代码公开的2 6 内核的l i n u x 作为操作系统。 2 硬件开发平台的设计 独立完成了监测系统硬件平台的设计。系统以a t 9 1 r m 9 2 0 0 为核心，扩展 了外围电路，包括c p u 核心模块电路，数据采集模块电路、u s b 网络摄像头接 口模块电路和通讯模块电路等，完成系统硬件平台的原理图设计、器件的采购和 p c b 板的绘制与调试。 3 软件开发环境的建立 在硬件平台基础上，搭建了软件开发平台。包括嵌入式l i n u x 操作系统的选 择，交叉编译环境的建立，引导程序b o o t l o a d e r 、嵌入式l i n u x 内核的重新配置、 裁剪和移植以及文件系统的移植等工作。 4 监测系统的程序开发 主要完成a d 数据转换驱动程序以及u s b 网络摄像头驱动程序的开发，以 及数据和图像采集程序的开发和调试等。 第2 帝舱测系统的总体方案设计 第2 章监测系统的总体方案设计 2 1 功能要求 本制造过程在线监测系统通过摄像头以及各种传感器采集制造工业现场完 成对制造生产过程的工况信息数据的采集、处理和分析，可作为远程监测与故障 诊断系统的前端部分，主要完成以下功能： 对制造过程中生产设备的运行状况信号进行有效采集，并保证数据的可 靠性。这些信号主要有振动、声发射信号、机床主轴电流信号等。 对实时地对所采集到的信号进行初步处理。 显示系统的加工运行状态。 能够对制造过程工况信息进行图像采集与存储。 2 2 系统主要技术参数指标 本系统的性能参数主要包括采样频率、采集通道数、a d 转换精度和采集信 号电压范围等。 1 采样频率 本系统的监测对象为典型制造设备，考虑到要使开发的系统具有较强的实用 性，并能用于不同的制造过程。一般数控设备状态监控的典型信号振动信号频率 大多在0 5 k h z 之间，电压电流信号一般为5 0 h z 的工频信号，其他的切削力、 切削温度等信号则为缓变信号【7 1 。根据奈奎斯特定律和实际经验以及为使本系统 具有良好的通用性，将嵌入式信号采集的单通道最高采样频率设为5 0 k h z ，实 际应用的采样频率由c p u 控制实现。 2 采集通道数 对一般的制造过程监测所需要采集的加工过程的现场信号总数目一般都小 于8 个，参考现有的设备及相关传感器的情况，将本系统信号采集输入通道数定 为8 通道，信号输入形式为单端输入。 2 数据采集精度 参考现有的加工设备采集系统的精度，考虑设计成本和a d 转换芯片的经济 性，将数据采集精度，即a d 转换芯片定为1 2 位精度。 3 信号采集电压范围 应用于机床上的传感器有很多种，信号输出的形式和范围各不相同，其信号 调理电路也不一样，为保证系统的通用性，将传感器和信号调理电路与系统分离， 系统只接收经过调理后的传感器信号。本系统的信号电压输入范围定为0 v 5 v 和一1 0 v + 1 0 v 两种。 9 北京t 业人学t 学硕l j 学 节论文 2 3 系统方案选择和总体架构 制造过程在线监测系统的主要功能是实现实时采集加工工程的状态信号，经 过a d 转换为数字信息后进行数据处理，并实现对加工区域的图像采集，具有 系统的加工状态显示功能，并预留了网络接口，为实现后续的远程监控与故障诊 断打下基础。 从功能上分，制造过程在线监测系统主要应包括传感器组、信号调理模块、 信号采集模块、显示模块和网络传输模块几大部分。本系统采用两种方案。 2 3 1 基于p c i 0 4 总线结构的硬件平台方案 p c i 0 4 总线系统目前已经逐渐成为嵌入式p c 机的机械标准，其秉承了 i b m p c 开放式总线结构的优点，与i b m p c 机完全兼容，具备工作范围宽、编 程调试方便、外围模块齐全等优点，所以在测试领域基于p c i 0 4 的智能仪器应 用广泛。 本系统首先采用基于p c i 0 4 总线结构搭建制造过程在线监测系统，主要完 成制造过程现场工况信息和设备运行状态信息的获取，进行信号处理和分析，显 示输出系统的加工运行状态，并作为远程监测与故障诊断系统的前端部分。 基于p c i 0 4 嵌入式模块构建的在线监测系统，包括通用c p u ( p c i 0 4 模块) 、 数据采集模块、内存和高速硬盘，预装完整的w i n d o w s 操作系统。系统选用 l a b v i e w 软件作为系统开发平台，实现对设备运行状况的数据采集、处理、显 示、数据存储等功能。 2 3 2 基于a r m 的嵌入式在线监测系统方案 基于p c i 0 4 总线结构的监测系统虽然功能强大，但其成本高、体积大、功 能资源浪费，且由于w i n d o w s 系统的局限性，其稳定性和可靠性不高，难以适 合环境复杂的制造加工现场。在实现基于p c i 0 4 总线结构的监测系统的基础上， 以其为原型，提出了一种基于a r m 微处理器和嵌入式l i n u x 操作系统的制造过 程在线监测系统方案。采用a r m 微处理器加f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ，现场可编程门阵列) 的结构，由a r m 微处理器完成系统控制和通讯功能， 由f p g a 完成数据采集、预处理和存储功能。在软件上采用流行的a r m l i n u x 作为操作系统。 目前a r m 的应用非常广泛，a r m 核的运行频率也越来越高，价格也越来 越便宜。针对本系统用于复杂的工业制造现场，并对处理速度和稳定性的考虑， 系统选用了a t m e l 公司针对工业系统控制和通讯领域推出的基于a r m 9 2 0 t 内 1 0 第2 章忭测系统的总体方案设计 核的低功耗3 2 位r i s c 工业级微处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 。f p g a 选择a l t e r a 公司 c y c l o n e 系列中的e p l c 6 q 2 4 0 c 8 ，e p l c 6 q 2 4 0 c 8 内部有两个锁相坏电路，支持嵌 入式逻辑分析仪【8 j 。 基于a r m 技术设计实现，系统采用模块化方法设计，主要包括c p u 核心 模块、数据采集模块、u s b 接口模块、通讯接口模块和电源模块。制造过程现 场信号经信号调理和放大后，经a d 转换模块转换为数字信号，c p u 核心模块 读入采样数据并进行相应处理。 图2 - l 系统总体框架 f i g u r e2 - 1t h ew h o l ef r a m eo ft h es y s t e m 本系统中数据采集模块是整个系统的最前端，它的功能实现决定了本系统的 整体性能。在数据采集中，一般对信号的采集分为同步采集和巡回采集两种方式， 其中同步采集主要用于需要在同一时刻对多路信号进行相关分析的场合，如果被 采集的多路信号之间没有严格的时间要求，则可以采用巡回采集的方式。本系统 主要对各种现场信号进行采集，所以采用巡回采集方式。针对本系统的采集对象 是制造过程的现场信号，在多通道数据采集模块的结构中，采用由多路开关轮流 将各路信号送入a d 转换器进行转换的方式。 2 4 本章小结 本章详细讨论了嵌入式制造过程在线监测系统应满足的功能要求和性能指 标，根据这些要求，确定了基于p c i 0 4 总线结构的监测系统方案和基于a r m 的 嵌入式在线监测系统两种方案。基于a r m 的嵌入式监测系统由a r m 微处理器 完成系统控制和通讯功能，由f p g a 完成数据采集、预处理和存储功能，并介绍 了各部分功能模块及芯片的选型，然后结合系统的实际需求，选择了数据采集模 块的结构和确定了信号的巡回采集方式。 第3 章基于p c i 0 4 总线结构的骱i i l 铜f t , 4 系统设计 第3 章基于p c i 0 4 总线结构的监测系统设计 基于p c i 0 4 总线结构的监测系统主要包括两方面的设计： ( 1 ) 基于p c i 0 4 总线结构的制造过程在线监测系统硬件系统设计研究制 造过程在线监测系统硬件系统实现。基于p c i 0 4 总线结构设计具有数据采集单 元和网络接口的设备状态监测系统。 ( 2 ) 基于p c i 0 4 总线结构的制造过程在线监测系统软件系统设计针对磨 削过程，编写数据采集和处理程序，该系统具有根据加工工况设置监测参数，报 警，网络传输等功能。 3 1 基于p c i 0 4 总线结构监测系统硬件设计 本系统硬件平台主要分为三个部分，如图3 - 1 所示。 _ _ - - 一一- _ _ - _ _ _ _ - _ 一- _ _ _ _ 一一一 图3 - 1 基于p c i 0 4 的监测系统结构框图 f i g u r e3 - 1t h ea r c h i t e c t u r ed i a g r a mo fm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do np c10 4 ( 1 ) 系统c p u 主板：采用研华公司生产的p c m 3 3 7 0c p u 模块，具有c p u 、 内存、d m a 通道、中断通道、可编程计数计数定时器、a t 兼容的盘接口及串 行、并行接口，c r t 显示器接口，鼠标接口，两个u s b 接口，还包含可启动系 统的固态硬盘和看门狗定时器。 ( 2 ) 数据采集卡：采用p c m 3 7 1 8 h g a d 数据采集卡，它通过p c 总线接口 接到p c m 3 3 7 0c p u 模块上，与p c i 0 4 c p u 模块构成一个高性能的数据采集与 控制系统。p c m 3 7 18 h g 为带可编程增益的1 2 位数据采集模块，拥有1 6 路单端 或8 路差分模拟输入( 跳线选择) ，最大采样频率1 0 0 k h z ，可以满足监测系统的 要求。 北京t q k 人学t 学硕i j 学位论文 ( 3 ) 传感信号调理模块：传感器信号在a d 转换前必须进行前置放大等预处 理，以放大弱信号，消除噪声，便于后续处理。系统采用用于加速度传感器的 y e 5 8 51 小型电荷放大器和a s c o p 声发射前置处理装置。y e 5 8 51 小型电荷放 大器将压电式传感器的微弱电荷信号转为电压信号。a s c o p 是德国v a l l e n s y s t e m 公司生产的声发射前置处理装置，它能够将高频的声发射信号进行处理， 快速转换为低频信号，以较低的采样频率采集。 在本体功能调试过程中，将c p u 、采集卡、传感器信号调理模块等集于一 体，通过p c i 0 4c p u 模块的标准键盘接口外接键盘，通过其并行口连接液晶显 示屏，通过s e m v f i 系统扩展模块外接显视器、软驱、硬盘，就可以构成功能 完整的工控机。 3 2 传感器的选取和应用 对制造过程的工况信息和设备运行状态进行在线监测，主要的工作就是获取 现场信息数据，也就是信号数据采集。数据采集是制造过程在线监控系统必不可 少的一部分，它是联接最前端的传感器和数据处理到显示输出等的重要部分。 数据采集是针对制造加工过程状态监测设计的，信号是多种多样的。磨削加 工过程中的监控常用的传感器信号类型有：声发射信号、电机功率( 电流) 信号、 振动信号以及切削力信号等。但是不同传感器对于不同的监控量的敏感程度不一 样，因此在确定监控目标后，要通过实验选择能够有效反映该监控目标的敏感信 号类型。 3 2 1 声发射信号传感器 声发射信号指的是物体在受到形变或外力作用时，因迅速释放弹性能而产生 的瞬间应力波，因此大多数声发射信号在时域中具有瞬态性。声发射信号由多模 式波组成，而每种模式又是由宽带频率成份的波组成。因此频谱多模态性是声发 射信号的另一个特点。声发射检测的优点在于：它避开了切削过程中的低频噪声 区域，在高频范围内灵敏度高，并且直接与切削机理相联系，受切削条件变化的 影响小。缺点是信号传输过程中衰减较大，对安装位置比较敏感。但目前声发射 技术同其他检测方法比较，仍是很有发展前景的一项检测技术。本系统选择 v s l 5 0 m 型声发射探头和a s c o - - p 型a e 信号调理器配接组成声发射传感器。 3 2 2 振动信号传感器 振动信号可利用加速度传感器获得，它与切削力、切削系统本身的机械动态 1 4 第3 帝基于p c i 0 4 总线结构的嘛测系统设计 特性密切相关，具有信号容易检测、传感器体积小、刚度大、易于安装的特点， 广泛应用于切削颤振、刀具磨损等监控中。缺点是对环境噪声比较敏感，动态响 应频率不够高，只适合于中低频信号的监测。本系统选择c a y d 1 0 3 型压电 式加速度计和y e 5 8 5 1 型电荷放大器配接组成加速度传感器。 3 2 3 主轴电流信号传感器 在切削加工过程中，电机主轴的功率或电流直接与主轴的扭矩和切削力分量 有关，当切削力发生变化时，主轴电机的负载也相应变化，从而导致电机电流 功率发生变化。电流功率的监测可以归为切削力监测，相当于把力的测定部位 切削区转移到电动机，将力参数转变为电参数。电机电流功率信号可通过电流 互感器、功率变送器等检测。电流功率检测方法具有成本低、易使用、不破坏 机械系统的优点，缺点是灵敏度不高、信号微弱。本系统选择c h k 一2 0 0 y 4 型开 环霍尔电流传感器和采样运算放大电路配接组成电流传感器。 3 3 基于p c i 0 4 总线结构监测系统软件设计 基于制造过程在线监测系统采用l a b v i e w 软件进行编程，实现对设备运行 状况的数据采集、处理、显示、监控等功能。 ( 1 ) 数据采集通过传感器，完成设备各监测点的数据采集 ( 2 ) 实时监测实现加工设备运行状态的实时