（机械制造及其自动化专业论文）基于嵌入式linux系统的便携式数采分析仪研究.pdf

摘要 当前计算机科学与微电子技术的发展为研发新一代便携式数采分析仪提供 了广阔的空间。基于l i n u x 系统的便携式数采分析仪已成为嵌入式应用研究中 的热点问题。由于大多数p c 图形用户界面( g u i ) 都不适合嵌入式设备，因此， 如何搭建一个为用户提供良好界面支持的g u i 平台就成为研究的重点和难点， 对便携式数采分析仪的研发具有重要的现实意义。 本课题针对工厂设备状态监测与故障诊断的实际需求，以开发基于嵌入式 l i n u x 系统的便携式数采分析仪为研究目的，同时对图形用户界面的设计及实现 进行了研究，其主要内容包括以下五部分： 第一，便携式数采分析仪总体框架及开发平台的研究。本课题在基于 $ 3 c 2 4 1 0 微处理器为核心的硬件平台上，构建嵌入式l i n u x 软件开发平台。同时 分析比较l i n u x 系统下多种嵌入式g u i 的产品性能及优缺点，最终选择 q t e m b e d d e d 作为研究和实现重点。 第二，图形界面系统的开发。友好的用户界面是衡量嵌入式系统效率的重要 指标，本课题将基于q t e m b e d d e d 的界面框架移植到数采分析仪中，使用面向 对象的q t 语言编写了良好的g u i 系统。 第三，便携式数采分析仪软件功能模块设计与实现。重点对采集显示、信号 分析、数据管理模块的原理及其在数采分析仪中的实现进行了研究。 第四，应用软件向便携式数采分析仪的移植。本课题研究了q t e m b e d d e d 库及应用软件的交叉编译过程，以及向目标板移植的一般方法。 第五，通过实验验证了本数采分析仪的正确性，并对本课题的研究内容进行 了总结和展望。 本论文设计的数采分析系统中，嵌入式l i n u x 的引入降低了系统的开发难 度，增强了系统的稳定性：模块化的系统实现使系统具有更好的通用性和兼容性； 良好的g u l 支持增强了系统的可操作性。 关键词：嵌入式系统l i n u x图形用户界面q t e m b e d d e d 信号分析 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dm i c r o e l e c t r o n i c sl e a d st ot h e r a p i d d e v e l o p m e n to fn e wg e n e r a t i o nd a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y s i si n s t r u m e n t s i n c em o s t g u i sf o rp ca r en o ts u i t a b l ef o re m b e d d e ds y s t e m s ，h o wt ob u i l dag o o du s e r i n t e r f a c eb e c o m e so n eo ft h em o s td i f f i c u l ta n di m p o r t a n ti s s u ei nr e s e a r c ho nt h e e m b e d d e dl i n u x b a s e dp o r t a b l ed a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y s i si n s t r u m e n t i nt h i sd i s s e r t a t i o n , w eh a v ed e v e l o p e dak i n do fd a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y s i s i n s t r u m e n tb a s e do ne m b e d d e dl i n u xs y s t e m , a i m i n ga tt h ea c t u a ld e m a n do f 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 w ea l s os t u d yo nt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o n o ft h eg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e t h em a i nc o n t e n ti n c l u d e st h ef o l l o w i n gf i v ep a r t s ： t h ef i r s t p a r t i st h er e s e a r c ho nt h ew h o l ed e s i g ns c h e m e ，i n c l u d i n gt h e h a r d w a r e sa n dt h es o f t w a r e sm a i nf r a m e t h i ss u b j e c tb u i l d sas o f t w a r ep l a t f o r mf o r e m b e d d e dl i n u xs y s t e mo nt h e $ 3 c 2 410h a r d w a r e p l a t f o r m w e c h o o s e q v e m b e d d e da st h eb e s tg u ip l a t f o r m , a f t e rs t u d y i n gm a n yk i n d so fl i n u xb a s e d e m b e d d e ds y s t e mg u i s s u c ha sm 埘g u i 、m i c r ow i n d o w s 、o p e ng u ia n ds oo n t h es e c o n dp a r ti st h ed e v e l o p m e n to ft h eg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c es y s t e m b y t r a n s p l a n t i n gt h ef r a m e w o r kb a s e do nq t e m b e d d e dt ot h ep o r t a b l ed a t aa c q u i s i t i o n a n da n a l y s i si n s t r u m e n t ，t h i sp r o j e c tc o n s t r u c t sas a t i s f y i n gg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ( g u i ) s y s t e mu s i n gq t ，a no b j e c t o r i e n t e dl a n g u a g e t h et h j r dp a r ti st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h ef u n c t i o n a lm o d u l e s t h em a i n m o d u l e si n c l u d i n gd 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 n dd a t at r a n s m i s s i o nm o d u l ea r e i n t r o d u c e di nd e t a i l t h ef o u r t hp a r ti st h ea p p l i c a t i o nt r a n s p l a n t i n gt ot h el i n u xb a s e de m b e d d e d s y s t e mb o a r d t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ec r o s s c o m p i l i n gp r o c e s s o r so fq t e m b e d d e d a n da p p l i c a t i o np r o g r a m ，a n dt h em e t h o d so ft r a n s p l a n t i n gt ot h eb o a r d f i n a l l y ，e x p e r i m e n t sv a l i d a t et h ec o r r e c t n e s so fo u ri n s t r u m e n t i nt h ed a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y s i ss y s t e m , t h ei n t r o d u c t i o no fe m b e d d e dl i n u x o p e r a t i n gs y s t e mr e d u c e st h ed i f f i c u l t yi nd e v e l o p i n g a n de n h a n c e st h es y s t e m s s t a b i l i t y t h em o d u l a rs t r u c t u r eg e t ss y s t e mt h eb e t t e rv e r s a t i l i t ya n dc o m p a t i b i l i t y g r e a tg u is u p p o r ts t r e n g t h e n st h eo p e r a b i l i t yo ft h es y s t e m k e yw o r d s ： e m b e d d e ds y s t e m ，l i n u x ，g u i ，q t e m b e d d e d ，s i g n a la n a l y s i s 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果j 也不包含为获得苤鲞盘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了谢意。 学位论文作者签名：嗜压牟 签字日期： 谚年s 月坶日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕洼盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：噜凰年 签字日期：细铐月哆日 导师签名： 签字日期：日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 国内外相关技术研究现状 1 1 1 机械故障诊断技术的发展 故障诊断技术起源于美国和欧洲，初步形成于2 0 世纪6 0 年代末，迅速发展 在七、八十年代，集成于八、九十年代，它是一项年轻的技术，是一门既有基础 理论，又有广泛实际应用背景的正在不断完善和发展的交叉型工程应用性学科。 它涉及到数学、物理、力学、传感器与测试技术、信号处理、电子技术、计算机 科学与技术、信息科学、人工智能、专家系统等领域。其重点是研究故障诊断及 故障预报的理论、方法及其实施技术。 美国是最早开展故障诊断技术研究的国家。早在2 0 世纪6 0 年代末，美国国 家宇航局( n a s a ) 就创立美国机械故障预防小组m f p g ( m a c h i n e r yf a u l t p r e v e n t i o ng r o u p ) ，这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【1 】。目前，美国已有多家公司从事电站故障诊断系统的工作，其 中最知名的有：西屋公司( w h e c ) ，b e n t l y 公司和i r d 公司。西屋公司从1 9 7 6 年开始电站在线计算机诊断工作，1 9 8 1 年进行电站人工智能专家故障诊断系统 的研究，1 9 8 4 年应用于现场，后来发展成网络化的汽轮发电机组诊断专家系统 ( a i d ) ，并建立了沃伦多故障运行中一i 二, ( d o c ) 2 1 。b e n t l y 公司在故障诊断方面起步 较晚，但该公司在转子动力学方面，旋转机械故障机理的研究比较透彻，在振动 监测方面具有雄厚的基础，因此该公司开发的旋转机械故障诊断系统( a d r 3 ) 在 国内外电站领域的应用很受用户的欢迎。美国恩泰克一爱迪公司( e n t e k i m g ) 在其离线( d a t a p a c1 5 0 0 ) 、在线振动监测和诊断系统及其检测仪器方面有其特色， 现已为国内如宝钢、大亚湾核电站、渤海油田、大连石化等配套了大机组监测保 护系统。在航空运输方面，美国在可靠性维修管理的基础上大规模地对飞机进行 状态监测，发展了飞行器数据综合系统( a i d s ) 。 在英国，关于故障诊断最初的研究工作始于6 0 年代末至7 0 年代初，以科拉 科特( r a c o l l a c o t t ) 为首的“英国机器保健中心”( u k m e c h a n i c a lh e a l t h m o n i t o r i n gc e n t e r ) 开展故障分析与故障诊断方面的工作取得了很好的成效。 在欧洲其他一些国家，诊断技术的研究也有不同程度的进展，在某些方面还 有其特色或占据领先地位，如瑞典的s p m 轴承监测技术，挪威的船舶诊断技术， 第一章绪论 丹麦的振动、噪声分析和声发射技术等【3 卅。 日本在钢铁、化工、铁路等民用工业部门的诊断技术方面发展很快，并具有 较高的水平。 我国在机械故障诊断技术方面的研究和应用相对较晚，2 0 世纪8 0 年代才开 始着手组建故障诊断的研究机构，其发展也经历了从简易诊断到精密诊断、从一 般诊断到智能诊断、从单机诊断到网络诊断的过程，发展速度越来越快。全国有 近百家高等院校、科研院所从事故障诊断技术的研究工作。在国内已形成了十多 个水平较高、有一定规模的诊断技术研究中心，如西安交大、哈工大、清华、浙 大、上海交大、华中理工大学等诊断技术研究中心，对国内诊断技术的研究工作 起到了重要的领导和促进作用。已开发出2 0 余种适合于电站汽轮机组的故障诊 断系统和1 0 余种可用来作为现场简易故障诊断的便携式现场采集器。投入运行 的系统主要有哈尔滨工业大学和东方汽轮机厂联合开发的微计算机化旋转机械 状态监测故障诊断系统( m m m d 3 ) 、西安交通大学的重催四机组状态监测和故障 诊断网络系统( m d s 一3 ) 、哈尔滨电工仪表研究所和清华大学等单位联合研制的 2 0 0 m w 汽轮发电机组状态监测分析及故障诊断系统( z h x 1 0 ) 、华中理工大学的 汽轮发电机组诊断专家系统( d e s t ) 、浙江大学的工业汽轮机状态监测系统 ( t t s 1 ) 、西安热工研究院的汽轮发电机组状态监测与诊断系统( z j z 1 ) 。 我国的故障诊断技术发展很快，但与国外相比，仍存在一定的差距。纵观近 年来国内外情况，机器状态监测仪器设备的开发有两个明显的发展趋势【7 】： 1 离线对各种设备进行日常维护、监测。借助新型的通讯总线标准和日益 强大的单片集成( s o c ) 技术，不断地向小型化、单片化、便携式、方便安装、方 便组态、高度集成和通用化方向发展。 2 向连续、在线、实时的状态监测和故障诊断系统方向发展。这类系统功 能齐全，但耗资较大。一般适用于大型旋转机械及一些比较重要的关键设备。 1 1 2 测试仪器的发展 仪器仪表是实现信息的获取、转换、处理与揭示物质运行的必备工具，是新 技术革命的一项重要内容。如果测试仪器不能准确地获取信息，那么后续的存储、 处理、分析将毫无意义，因此，仪器仪表是信息工业的源头，其发展反映出一个 国家的生产力发展状况和现代化水平【8 1 。 现代科学部门中，如航空航天、高能物理、生物工程、新材料、新能源和环 境保护等领域的研究与实验，都离不开先进仪器仪表技术的应用。最早的仪器可 以追溯到中国古代四大发明之一的指南针。1 9 世纪以来钟表技术和电磁技术的发 展，为仪器仪表技术的发展奠定了坚实基础。2 0 世纪5 0 年代初期，数字技术的出 第一章绪论 现使仪器仪表技术取得了重大突破，各种数字仪器把模拟仪器的精度、分辨率与 测量速度提高了几个量级，为实现测试自动化打下了良好的基础。2 0 世纪6 0 年代 中期，计算机的引入使得测量仪器技术又一次取得了重大进展，仪器的功能发生 了质的变化，从个别电量的测量转变成对整个测试对象系统特征参数的测试；从 一般的测量数据接收、显示转变为集控制、分析、处理、计算与显示输出为一体 的集成功能；从用单个仪器进行测量转变成用测量系统进行测量。2 0 世纪7 0 年代， 计算机技术在仪器仪表领域的进一步渗透，使电子仪器在传统的时域与频域之 外，又出现了新的数据域( d a t ad o m a i n ) 测试，也就是对数字电路和系统进行 检测、故障定位和诊断。2 0 世纪8 0 年代，由于微处理器被广泛应用到仪器中，提 出了智能仪器和个人仪器的概念，计算机与仪器的结合越来越紧密。由计算机作 为控制器，不同仪器通过测试总线连接到一个测试系统，并且可以通过系统软件 实现仪器控制和数据处理。2 0 世纪9 0 年代，仪器仪表与测量科学进一步取得重大 突破，突出表现在以下几个方面：随着微电子技术的进步，仪器仪表的智能化、 软件化和网络化水平不断提高；d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 芯片的大量问世， 使仪器仪表数字信号处理功能大大加强：包括v x i 总线和现场总线在内的各种先 进测控总线的广泛应用，使测试仪器的实时性、灵活性和集成性显著提高【圳。 当前，仪器仪表主要有以下几个发展方向【1o 】： 1 独立式智能仪器及自动测试系统 独立式智能仪器即自身带有微处理器能独立进行测试的电子仪器，智能仪器 是现阶段智能化电子仪器的主体。独立式智能仪器在结构上自成一体，使用方便 灵活。随着新技术、新器件和新工艺的不断进步，这类产品不断发展并推陈出新。 智能仪器几乎都配有通信接口。g p i b 是国际电工协会1 9 7 8 年正式推荐的一 种仪用标准接口总线，已被世界各国普遍采纳。凡是配有g p i b 这种标准接口的 仪器和计算机，不分生产国别、厂家，都可以借助于一条无源电缆总线按积木式 互连，灵活地组成各种不同用途的自动测试及数据采集系统，以完成较复杂的测 试任务。 自动测试系统具有极强的通用性和多功能性，对于不同的测试任务，只需增 减或更换其仪器设备，编制相应的测试软件，而系统本身不变。这种自动测试系 统特别适用于要求测量时间极短而数据处理量极大的测试任务中，以及测试现场 对操作人员有害或操作人员参与操作会产生人为误差的测试场合。 2 个人仪器系统及v x i 仪器系统 个人仪器是在智能仪器的基础上，伴随着p c 机登上电子测量舞台而产生的一 种崭新的仪器品种。它是将原智能仪器中的测量部分配以相应的接口电路制成各 种仪器电路卡，插入到p c 的总线插槽或扩展箱内，而原智能仪器所需的键盘、 第一章绪论 显示器以及存储器等借助于p c 机的资源，从而构成了个人仪器。个人仪器系统 是由不同功能的仪器卡、插卡箱和一台p c 机有机结合而构成的自动测试系统。 为了促进个人仪器的推广和发展，h p 、泰克等五家仪器公司在经过一段扎实 的工作之后，联合提出了适用于个人仪器系统的接口总线v x i 标准，并为世界各 厂家所接受。v x i 总线是一个开放式结构，它对所有仪器生产厂家和用户都是公 开的，即允许不同生产厂家生产的卡式仪器都可在同一机箱中工作，从而使v x i 总线很快就成为测试系统的主导结构。 3 软件技术的高速发展及虚拟仪器 在新一代的仪器系统中，计算机软件和测试仪器更加紧密地结合在一起。为 了使仪器系统的硬件设备尽量少，传统仪器的许多硬件乃至整个仪器都被计算机 软件所替代。例如，只使用一块数据采集卡，借助于计算机的计算功能，在软件 的配合下就可以实现多种仪器的功能，如数字多用表、数字存储示波器、数字频 谱分析仪、数字采集系统、数字频率计等。在新一代的仪器系统中，计算机处于 核心地位。 为了适应现代仪器对缩短系统开发时间的要求，近年来许多公司开发出了很 多出色的仪器开发软件包，其中基于图形设计的用户接口和软件开发环境是最流 行的发展趋势。在这方面最有代表性的软件产品是n i 公司的l a b v i e w 和h p 公司 的v e e 等。 所谓虚拟仪器或集成仪器，是指在通用计算机上添加几种具有共性的基本仪 器硬件模块通过软件来组合成各种功能的仪器或系统。其中激励信号可由微机产 生数字信号，再经数模转换器产生所需的模拟信号。大量的测试功能可以通过对 被测信号采样，再经模数转换得到测量的结果。许多功能还可以完全由软件来实 现。这样就摆脱了由硬件构成的一件件仪器再连成系统的传统概念。 1 1 3 嵌入式系统的发展现状 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，适用于 对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统【1 1j 。将嵌入式系 统应用于测试领域可开发出小巧方便的便携式信号测试仪，非常适合于工业现场 的振动信号测试。 嵌入式系统经历了基于芯片的嵌入式系统( 以单片机技术的应用为代表) 、 标准总线的嵌入式计算机系统、p c 总线的嵌入式计算机系统，最近发展到以a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 内核为代表的高性能嵌入式微处理器的最新一代嵌 入式系统，可以说在二十多年的时间内，嵌入式系统取得了飞速的发展【1 2 j 。 嵌入式系统之所以有如此飞速的发展，主要是由于后p c 时代的到来。随着电 第一章绪论 视、冰箱、空调等家电产品向智能化方向发展，我们进入了后p c 时代，嵌入式 领域拥有了前所未有的庞大市场。这不仅给嵌入式开发带来了良好的机遇，同时 也对嵌入式系统技术，特别是软件技术提出了新的挑战。这主要包括：支持日趋 增长的功能密度、灵活的网络连接、轻便的移动应用和多媒体的信息处理。 嵌入式操作系统作为嵌入式系统的核心，在嵌入式开发尤其是软件部分的开 发中有着至关重要的作用。选择一个好的操作系统，在软件开发中可以达到事半 功倍的效果。在嵌入式飞速发展的形势下，我国也自主研制了嵌入式系统软件产 品，如科银( c o r e t e k ) 公司的嵌入式软件开发平台d e l t as y s t e m , 它不仅包括d e l t a c o r e 嵌入式实时操作系统，而且还包括l a m d at o o l s 交叉开发工具套件、测试工 具、应用组件等；此外，中科院也推出t h o p e n 嵌入式操作系统。 国际上自由软件运动的顺利发展，g p l ( g e n e r a lp u b l i cl i c e n s e ) 概念正对嵌 入式软件产生深远影响。嵌入式l i n u x 多种原型的提出，和g n u 软件开发工具 的实用化进展，正为我国加快发展嵌入式软件技术提供了极好的机遇和条件。 1 1 4 常用的嵌入式操作系统 到目前为止，国际上已经出现的嵌入式操作系统达上百种之多，从市场占有 率来看，目前常用的嵌入式操作系统有以下几种【l3 】： 1 。嵌入式l i n u x 嵌入式l i n u x 是近年来国际市场上的一个开发热点，由于l i n u x 开放源代 码，且是真正的3 2 位操作系统，再加上其核心较小等优点，正逐渐成为嵌入式 开发的首选，也是各家嵌入式厂商极力发展的对象。目前应用在嵌入式领域的 l i n u x 系统主要有两类：一类是专为嵌入式设计的己被裁减过的l i n u x 系统，最 常用的是u c l i n u x ( 不带m m u 功能) ，目前占较大市场份额；另一类是应用在 a r m 9 上，将l i n u x 的内核移植在其上，可使用更多的l i n u x 功能。l i n u x 系统 也存在着一般开发人员不太熟悉，开发难度较大的缺点。本文将在下一节对嵌入 式l i n u x 进行详细介绍。 2 p a l m o s p a l mo s 是由3 c o m 公司的p a l m c o m p u t i n g 部开发的3 2 位的开放式嵌入式 操作系统，任何人都可以自行开发基于此操作系统之上的应用软件。现在p a l m o s 上的应用软件已超过五千多种。同时此系统还获得了3 c o m 、i b m 和s o n y 等跨国公司的支持，拥有全球p d a 产品7 0 的市场占有率。 3 v x w o r k s v x w o r k s 是w i n d r i v e r 公司专门为实时嵌入式系统设计的操作系统，也是 目前最稳定和实时性最好的嵌入式操作系统之一。它为程序员提供高效的实时任 第一章绪论 务调度、中断管理、实时的系统资源管理和任务问通信。但v x w o r k s 的价格很 高，所以一般应用中很少采用这种操作系统。 4 w i l lc e w i nc e 是微软公司的产品，它是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、 完整优先权、多任务的操作系统。它的模块化设计允许为从掌上电脑到专用的工 业控制器的大多数电子设备进行定制。但其对硬件要求较高、资源消耗大、速度 慢，并且价格过高，增加了产品成本。 5 q n x q n x 也是一款实时操作系统，由加拿大q n x 软件系统有限公司开发。广泛 应用于自动化、控制、机器人科学、电信、航空航天等领域。q n x 有非常好的 伸缩性，用户可以把应用程序代码和q n x 内核直接编译在一起，生成单一的多 线程映像，使之成为一个简单的嵌入式应用。q n x 也是第一个遵循p o s i x l 0 0 3 标准，从零设计的微系统内核，因此具有非常好的可移植性。 1 1 5 嵌入式l i n u x 系统的发展及特点 l i n u x 诞生于1 9 9 1 年的1 0 月5 日( 第一次正式向外发布的时间) ，在长期的 开发过程中，大量的开发工作极大地扩充了内核的基本功能，增加了设备支持， 最重要的是扩大了可以使用的应用程序的范围。事实上，l i n u x2 。0 版内核已经 可以支持几乎所有的任务，只是用户界面尚有待改进。目前，l i n u x 已经很稳定、 成熟、实用和完善，是世界上使用最多的一种u n i x 类操作系统【1 4 】。通用的l i n u x 系统经改造后运行于嵌入式硬件设备之上，就成为嵌入式l i n u x 系统。l i n u x 操 作系统的诞生、发展和成长过程始终依赖着以下五个重要支柱：u n i x 操作系统、 m i n i x 操作系统、g n u 计划、p o s i x 标准和i n t e m e t 网络。 l i n u x 内核开发的速度相当快，以几乎每月一次的速度进行内核的升级。 l i n u x 本身的种种特性使其成为嵌入式开发的首选。据业内人士预测，在未来的 几年里，基于l i n u x 的软件市场将以不低于4 0 的速度增长。l i n u x 发展如此之 快的主要原因是产品的成本控制。在激烈的市场竞争中，只拥有先进的技术远远 不够，如何减少产品的投入也是需要重点考虑的问题。免费的l i n u x 无疑为厂商 节省了一笔很大的开支，特别是对广泛的嵌入式应用而言【l 孔。 l i n u x 系统能够如此迅速地发展并占据了广阔的嵌入式市场，这与它自身的 稳定性和优越性是分不开的。与其他操作系统相比，l i n u x 系统具有如下优点【16 】： 1 完全免费 l i n u x 是一款免费的操作系统，用户可以通过网络或其他途径免费获得，并 可以任意修改其源代码。这是其他操作系统所做不到的。 第一章绪论 2 内核可以根据需要任意裁减 根据g p l 协议规定，l i n u x 操作系统的源代码可以在遵守g p l 协议的条件下 进行修改。这就使得修改l i n u x 内核来满足自己的需要成为可能。目前，众多的 嵌入式l i n u x 版本，正是受益于l i n u x 的这一特点。 3 完全兼容p o s i x1 0 标准 这使得可以在l i n u x 下通过相应的模拟器运行常见的d o s 、w i n d o w s 的程序。 这为用户从w i n d o w s 转n l i n u x 奠定了基础。许多用户在使用l i n u x 时，就考虑到 以前在w i n d o w s 下常见的程序是否能正常运行，这一点就可以消除此疑虑。 4 多用户、多任务 l i n u x 支持多用户，各个用户对于自己的文件设备有特殊的权利，保证了各 用户之间互不影响。多任务则是现在电脑最主要的一个特点，l i n u x 可以使多个 程序同时并独立地运行。 5 良好的界面 l i n u x 同时具有字符界面和图形界面。在字符界面用户可以通过键盘输入相 应的指令来进行操作。它同时也提供了类似w i n d o w s 图形界面的x w i n d o w s 系 统，用户可以使用鼠标对其进行操作。在x w i n d o w s 环境中就和在w i n d o w s 中相 似，可以说是一个l i n u x 版的w i n d o w s 。 6 丰富的网络功能 互联网是在u n i x 的基础上发展起来的，l i n u x 的网络功能当然不会逊色。它 的网络功能和其内核紧密相连，在这方面l i n u x 要优于其他操作系统。在l i n u x 中， 用户可以轻松实现网页浏览、文件传输、远程登陆等网络工作，并且可以作为服 务器提供w w w 、f t p 、e m a i l 等服务。 7 可靠的安全、稳定性能 l i n u x 采取了许多安全技术措施，其中有对读、写进行权限控制、审计跟踪、 核心授权等技术，这些都为安全提供了保障。l i n u x 由于需要应用到网络服务器， 这对稳定性也有比较高的要求，实际上l i n u x 在这方面也十分出色。 8 支持多种平台 l i n u x 可以运行在多种硬件平台上，如具有x 8 6 、6 8 0 x 0 、s p a r c 、a l p h a 等处 理器的平台。此乡 l i n u x 还是一种嵌入式操作系统，可以运行在掌上电脑、机顶 盒或游戏机上。同时l i n u x 也支持多处理器技术。多个处理器同时工作，使系统 性能大大提高。 目前正在开发的嵌入式系统中，超过5 0 的项目选择l i n u x 作为嵌入式操作 系统，l i n u x 己成为嵌入式操作系统的最理想选择之一。 第一章绪论 1 2 课题的提出及意义 随着现代化大生产的发展和科学技术的进步，现代工程技术系统和大型复杂 设备的结构越来越复杂，规模越来越庞大，功能越来越完善，自动化和智能化的 程度也越来越高。这类系统和设备一旦发生事故，就会造成人员和财产的巨大损 失。“切尔诺贝利”核电站事故和“挑战者”号航天飞机事故，以及近年来“阿 里亚娜火箭飞行失败和我国发射卫星的多次失利，都一次又一次地向人们敲响 了警钟【1 7 】。因此，如何保障设备的安全可靠高效运行，预防和避免关键设备出现 故障，杜绝重大和灾难性事故的发生，切实保证现代工程技术系统和大型复杂设 备的可靠性与安全性是一个十分迫切的问题，具有重大的意义。 状态监测与故障诊断技术的出现，为提高系统和设备的可靠性与安全性开辟 了一条新的途径。故障诊断可以有效的防止设备突发事故，对设备运行过程中的 异常现象提供明确的数据及原因，克服原有维修制度造成的过剩维修和维修不足 现象。据有关文献记载，应用状态监测与故障诊断技术事故发生率可降低7 5 ， 维修费用可减少2 5 - - - - 5 0 。美国国家统计局作过统计：1 9 8 0 年美国用于设备的 检修费用为2 4 6 0 亿美元，采用状态监测与故障诊断技术后，费用节省了1 3 ，约 7 5 0 亿美元【1 8 1 。 大量的事实和数据表明，状态监测与故障诊断技术对了解现代工程技术系统 和大型复杂设备的性能状态，及早发现潜在故障，防患于未然，以确保各项工程 技术任务的圆满完成起着至关重要的作用，而且还可以提高这类系统和设备的运 行管理水平及维修效能，节省检修费用，具有显著的经济效益。 先进的设备状态监测和故障诊断系统，必须依赖于先进的硬件系统平台的构 架和准确的数据采集软件，同时也依赖于先进的信号分析方法对现场复杂的叠加 耦合信号进行分离和分解。这些功能的实现都离不开数据采集分析设备，所以搭 建一个良好的硬件和软件平台对后续的诊断至关重要。本课题即是基于以上需求 进行开发和研究。 1 3 论文主要研究内容 本课题着眼于故障诊断中信息获取的源头前端数据采集分析仪的研发， 重点研究了基于嵌入式l i n u x 系统的便携式数采分析仪的整个开发过程，主要包 括以下内容： 1 在宿主机上开发应用软件 在p c 机上安装r e d h a t 9 0 ，并构建q t e m b e d d e d 和q t o p i a 的g u i 的开发环境， 第一章绪论 包括基于p c 机上的开发环境和基于开发板的交叉编译的开发环境。在该系统下 开发应用软件。软件包括图形化的界面设置、数据采集、信号分析、数据传输等 功能。 2 搭建目标平台 目标机采用基于a r m 9 2 0 t 高速缓存处理器为主要部件，再加上必要的外设， 如鼠标、液晶显示器、键盘等。在目标机上安装r e d h a t 9 0 的最小化系统，拷入 宿主机上的可执行程序即可在目标机上运行。 3 将系统从宿主机移植到目标机 主要包括q t e m b e d d e d 库以及应用程序的交叉编译，并通过网络，u s b 或者 r s 2 3 2 串口即将其加载到目标板平台上。 1 4 论文章节安排 论文各章的主要内容如下： 第1 章，阐述了机械故障诊断技术、测试仪器以及嵌入式系统的国内外发展 现状，课题的提出及意义，论文的主要研究内容以及章节安排。 第2 章，便携式数采分析仪开发平台研究，包括硬件及软件的总体框架设计。 研究了a r m 硬件平台及$ 3 c 2 4 1 0 开发环境，构建了数采分析仪软件平台，包括 嵌入式操作系统的选择以及嵌入式系统上的图形用户接口，并对目前主流的图形 用户界面进行了分析比较。 第3 章，基于q t e m b e d d e d 的图形界面系统，重点研究了 q t e m b e d d e d 在p c 机 上的配置及安装过程，并分析了q t e m b e d d e d 的支持工具以及其特有的信号与插 槽机制，最后研究了软件主界面的开发流程及程序的中文显示。 第4 章，便携式数采分析仪软件功能模块设计与实现，重点研究了数采分析 仪软件采集显示、信号分析及数据管理功能模块的主要原理及其在本数采分析仪 中的实现。 第5 章，应用程序在宿主机和目标板上的移植，包括q t e m b e d d e d 库及应用程 序的交叉编译，以及将应用程序发布到目标板的具体方法。 第6 章，通过实验验证本数采分析仪的正确性，并对本课题的研究内容进行 总结和展望。 第二章数采分析仪开发平台 第二章数采分析仪开发平台 2 1 典型嵌入式系统的基本结构 一般而言，一个完整的嵌入式系统由四部分组成：嵌入式微处理器、嵌入式 外围设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件【1 9 1 。 1 嵌入式微处理器 嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心部件。它通常把通用计算机中许多由板 卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，并具有 高效率、高可靠性等特征。 2 外围设备 外围设备是指一个嵌入式系统中，除了嵌入式微处理器以外，用于完成存储、 通信、调试、显示等辅助功能的其他部件。 存储器：静态易失性存储器( r a m s r a m ) ，动态存储器( d r a m ) 和非易失 性存储器( 闪存) 。其中，闪存具有可擦写次数多、存储速度快、容量大等特点， 在嵌入式系统中广泛使用。 输入输出设备：嵌入式系统中输入设备一般包括触摸屏，语音识别，按键， 键盘等。输出设备主要是l c d 显示和语音输出。 接口：主要用于c p u 和外设、存储器的连接和数据交换。主要有并口，串 口，u s b ，红外线接口，s p i 串行外围设备接口，1 2 c 总线接口，以太网口，c a n 总线接口等。 3 嵌入式操作系统 在大型嵌入式应用系统中，为了使嵌入式开发更方便快捷，需要具备一种稳 定的安全的软件模块集合，用以管理存储器分配，中断处理，任务间通信，以及 提供多任务处理等，即嵌入式操作系统。嵌入式操作系统的引入，大大提高了嵌 入式应用系统的功能，方便了应用软件的设计，但同时也占用了宝贵的嵌入式系 统资源。一般在比较大型或需要多任务的应用场所，考虑使用嵌入式操作系统。 4 应用软件 嵌入式系统的应用软件是针对特定的实际专业领域，基于相应的嵌入式硬件 平台，并能完成用户和其任务的计算机软件。用户的任务可能有时间和精度的要 求。有些应用软件需要嵌入式操作系统的支持，但在简单的应用场合下，不需要 专门的操作系统。 第二章数采分析仪开发平台 2 2 数采分析仪硬件总体框架 根据其功能模块，系统的硬件组成：振动信号调理和采集模块，a r m 主控 单元模块，其中又包括显示、键盘、存储、通信等子模块。图2 1 为数采分析仪 的硬件结构。 振 信 动 。谛+ 浦 ；出 n 目目=i 号 r 、1 ，v _ 。- _ 。h 一 7 似”“” 过载控制 卜一键盘输入 t 程控增益 一存储模块 a r m 0 l 抗混滤波 一实时时钟 ! | | 加采集l _ 一通信模块 ，_ j | 信号调理和采集模块主控模块 图2 1 数采分析仪硬件框图 1 信号调理和采集模块 信号调理电路通常是根据传感器的标定技术指标设计的，但是传感器标定环 境与实际工作环境之间存在的差别将影响到整个设计的精度。加速度信号通过硬 件积分电路实现速度和位移信号的输入，这样可以避免软件积分带来的高频段信 号失真问题。然后信号经过前置放大滤波和程控增益电路进行初步处理，去除干 扰。程控放大之后，信号进入抗混滤波电路。实际操作中系统的抗混滤波截止频 率由a r m 在采集参数设置中选定，经过滤波后的信号进入a d 采集电路。 2 a r m 主控单元模块 a r m 主控单元模块是整个系统的核心，控制多路a d 采集，主要包括人机 接口、数据存储、实时时钟和通信模块。人机接口模块是操作者与仪器之间交互 的桥梁，包括液晶和键盘两个模块，其中液晶显示采用6 4 0 4 8 0 t f t 彩屏l c d ， 键盘选用z l g 7 2 9 0 实现对数采分析仪的操作和控制。存储模块主要指s d 卡和 f l a s h ，采集的数据存储到s d 卡，下载的路径文件主要存放到f l a s h 中，不过f l a s h 第二章数采分析仪开发平台 主要是存放l i n u x 内核和文件系统。实时时钟电路用于确定采集时间，数据存储 时连同采集路径和采集时间一块存储。通信模块包括u s b 、r s 2 3 2 和以太网接 口三种方式。 以模块为单位进行单独调试，不断完善各自模块的功能，全部通过后进行联 合系统级调试。c p u 主板主要完成对整个系统的整合和模块间的协调功能。在 嵌入式实时操作系统的控制下，读取用户请求和信息。机械的振动信号被前端采 集模块收集，并由放大器放大后，传到a r m 端进行各种算法分析和处理，由 a r m 处理器判断机械的运行状况，结果通过l c d 显示。 2 3 数采分析仪软件总体框架 系统的软件设计按照模块化的设计思想，各个模块功能相互独立，模块之间 采用专门的接口函数实现连接，这样可以方便系统软件的升级和维护。系统的软 件设计是基于嵌入式操作系统平台，程序设计主要由操作系统内核、设备驱动程 序以及应用程序等三个层次组成。 操作系统负责整个系统的管理和进程调度。设备驱动程序是内核与硬件的接 口，用于驱动各种外设执行工作，例如a i ) 设备、网络和串口、s d 卡存储设备、 液晶显示、键盘等。应用程序是整个系统控制软件的核心，包括数据通信、人机 交互、分析算法等程序模块。其软件框图如图2 - 2 所示。 应用程序 通信模块 人机交互 分析算法 与上位液晶键盘时域频域时频 a d 采集 机通信显示 中断分析分析分析 设备驱动程序 网络和串 外部存储 显示模块 a d 驱动键盘驱动 口驱动驱动驱动 嵌入式操作系统 图2 2 系统软件框图 第二章数采分析仪开发平台 2 4 数采分析仪硬件平台 由于嵌入式系统设计的差异性极大，从而使用户的需求产生多样化，这也导 致了市场上有众多类型的微处理器存在。目前常见的微处理器供应商中，以 m o t o r o l a 、i n t e l 、a m d 最为知名。此外还有一些公司，如a r m 、m i p s ，只设计 而不生产c p u ，他们通过授予世界各地的半导体制造商以生产权来发布其产品。 其中，a r m 是近年来在嵌入式系统领域深具影响力的微处理器开发商，其设计 非常适用于小型的嵌入式设备。 本系统使用$ 3 c 2 4 1 0 作为核心芯片。$ 3 c 2 4 1 0 是一款带有a r m 9 2 0 t 处理器 内核的1 6 3 2 位r i s c 嵌入式微处理器，由于它主频高，内置l c d 和触摸屏控 制器，以及声音控制器等外围电路，因而用