（机械制造及其自动化专业论文）基于armuclinux的带传动实验台的研制.pdf

基于a r m u c l i n u x 的带传动实验台的研制 摘要 针对科教仪器的发展现状，利用与企业合作项目的机会，研制了一款高性 价比的新型带传动实验台。该实验台具有电机调速、数据采集、分析和液晶显 示等功能，并能通过串口或者以太网接口与普通计算机通信。 带传动实验台是高校机械实验室必备的实验仪器之一。本文在对同类产品 的性能和嵌入式系统进行详细分析的基础上，提出了以a r m 7 芯片取代5 l 系 列芯片、以液晶显示模块取代数码管显示，来开发新型带传动实验台的设计思 路。液晶显示模块的使用，使得实验台可以单独完成实验和数据处理，而无需 借助普通计算机的辅助。从而提高了产品的性价比，对同类产品的研发也具有 启发性作用。 根据实验台的功能需求，对实验台的总体设计方案进行规划，并对其软硬 件系统的开发进行了详细说明。在实验台的硬件系统设计中，采用n x p 公司的 a r m 7 系列芯片中的l p c 2 2 1 0 作为核心，并跟据其特点完成各功能模块的硬件 电路设计；在软件系统设计中，根据u c l i n u x 操作系统的强大功能，为各功能 模块进行驱动程序和应用程序编写；在用户图形界面的编程中，介绍了嵌入式 图形支持系统m i n i g u i 的使用流程，并用其实现了用户图形界面。 最后经过实际运行，验证了实验台的设计符合带传动实验的功能需求。 关键词：带传动实验台a r m 7u c l i n u x液晶显示 m i n i g u i t h e d e v e l o p m e n t o fb e l t w o r kt e s t b e db a s e do na r m u c l i n u x a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no fv a r i o u sn e wt e c h n o l o g i e sa n dt h e o r i e sp r o m o t e st h er a p i d d e v e l o p m e n to fi n s t r u m e n t sa n dm e t e r s t e c h n o l o g y ，b u t ，o n ei m p o r t a n tb r a n c ho f i t s ，s c i e n c ea n de d u c a t i o ni n s t r u m e n t sd e v e l o pr e l a t i v e l ys l o w l yd u et om a n y r e s t r i c t i o n s ，l o t so fe q u i p m e n t sa r es t i l li nt h el o w s k i l l e dl e v e la n df a i l e dt ok e e p u pw i t ht h er h y t h mo ft i m e b e c a u s eo ft h ea c t u a lc o n d i t i o no fs c i e n c ea n d e d u c a t i o ni n s t r u m e n t s ，t h i sd i s s e r t a t i o np r o v i d e sah i g hp e r f o r m a n c e p r i c er a t i o d e s i g no ft h eb e l t w o r kt e s t b e db a s e do na r m 7m i c r o p r o c e s s o r t h i sp l a nh a s m a n yf u n c t i o n s ，s u c ha sm o t o rt i m i n g ，d a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y s i s ，l c d d i s p l a y ， a n dc o m m u n i c a t i n gw i t hc o m p u t e r so v e rs e r i a lp o r t so re t h e r n e t b a s e do nt h ed e t a i l e da n a l y s i so fs i m i l a rp r o d u c t sa n de m b e d d e ds y s t e m s ，t h i s d i s s e r t a t i o n p r o v i d e s an e ws c h e m eo f d e v e l o p i n g am o d e mm e c h a n i s m e x p e r i m e n t a li n s t r u m e n t ，b yu s i n ga r m - s e r i a lc h i pt or e p l a c et h e51 - s e r i a lc h i p a n dt h e l c d d i s p l a ym e t h o d t o l e d - d i s p l a ym e t h o d t h i sp r o m o t e st h e p e r f o r m a n c e - p r i c e - r a t i o o fp r o d u c t g r e a t l y ，a n d c o n t r i b u t e st o p r o d u c t s d e v e l o p m e n to fs a m ek i n dw i t ha c e r t a i ne x t e n tg u i d i n gs i g n i f i c a n c e b a s e do nt h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so ft h et e s t - b e d ，t h i sd i s s e r t a t i o n 西v e sag e n e r a l p l a nf o rt h ee x p e r i m e n t a li n s t r u m e n td e s i g n ，a n dt h e nad e t a i l e dd e s c r i p t i o nf o ri t ss o f t w a r e a n dh a r d w a r es y s t e m si sf o l l o w e d i nt h eh a r d w a r es y s t e md e s i g n ，b yu s i n gl p c 2 210c h i p w h i c hi so n eo fa r m 7 s y s t e m so fn x pc o r p o r a t i o n ，t h i sd i s s e r t a t i o nf i n i s h e dt h eh a r d w a r e c i r c u i t sd e s i g no nb a s eo fi t s c h a r a c t e r i s t i c s i nt h ed e s i g no fs o f t w a r es y s t e m ，t h i s d i s s e r t a t i o ng i v e st h ed r i v e ra n da p p l i c a t i o np r o g r a m si nd i f f e r e n tm o d u l e sb yu s i n gt h e p o w e r f u lf u n c t i o no fu c l i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ；i nt h ep r o g r a m m eo fg r a p h i c a lu s e r i n t e r f a c e ，i n t r o d u c e dh o wt ou s em i n i g u ia n da c h i e v e dd i s p l a yu s i n gm i n i g u i a f t e rt h ef i n a le x p e r i m e n t ，t h ed e s i g no ft h et e s t b e dc a l lm e e ta l lt h ef u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t so ft h eb e l t w o r ke x p e r i m e n t k e y w o r d s ：b e l t w o r kt e s t - b e d a r m 7u c l i n u x l c d - d i s p l a ym i n i g u i i l 插图清单 图2 - l 带传动的工作原理6 图2 2 带传动的滑动曲线和效率曲线7 图2 - 3 实验台机械结构简图8 图2 4 嵌入式系统的组成结构1 0 图2 - 5 控制系统功能框架1 5 图3 1l p c 2 2 1 0 的最小系统1 7 图3 - 2 光电开关测速示意图1 9 图3 3 脉冲信号调理电路2 0 图3 - 4 信号调理电路各部分波形2 0 图3 - 5 转矩信号放大电路2 i 图3 - 6 液晶接口电路2 2 图3 7 矩阵键盘接口电路2 3 图3 - 8 串口通信接口电路2 4 图3 - 9 网络接口电路2 6 图3 - 10u s b 接口电路2 8 图3 - 1 l 直流电动机单开关驱动2 9 图3 一1 2 直流电动机转速控制电路3 0 图3 一l3 负载控制电路31 图4 一lu c l i n u x 的基本架构3 4 图4 - 2 线程状态及其转换3 5 图4 3 设备驱动程序与l i n u x 操作系统之间的关系3 8 图4 - 4 转速定时器计数值获取3 8 图4 5 串口通信工作流程4 0 图4 6t c p i p 协议栈结构4 2 图4 7l i n u x 网络设备工作原理4 3 图4 8 网络接口中断服务流程4 4 图4 - 9 服务器端客户端使用u d p 协议的通信流程4 5 图4 1 0u s b 驱动程序框架4 5 图4 - l lu s b 设备的描述符4 7 图4 - 1 2c h 3 7 5 模块读优盘的层次结构。4 8 图5 - 1q v t b 的应用窗1 2 1 5 2 图5 2 液晶显示分区5 7 图5 - 3 启动电机后的显示界面5 7 图5 4m i n i g u i 程序工作流程5 8 图5 - 5 宿主机上获得的主界面。6 0 图6 - l 带传动实验台实物图6 1 图6 2 实验台工作6 个小时后获得的数据6 4 图6 - 3 实验台工作6 个小时后获得的曲线6 4 v l 表格清单 表3 1l p c 2 2 10i o 口和地址资源分配。3 2 表6 1 实验台重复性和稳定性测量。6 2 表6 2 实验台再现性测量6 3 v i l 独创性声明 本人声明所耳交的学位论文是本人在导师指导卜进行的研究l ：作及研究成果。据我所知，除 了文中特圳加以标：占利致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰弓过的研究成果。也不 包含为获得金日巴! ：些厶堂或其它教育机构的学位或证忙而使川过的材料。与我一同l ：作过的 同忠对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 论文? 字：藤方撕期：刁年伊侈日 学位论文版权使用授权书 本学伶论文作者完全了解金8 里! ：些厶堂有关保留、使川学何论文的规定，有权保留并向 国家有关部i j 或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被奁阅或借阅。本人授权合肥l ：业人 生l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采川影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文： ( 保密的学位论文住解密斤适川本授权l5 ) 学位论文作者签名：艿方 导师签名： i、 章陵甜 v 签字日期山7 年垆月釉签字日期砌产。尸日 学位论文作者毕业斤去向： i ：作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 本文是在导师朱家诚教授的悉心指导下完成的。在研究生学习期间，朱老 师对我的学习和生活都给予了无微不至的关怀。朱老师对我论文撰写工作自始 至终都倾注了大量的心血，在论文的选题、修改直至定稿都给予了细心的指导。 在此论文完稿之际，我衷心向朱老师表示我最诚挚的谢意。 朱老师严谨求实的治学态度、渊博开阔的学识、宽以待人的高尚品质使我 受益匪浅，为学生树立了治学、为人和处事的榜样。感谢机械原理及零件教研 室的汪进副教授、周美立教授、董玉革教授、吴天星副教授、王纯贤副教授、 肖献强老师以及陈奇老师，感谢他们在学术上给予的指导和帮助! 感谢教研室 其他老师在我读研期间给予的诸多帮助。 在论文写作期间，得到了高新软件嵌入式教育中心的左海利老师，学员郑 飞、杨秀永的悉心帮助，在此一并感谢。 感谢师兄张永松，师弟储颖、高振刚、余亮浩、林长洪、王绍辉，教研室 的宋志燕、赵古田、刘元平等同学给予的帮助! 最后，深深感谢我的父母和爱人，感谢所有支持和帮助过我的亲人、同学 和朋友们! n i 作者：李方 2 0 0 9 年0 3 月2 8 日 1 1 引言 第一章绪论 知识的获取往往从测量开始，人类在其自身的发展过程中创造并发展了仪 器测量学。在公元前三千年，古埃及人就以黑色花岗岩实现了其长度的统一标 准一埃尔，并在金字塔等浩大工程中使用了这一标准。秦始皇统一六国后，也 建立了统一的度量衡制度，促进了当时社会的发展i lj 。在十七、十八世纪，由 于发明了科学的温度计和实用的温标，才使温度成为可以测量和定量计算的基 本物理量。在十九世纪，由于发明了测量电流的仪表，才使电学与磁学的研究 迅速走上正轨，并奠定了近代电学的基础。在二十世纪，由于威尔逊云室和众 多核物理探测仪器的发明，人们才揭开了原子核反应神秘的面纱，为核物理学 与日后原子能的利用奠定了基础 2 1 。这些都说明了测量及测量仪器对当时的生 产力发展和社会进步的促进作用。从另一个角度来讲，用以检出、测量、观察、 计算各种物理量、物理成分、物性参数等的器具或设备，即仪器仪表，己成为 社会发展的巨大助力。 当今，测量与仪器仪表已经渗透到人类活动的每个领域。小到日常生活中 的水、电、煤气表和每日天气预报j 大到工业生产和科学研究，如人类基因的 测试工作，甚至，现代化的战争也完全建立在先进的仪器仪表技术的基础之上。 在1 9 9 1 年的海湾战争中，美国使用的精密制导炸弹和导弹仅占8 ，而在1 2 年后伊拉克战争中，其使用率已达到9 0 以上。此外，仪器仪表技术在环境检 测、交通运输、质量监控、公安刑侦、医药卫生以及人们的日常生活中都起着 越来越大的作用，可以说，仪器仪表的发展水平代表了一个国家的科技水平和 综合国力。因此，各国都高度重视仪器仪表及其产业的发展，以科学仪器中的 分析仪器为例，2 0 0 0 年世界分析仪器市场年销售总额为2 5 6 亿美元，到2 0 0 2 年己增长到3 1 6 亿美元，平均年增长1 1 以上，是当时全球经济增长速度的3 - 4 倍。而在国内，2 0 0 4 年，仪器仪表行业总产值首次突破1 0 0 0 亿元，2 0 0 6 年 突破2 0 0 0 亿元，2 0 0 7 年更是突破3 0 0 0 亿元，利润总额达到2 2 5 亿元，其高速 发展的形势已经保持了近五年p j 。 与此同时，科学仪器中的另一个分支科教仪器，也在世界范围内作为一 个新兴产业群迅猛发展起来。德国f e s t 0 公司、德国哈芙伦有限公司、清华科 教仪器厂、浙大中控、南京日上自动化设备有限公司、天津探索智能机械有限 公司等都是以赢利为目的教学仪器生产企业。随着我国高等教育事业的不断发 展，国家对教育的投资力度不断加大，高校办学规模的不断扩大，高校实验室 的设备现代化、数字化改造，对各种新型、高性价比的教学仪器有着巨大的需 求，因此，研制和开发各种新型、高性价比的科教仪器有着巨大的发展潜力与 空间。 1 2 仪器仪表技术的发展现状 随着仪器仪表应用领域的不断增加，以及科学技术的日新月异，尤其是各 国政府部门的重视，仪器仪表技术得到了迅速的发展。各学科大量的新技术成 果和新理论成果，总是最先应用到仪器科学技术领域中，使得仪器仪表向着微 型化、智能化、网络化、多功能化的现代化仪器仪表方向发展。仪器仪表技术 发展的特点主要有： ( 1 ) 测量技术指标的不断提高 随着新型传感器的发明、数字信号处理技术的应用、新型材料和加工工艺 的使用以及新的设计理念的引入，使得现代仪器仪表在其测量精度、测量和控 制范围、测量速度、分辨率、稳定性和可靠性等方面提高了几个数量级。在测 量精度上，工业测量仪器的测量精度普遍提高到0 0 2 以上，航空航天参数测 量达到0 0 5 以上；在测量和控制的范围方面，电压测量的范围已达到1 0 9 伏 特到1 0 6 伏特，电阻测量的范围可从超导到1 0 1 4 欧姆；在测量速度方面，一般 动态测量可以达到微秒级；在分辨率方面，其灵敏度已经达到纳米甚至亚纳米 的数量级；在可靠性和稳定性方面，可靠性一般可达到2 5 万小时，可靠性要 求高的更可达到2 5 万小时，高精度仪器的稳定性可达到年精度变化在o 0 5 以内，一般仪器也可达到年精度变化在0 1 以内1 4 】。 ( 2 ) 高新技术和最新科技成果的大量采用 仪器仪表是人类认识客观世界、改造客观世界的重要工具，是人类进行科 学研究和工程技术开发的最基本工具。科学技术的发展必然要求仪器仪表技术 的更新，因此，诸多新的技术领域成果，如计算机软硬件技术、激光技术、传 感技术、微纳米技术的成果，以及新的理论成果，如信息论、控制论、宏观与 微观领域的各种领域的研究成果，经常是最先被应用到仪器仪表科学技术领域 中，成为仪器仪表技术迅猛发展的动力【4 】。 ( 3 ) 仪器仪表的智能化、多功能化、微型化、网络化和虚拟化 随着计算机技术的发展，包括嵌入式技术、数字信号处理( d s p ) 技术和集成 芯片的大量应用，出现了具有理解、分析、逻辑判断和控制等多种功能的智能 仪器。再结合微电子和微纳米技术，可将多种功能，如传感、检测、信号处理 和执行，集成在一个微系统器件上，形成m e m s ( 微机电系统) 器件，如微流量 控制芯片、微泵，从而实现了仪器仪表的多功能化和微型化。借助于i n t e r n e t 和i n t r a n e t 技术、现场总线技术、图像处理和传输技术，可将不同地点的不同 仪器仪表联系在一起，实现资源共享、故障网上诊断，并且还可直接与供应商 进行网上交流，获得技术支持。 近年来，由于计算机软件技术的飞速发展，在智能化仪器的基础上，形成 2 了虚拟仪器的概念。虚拟仪器是指在最小硬件系统的支持下，用计算机软件实 现传统仪器仪表的各种功能，如数据的采集、处理、存储和传送等，即使用软 件取代硬件逻辑，实现“硬件软化”，这就可以进步降低仪器成本、减小体 积、降低功耗，还能提高可靠性。由于软件的易改变性，只需改变程序，即可 实现功能的变化，使得仪器仪表的功能更加灵活多变l l 】。 综上所述，微电子及微型计算机软硬件技术已成为推动仪器仪表发展上的 最大动力之一。电子技术的引入产生了电子仪器，电子仪器的发展又经历了模 拟式电子仪器、数字式电子仪器和智能仪器三代，而智能仪器正是在数字化仪 器的基础上，融入了集微型计算机技术和微电子技术于一体的嵌入式技术，才 迅速发展起来的。嵌入式技术已成为当前最热门的技术之一，本文叙述的就是 以a r m 嵌入式技术为平台来开发一款高性价比的带传动试验台。 1 3 课题研究的内容与意义 科教仪器是科学仪器的一个分支，在高校实验教学中起着联系老师和学生 的纽带作用。学生通过具体的实验，可以对所学的知识有形象化的认识，参照 实物，更能达到轻松理解所学概念的作用，还能加深记忆。老师则可通过实验 检查学生对知识点的掌握情况。与其他仪器仪表一样，科教仪器也随着各种新 兴技术、理论的应用，在不断的向着智能化、数字化、多功能化和网络化的方 向发展。 目前，在国内高校的机械基础类教学实验中，各种机电一体化课程及相关 教科仪器己进入大学课堂。但由于大学实验室现代化、数字化改造过程中出现 的经费紧张问题，大多数的教科仪器还是没能跟上技术发展的节奏，或者仅有 一台或者几台仪器在教学课程中用做示范，甚至一些纯机械操作的老式仪器还 在使用，而这些老式仪器已经与现实脱节，而且操作繁琐。 教育是服务于社会需要的，必须要与社会发展的节奏相匹配，因此要不断 把各种新技术应用到教学中。通过对教科仪器的使用，不但能使学生轻松、高 效地完成实验，理解所学内容，还可通过操作仪器设备了解到工程领域的最新 技术。因此，研发一款性价比较高，又能与技术发展相匹配的实验仪器，就有 了非常明显的意义。本文就是以此为出发点，选用机械设计实验课程中的 带传动实验为载体，以当前正热门的嵌入式技术为开发平台，来开发一款低成 本、高性能的带传动实验台，使其具备初步的自动化、智能化和网络化的特点。 目前市场上大多数带传动实验台是采用8 位单片机来开发的，测试的实验 数据一般使用数码管( l e d ) 来显示，如果要显示图形或保存数据，必须通过 p c 机由测试分析软件来完成。而且实验台与p c 机的接口大都采用r s 2 3 2 通 信协议，因此每台实验台都需要单独的p c 机来配合实验，这样无疑增加了实 验台的成本，也没有完全发挥出嵌入式系统在仪器仪表应用中的高性价比特点。 本文针对以上所述的缺点，引入a r m 嵌入式技术，对实验台的控制系统进行 改进和功能扩展。主要有以下几个方面的改变： 1 、以高性能、多功能的3 2 位的a r m 7 t d m i 微处理器作为控制系统的主 控芯片，代替原来的8 位单片机，并采用u c l i n u x 操作系统来协调相关应用程 序。 2 、采用大型图形点阵式液晶显示模块( l c m ) 代替原来的数码管( l e d ) 显示 面板，使实验台既能显示采集的实验数据( 最多8 组) 又能显示表示实验结果的 滑动曲线和效率曲线。同时结合矩阵键盘，设计了一个友好人机界面，给出简 单的操作提示。l c m 的使用，使得实验台可以脱离计算机的辅助，单独完成实 验，实现了实验台的成本的大幅度降低。 3 、加入了基于t c p i p 协议的以太网通信模块，使多个实验台可以同时连 入局域网，与主计算机进行通信，且仅需一台主计算机。实验台可以把测试结 果传送到主计算机分析、保存，而学生可以将实验结果保存到自己的存储介质 中，做成电子档实验报告或打印出来。 4 、配备了u s b 接口，可以将实验数据传输到普通优盘，适于无网络的实 验室，从而降低实验台对计算机的依赖程度。 目前，市场上的3 2 位a r m 微处理器的价位，已与m c s 5 1 系列单片机的 价位非常接近，而且a r m 微处理器在机电一体化产品和仪器仪表中的应用也 越来越广泛。在高科技产业中也是大名鼎鼎，如a r m 手机芯片，因此采用a r m 微处理器作为控制系统的主控芯片具有很高的实际应用价值。而且基于3 2 位 a r m 核的芯片在硬件性能和资源上都远远超过普通5 l 系列单片机，并且在液 晶显示、以太网接口电路以及其他外围电路的设计上就会变得更加方便。 1 4 课题来源 本文课题来源于企业合作项目“新型智能机械实验平台的研制 中的带传 动实验台部分。 1 5 论文结构安排 本论文共分为七章： 第一章绪论部分介绍了当前仪器仪表行业的发展现状和趋势，结合目前市 场上同类产品的实际使用情况，提出了一种新型实验台的设计思想。 第二章基于带传动实验台的结构和带传动工作原理，对实验台的机械部分 作出了设计，并对实验台的开发平台进行了选型，对实验台的总体设计方案作 出了规划。 第三章以a r m 7 t d m i 架构芯片中的l p c 2 2 1 0 为实验台的控制核心，对实 验台的硬件系统设计作出了详细的阐述，给出了硬件电路图。 4 第四章结合嵌入式操作系统u c l i n u x 的特点和实验台硬件结构，对实验台 的软件系统的实现进行了讨论，给出了简单了驱动开发流程。 第五章结合嵌入式图形支持系统m n i g u i 对实验台的标志部分一人机界面 模块的软件实现进行了详细论述，给出了在安装有r e d h a tl i n u x9 0 操作系统 的宿主机上安装m i n i g u i 的方法，并讨论了针对本文的硬件体系结构和u c l i n u x 操作系统的m i n i g u i 移植方法，最后结合液晶显示任务讨论了液晶显示任务的 软件实现步骤。 第六章通过实际的运转测试，检验实验台功能的稳定性和可靠性。 第七章对所做工作进行了总结，指出了不足之处并提出了一些展望。 5 第二章总体结构设计及开发平台选型 2 1 带传动实验的内容与原理【5 l 【6 1 【7 】 带传动是两个或多个带轮之间用带作为挠性拉曳零件的传动。工作时借助 零件之间的摩擦( 啮合) 来传递运动或动力，如图2 1 所示。带传动所具有的缓 和载荷冲击、运行平稳无噪声、制造和安装精度要求不高、过载时通过引起带 在带轮上打滑而防止其他零件损坏、工作中心距可调( 可达1 5m ) 等特点使其应 用范围非常广泛。带传动的性能实验也被机械设计教学大纲规定为必做实 验之一。通过带传动实验，学生可现场观察带传动工作中的弹性滑动和打滑等 重要物理现象，验证预紧力等因素对带传动工作能力的影响，对分析这些现象 产生的原因以及与带传动工作能力的关系有很好的帮助作用。 。一坠彳一 、 ? 、 、j 飞 、 j r 。淞 0 ， f ； 拜之 乃 ) 图2 一l 带传动的工作原理 如图2 1 ( a ) 所示，带传动在工作前，传动带以一定的预紧力e 张紧在带轮 上。预紧力只必须大于带传动正常工作所需求的最小预紧力，否则主动带轮将 无法带动从动带轮。带在工作时，因为带与带轮之间的静摩擦力作用使得带一 边拉紧，一边放松，如图2 1 ( b ) 所示。又由于传动带是弹性体，受力不同时伸 长量不等，使得带传动发生弹性滑动现象，从而使得从动轮的圆周速度低于主 动轮，其相对降低率s 就称为滑动率。随着载荷的增加，带传动的有效拉力f 也 不断增大，当超过最大值时，带就开始打滑。此时带在带轮上全面滑动，带传 动失效。滑动率、传动效率和有效拉力计算公式分别为： ：! 出：1 一垒生( 2 1 ) kq，l l q ：墨：盟1 0 0 ( 2 2 ) 。 舅z i 啊 f ：娶 ( 2 3 ) d 、7 式中各参数含义如下： k 、k 一一主、从动轮的线速度啊、也一一主、从动轮转速 6 d l 、取一一主、从动轮的基准直径只、只一一主、从动轮上的功率 z 、瓦一一主、从动轮的转矩f 一一有效拉力 带传动实验的内容为测定不同负载下滑动率占、传动效率叩和有效拉力f 的值，并根据这些数据绘制带传动的滑动曲线( f ，g ) 和效率曲线( f ，卵) ，如图 2 - 2 ( a ) 所示：在改变预紧力的情况下，绘制不同预紧力下的滑动曲线图，如图 2 - 2 ( b ) 所示；并分析预紧力对带传递负载能力和带的疲劳寿命的影响。 ，f f r 、 、 | e 一 k 弹性滑动打滑f ，1 2 0 ( a ) 图2 - 2 带传动的滑动曲线和效率曲线 2 2 实验台的结构及功能需求 2 2 1 功能需求 f ，正 根据带传动实验的内容和原理，为了满足现代技术发展的需要，对实验台 提出了以下功能要求： ( 1 ) 在不同的预紧力下进行实验； ( 2 ) 实时获得主、从带轮的转速，并在液晶屏上显示，原动机速度可调； ( 3 ) 实时获得原动机和发电机的转矩信号，经处理后获得其数值，并在液 晶屏上显示； ( 4 ) 发电机负载的可逐级增加或减少； ( 5 ) 计算每个负载点的传动效率和滑动率，并在液晶屏上显示已计算出的 每个负载点的传动效率和滑动率； ( 6 ) 根据测得的一组数据，对传动效率和滑动率进行数学分析，并将曲线 在液晶屏上显示； ( 7 ) 通过键盘对实验台进行有效控制； ( 8 ) 通过r s 2 3 2 接口和以太网接口实现实验台与计算机通信及组网。 由于有效的速度数据和转矩数据均在系统平稳运行的状态下获得，所以对 软件系统的实时性要求不严格。 7 2 2 2 结构设计 实验台的总体结构可分为两大部分， 的控制系统模块，是实验台的主体部分， 2 2 2 1 机械结构设计 根据带传动实验台的功能要求， 结构，其主体部分是两台直流电机， 电机，两台电机通过平带相连。 即机械部分和电气部分，电气部分中 下面将对这两部分分别进行设计。 设计实验台的机械结构。图2 3 显示了该 其中一台作为原动机，另一台作为负载发 实验台通过砝码、滑轮、牵引绳和浮动支座组成预紧力加载系统，可通过 改变悬挂的砝码来改变预紧力；通过将主、从带轮开槽，形成只有一个槽的码 盘，配合光电开关来测量电机转速；两台电机的定子外壳是支承在支座2 和9 的滚动轴承中，并可绕与转子相重合的轴线任意摆动的。当电机启动和发电机 带负载后，由于定子磁场和转子磁场的相互作用，电动机外壳将向转子相反的 方向倾倒，发电机的外壳将向转子旋转的相同方向倾倒，它们的倾倒力矩可通 过固定在定子外壳上的力矩传感器1 1 来测得。 189 1 滑轮 2 浮动支座 3 主动带轮 4 主动电机 图2 - 3 实验台机械结构简图 5 平带 6 从动带轮 7 从动电机 8 光电传感器 2 2 2 2 电气结构设计 9 固定支座 1 3 砝码 1 0 箱座 1 1 称重传感器 1 2 牵引钢丝 电气控制系统是实验台的主体部分，可将其划分为两大模块： ( 1 ) 电机转速与负载控制模块该电气模块安装在实验台机械部分的箱座 8 内。主要实现电机的无级调速、负载的逐级增加和减少等控制功能，同时提供 多路基准电压给各电气控制模块。 ( 2 ) 主控制扣人机界面模块此模块安放于实验台的控制箱内。承担实验操 作、数据采集、数据处理分析、信息记录、曲线显示、网络通信等任务。能实 时显示带传动工作中主、从动轮的转速、转矩值。通过控制箱面板上的大屏幕 液晶显示器，可以方便地输出数据采样结果，并显示拟合出来的效率曲线( f ，印) 和滑动曲线( f ，s ) 及相关数据。 从两大结构的设计分析来看，该设计方案可满足实验台的功能需求，具体 环节的实现，如主、从带轮转速及转矩的测量，将在后续章节介绍。 2 3 嵌入式系统简介 2 3 1 嵌入式系统的定义 随着数字技术的发展、新的体积更小的控制芯片和功能更强的操作系统的 出现，嵌入式系统得到了广泛应用。从基于群集的超级计算机到空调中的微控 制器，从波音飞机到小汽车，嵌入式系统已遍布人们的日常生活，而数字时代 的标志也从普通p c 机转变为形态各异的嵌入式系统。 嵌入式系统已成为当今最热门的概念之一，国内普遍认同的定义为：以应 用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适合应用系统对功能、可 靠性、成本、体积和功耗要求的专用计算机系统【8 】。 2 3 2 嵌入式系统组成 作为专用计算机系统，同普通计算机组成类似，所有嵌入式系统都包括硬 件和软件两个部分。图2 4 完整的描述了嵌入式系统的组成结构【9 1 。 2 3 2 1 嵌入式系统硬件 嵌入式系统的硬件结构如图2 4 下半部分所示。嵌入式系统是以嵌入式处 理器为中心，由存储器、i o 设备、电源、显示设备以及通信模块等外围辅助 设备组成。除了处理器的最小系统外，其余的设备、接口电路都可根据需要和 成本就行裁剪和定制。 嵌入式处理器作为嵌入式系统的核心，通常采用整合集成的办法，以某一 种微处理器内核为核心，在芯片内部集成r o m 、e p r o m 、r a m 、a d 、i o 控 制器、d a 、f l a s h 、总线、总线逻辑、定时器计数器及看门狗等必要功能和外 设。这样就可以根据不同需求，以相同的微处理器配合不同的动能和外设，生 产一系列的产品。根据这种思想，嵌入式处理器可分为以下四类：嵌入式微 处理器( e m b e d d e dm i c r op r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) ；嵌入式微控制器( m i c r o 9 c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) ；嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r ，e d s p ) ；嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 。嵌入式微处器主 要包括p o w e r p c 、m o t o r o l a6 8 0 0 0 、a r m 系列等；嵌入式微控制器( 即单片机) 包括8 0 5 l 、p 51 x a 、m c s 9 6 1 9 6 2 9 6 等；d s p 处理器专门用来对离散时间信 号进行处理计算：嵌入式片上系统是嵌入式处理器生产思想的一个极端，即在 一个芯片上实现一个完整的系统瞪】。嵌入式处理器按字长划分有8 位、1 6 位、 3 2 位和6 4 位，当前应用最广泛的是8 位和3 2 位处理器。典型的8 位微处理器 就是8 0 5 1 系列，而3 2 位微处理器的典型代表就是a r m 系列。 用户应用程序 应用层 应用程序接口 o s 层 l 嵌入式操作系统 l 驱动层l 设备驱动程序 i l系统电源 毒 g p l 0 旦j ! 昼j - 处理器 f l a s ht i m e ti a r m 核 r f 苫 用户应用电 e e p r o m 内 l ：匕： _ hi u c f - 夏i i 路( 输入输 s d r a m q 1- - i 二：“ l 二：二： 滤波、放大 m m 哪， 出、隔离、 ； ： p m 。 c ：a c h e l 二：竺：l ： f p g a c p l d s r a m f - - - _ 二= ；r 一蒹蒹苗茁一 或其它接 匕竺_ 广- 一i i i i 。石1 - 口) r 。! - - 。 复箬狗电路 i ：a d c d a c ； ：d m a：i r d a ； 一 j 人机交互接口( 键盘、鼠标、l c d触摸屏) 2 3 2 2 嵌入式系统软件 图2 - 4 嵌入式系统的组成结构 软 件 硬 件 嵌入式系统的软件结构如图2 4 上半部分所示。最低层的是硬件设备驱动 层，在驱动层上面的是嵌入式操作系统层，最上面的是应用层，包括应用程序 和应用程序接口a p i 层，用来实现系统的功能。 在8 位单片机为主的嵌入式系统上，因为应用相对简单，在软件上一般不 采用操作系统。它们只是为了实现某个控制或测试的功能，使用简单的循环控 制来对外部的操作请求进行处理就可以满足要求。而且运行嵌入式操作系统需 要一定的系统资源开销，所以在以8 位单片机为核心的嵌入式软件系统中只有 一段包括设备驱动层和应用层的循环控制的执行代码。 随着嵌入式系统不断深入到人们生活中的各个领域，嵌入式处理器得到了 前所未有的发展，以8 位单片机为核心的嵌入式技术已无法满足高性能嵌入式 1 0 技术的发展要求，因此以3 2 位单片机作为核心的嵌入式技术是未来发展的必然 趋势。随着可用硬件资源的增加、应用系统的越来越复杂，使用操作系统来管 理和控制内存、多任务、周边资源的好处也越来越明显。 嵌入式操作系统要求具有良好的实时性和可裁剪性。可在指定的或者确定 的时间内，实现系统功能和对外部或内部、同步或异步事件作出响应，同时其 功能可裁剪。嵌入式操作系统的体系结构分为内核和功能模块。内核包括任务 调度、任务间的通信和中断管理等，是操作系统运行不可缺少的部分；功能模 块包括内存管理、文件管理、图形驱动和网络接口等模块，用户可以根据具体 要求来选择这些模块。如同嵌入式系统硬件一样，功能模块也是可裁剪的，如 不需要内存管理，则可在编译内核的时候将它取消掉，节省存储空间。 2 4 开发平台的选型 2 4 1 硬件平台的选择 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件，它的功能和性能，直接影响整个 系统的设计。它制约了与其配套的外围器件的选择，在很大程度上影响到系统 软、硬件功能的划分，包括操作系统的选择。嵌入式处理器的功能强弱决定了 系统性能指标的上限。鉴于实验台需要处理的信号仅有两部分且对信号要求不 高，和实验台成本尽量降低的要求，本文选择了a r m 7 系列微处理器中的 i ，p c 2 2 1 0 。 2 4 1 1a r m 微处理器【8 l 【1 0 】【1 1 】 a r m 系列处理器的最早研发始于2 0 世纪8 0 年代中期，是英国先进r i s c 机器公司( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ，a r m ) 的产品。a r m 公司不进行芯片的生 产，而是专注于高性能、低成本、低功耗的r i s c 微处理器的设计，并转让和 授权给其技术合作伙伴，使他们能用这些技术来生产各具特色的芯片。a r m 处 理器兼顾到低功耗、低成本、高性能等众多优势。 a r m 7 是一种小型的高性能、低功耗、可集成3 2 位r i s c 处理器的内核架 构，主要用于对功耗和成本要求比较苛刻的产品，如通信类产品。其经典产品 a r m 7 t d m i 是目前a r m 结构中授权最广泛的低端a r m 核，它支持3 2 位a r m 指令集和高密度的1 6 位t h u m b 指令集，使用1 6 位t h u m b 指令集可以使1 6 位 的存储器达到3 2 位存储器才具有的高性能。 a r m 7 t d m i 具有以下性能特点： ( 1 ) 三级指令流水线a r m 7 t d m i 使用流水线以提高处理器指令流的速 度。流水线允许几个操作同时进行，以及处理和存储系统连续操作。a r m 7 t d m i 使用3 级流水线，所以指令的执行分为3 个阶段一一取指、译码和执行。当正 常操作时，在执行一条指令期间，其后续的一个指令进行译码，且第3 条指令 从存储器中取指令。 ( 2 ) 存储器访问a r m 7 t d m i 处理器使用的是冯诺依曼结构，指令和数 据共用一条3 2 位总线。只有加载、存储和交换指令可以访问存储器中的数据。 数据可以是8 位字节、l6 位半字或3 2 位字。 ( 3 ) 存储器接口a r m 7 t d m i 处理器的存储器接口可以使潜在的性能得 到实现，减少了存储器的使用。对速度有严格要求的控制信号使用流水线，使 得系统控制功能以标准的低功耗逻辑实现。这些控制信号使许多片内和片外存 储器技术所支持的“快速突发访问模式得到充分利用。a r m 7 t d m i 有4 种存 储周期的基本类型：空闲周期、非顺序周期、顺序周期和协处理器寄存器传送 周期。 ( 4 ) 嵌入式i c e - r t 逻辑嵌入式i c e 。r t 逻辑为a r m 7 t d m i 核提供了集 成的在片调试支持。可以使用嵌入式i c e r t 逻辑来编写断点或观察断点出现 的条件。 2 4 1 2l p c 2 2 1 0 的特点】【1 2 】1 1 3 】 l p c 2 0 0 0 系列a r m 处理器是n x p 公司( 原p h i l i p s ) 推出的性价比较高、通 用性较好的基于a r m 7 核的处理器，l p c 2 2 1 0 即是该系