（机械制造及其自动化专业论文）风电装备中齿轮箱监测与诊断系统的研制.pdf

中文摘要 风电装备中齿轮箱监测与诊断系统的研制 研究生姓名：李红梅 导师姓名：汤文成 学校名称：东南大学 摘要 大型的机械设备是生产中的关键设备，通过故障诊断与监测技术来保障这些设备安全稳定地运行， 对提高企业经济效益以及国民经济发展具有重要意义。 本文介绍了用于对风电装备齿轮箱进行故障监测和诊断的数据采集仪的研制。该系统以高速片上 系统c 8 0 5 1 f 1 2 0 为核心处理器，采用上下位机主从分布式结构，并使用嵌入式信号测试分析系统作为设 备采集终端。在分析设备需求后，本课题提出了基于串口和以太网混合通讯的风电装备中齿轮箱监测与 诊断方案。根据不同的通讯方式，整个系统结构上可以分为现场监测部分和远程监测部分两个子系统。 对于远程监控部分，设计由于使用了t c p i pc o n f i g u r a t i o nw i z a r d ，使得开发t c p i p 协议栈的难度大大 降低，从而可以将精力集中于应用程序开发。 本论文首先从系统的总体设计着手，给出了系统的总体框架；然后开始硬件部分的设计，详细阐 述m c u 、以太网控制器的选择、电路的设计以及p c b 的设计细节等等；接下来花大量篇幅论述了软件 部分设计，从框架的产生到应用程序代码的添加再到功能的定制都有详细的示例代码及图示说明：最后 本文还介绍了系统的测试方法。对系统的测试和调试，系统的设计达到了预期的要求。 关键字： 嵌入式系统c 8 0 5 i f l 2 0以太网串口通信 a b s t r a c t a s t u d y o nc o n d i t i o nd i a g n o s i sa n dm o n i t o r i ng e a rb o xo fw i n dp o w e r e q u i p m e n t c a n d i d a t ef o rm a s t e r ：l ih o n g m e i a d v i s e r ：p r o f t a n gw e n - c h e n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t a l lk i n d so fl a r g em e c h a n i c a le q u i p m e n t sa r et h ek e ye q u i p m e n t sf o rp r o d u c t i o n i th a sg r e a t s i g n i f i c a n c et oe n s u r et h e s ee q u i p m e n t sr u ns a f e l ya n ds t e a d i l yt h r o u g hf a i l u r ed i a g n o s i sa n dm o n i t o r t e c h n o l o g yf o ri m p r o v i n ge c o n o m i cb e n e f i t so f t h ee n t e r p r i s ea n dt h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y i nt h i sp a p e r , w eh a v ed e v e l o p e dt h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mf o rc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i n g a i m i n ga tt h ea c t u a ld e m a n do ng e a rb o xo fw i n dp o w e re q u i p m e n t t h es y s t e mw h i c hb a s e do nh i g h s p e e d s o cc 8 0 51f12 0a d o p t e dt h ed i s t r i b u t e ds t r u c t u r eo fp r i n c i p a la n ds u b o r d i n a t e ，a n du s e dt h ee m b e d d e d s i g n a lm e a s u r e m e n ta n da n a l y s i ss y s t e ma st h et e r m i n a ls t a t i o n a f t e rt h ea n a l y s i so fe q u i p m e n tn e e d s ，t h e s u b j e c tu s e st w oc o m m u n i c a t i o n s ：s e r i a lc o m m u n i c a t i o na n de t h e r n e tc o m m u n i c a t i o n a c c o r d i n gt od i f f e r e n t m e a n so fc o m m u n i c a t i o n ，t h es t r u c t u r eo ft h e e n t i r es y s t e mc a nb ed i v i d e di n t os i t ea n dr e m o t e s i t e m o n i t o r i n g w i t hu s i n gt h et c p i pc o n f i g u r a t i o nw i z a r d ，p r o g r a m m e r sc a nf o c u st oa p p l i c a t i o nc o d e p r o g r a m m i n g t h i sm a k e si te a s i e rt od e v e l o pa ne m b e d d e de t h e r n e ts y s t e m f i r s t l y , t h ep a p e rs h o w st h eg e n e r a ld e s i g no ft h es y s t e m ；s e c o n d l y ，i ts h o w st h em e t h o do fd e s i g n i n g t h eh a r d w a r eb yc h o o s i n gm c u ，c h o o s i n ge t h e r n e tc o n t r o l l e r , d e s i g n i n gc i r c u i t ，e t c ；t h e nt h es o f t w a r e d e s i g n i n gi sd e t a i l e d l yd e s c r i b e d ，s u c ha ss o f t w a r eg e n e r a t i o n ，a p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n ta n dp e r s o n a l i z i n gt h e e t h e r n e te n a b l e de m b e d d e ds y s t e m ；f i n a l l y , t h ep a p e rg i v e ss o m es k i l l sa b o u td e b u g g i n gi nt h es y s t e m t h r o u g ht h o s es y s t e m st e s t sa n dt h ed e b u g g i n g , s y s t e m sd e s i g nh a v em e tt h ea n t i c i p a t e dr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，c 8 0 5i f l 2 0 ，e t h e m e t ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 气， 研究生签名：垒迅导师签名： p 三垒垒：燮日期： 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 随着现代化工业的发展，各种机械设备的应用范罔越来越广泛，并对石油、化工、电力、冶金等行 业生产的正常进行及整个工艺流程起决定性的作用。然而由于机械设备的各种故障造成的非计划停机或 其他严重事故屡有发生，往往造成巨大的经济损失。因此，及时监测、诊断并消除关键设备的潜在故障 是至关重要的。 设备维修体制是使关键设备安全运行的主要措施。早期的设备维修体制基本上是事后维修，即设备 发生故障以后再进行检修。随着流程化工业的推广，这种落后的管理模式往往会造成巨大的经济损失， 因此义逐步推行定期维修制度。随着对设备故障机理的研究和设备管理水平的提高，人们又逐步认识到， 定期检修实际上既不经济又不合理，最大的问题是无法解决“维修不足”和“维修过剩”二者之间的矛 盾。由此，将预防性定期维修逐步过渡剑“状态维修”己经成为提高生产率的又一条重要的途径，也是 现代设备管理的需要 机器设备运行状态监测与故障诊断技术是保证大型机械安全运行，防止恶性事故的有效手段。它可 以及时发现机械设备的运行故障先兆，诊断产生故障的原因，为生产和维修提供决策依据，同时也避免 了定期检修引起的生产停顿。因此，对关键设备进行状态监测可以对生产过程产生巨人的作用，主要表 现在：2 3 1 1 )可以避免严重的突发事故，从而提高设备的安全运行率，增加产值。 2 )即使机械设备发生故障，也可以从系统提供给我们的数据中找出故障的原因。在检修中做到心 中有数，缩短检修时间，延长检修周期，提高检修质量。 3 )在机械设备日常运行时，如果在机械设备严重损坏的前期发现故障的前兆，可以进行预防性维 修。将设备从定期维修发展到预防维修，可以使备件的储备量减到最小，降低生产成本。 在这样的需求下，采用以状态监测和故障诊断为基础的状态维修方式是最好的方法。对设备进行状 态监测，根据设备状态进行故障诊断，确定故障的类型、性质、部位和劣化程度，制定正确的维修方案。 机械设备状态监测与故障诊断是建立在检测技术、信号处理、模式识别、计算机技术等基础上的综 合性学科这项技术在国内外各行业中得到了广泛的应用，并取得了非常显著的经济效益和社会效益。所 有的设备在服役期限内，故障发生的次数和使用时间之间是有着宏观规律的。对每一台设备来说，虽然 出现故障的次数和使用寿命各不相同，但其发展规律都是一致的，都分为初期故障率、稳定期故障率、 劣化期故障率。在掌握了设备运行的这种宏观规律后，如果应用设备故障诊断技术，对设备采取状态维 修，根据不同服役期采取不同的措施进行维修，就可以延长设备的服役寿命，这是设备故障诊断技术促 进设备的科学管理的结果h 1 另一方面，信息传感技术，信号处理技术，智能故障诊断技术的发展，为设备故障诊断提供了极大 的技术支持。借助机械振动，转子动力学等理论深入研究和认识设备的故障机理；运用现代传感测试技 术，测量与监控伴随设备运行的振动，噪声，温度，压力等参量；利片j 信号分析与数据处理技术，对这 些参量的模拟或数字信息进行分析；利片j 信号模型，如频谱、自回归滑动平均、小波变换等，提取信号 诸如方差、幅值、频率等特征值，从而检测出故障；运用人工智能等技术手段建立动态信息和设备故障 之间的联系等等。这些技术的发展和应用也极大地丰富和促进设备故障诊断这一学科，使得故障诊断的 应用手段越来越先进。同时随着网络技术的发展，基于网络的设备远程监控也成为了可能，监测人员不 必到现场就能通过网络实时监视剑远程运行的情况，将可以大大节省了人力物力，具有方便高效的特点。 f 5 1 东南大学硕士学位论文 1 2 课题国内外研究发展状况 1 2 1 国内外研究状况及趋势 近十几年来，我国设备故障诊断技术迅速发展，以现代信息技术、振动诊断技术和智能专家系统为 主的设备诊断新技术已日益广泛应用于旋转机械、往复机械、齿轮、轴承直至空间飞行器和核电站的安 全检测和诊断中，正在改变我国传统的设备维修体制，逐步实现了从“定期维修”向更合理的“视情维 修”、“状态维修”和“预知维修”转变，为现代工业降低生产成本提供了重要途径。 国外从八十年代以后，研究开发了各种高性能的状态监测系统( 包括一些诊断功能) ，如美国b & n 公司的7 2 0 0 系列，亚特兰大公司的m 7 0 0 。在线监测系统，i r d 公司的t c p c 周期巡检系统，丹麦b k 公司的3 5 4 2 机械状态监测系统等。这类系统的特点是：硬件所占比例很大，采集信息多，处理速度快， 监测功能强，具有简单的诊断功能。哺1 但该类系统价格昂贵，且采用专用计算机系统及语言，新功能不 易开发，对使用人员要求较高。 智能诊断技术是当今世界发达国家的研究热点之一。智能诊断技术试图以计算机模拟人类专家对复 杂系统进行故障诊断，做到既能充分发挥领域专家在诊断中根据各种感觉得到的事实及专家经验进行快 速推理，又能很方便地推广应用于各种不同的诊断对象。智能诊断的优越性在于它综合多个专家的最佳 经验，其功能水平可以达剑超过专家，至少具有专家的水平，实现多故障、多过程、突发性故障的快速 分析诊断如果说传统诊断系统是由计算机硬件与软件组成的话，那么智能诊断系统既离不开模拟人脑功 能的计算机硬件及软件，又不排斥人的作用，而是集传统诊断方法优点和专家经验于一体，实现人一机 联合诊断功能。 在专家系统已有较深厚基础的国家中，机械、电子设备的故障诊断专家系统已基本完成了研究和试 验的阶段，开始进入广泛应用的阶段。如1 9 8 5 年r e g e n i e 等人研制的飞行器控制系统监视器( e e f s m ) 和1 9 8 7 年m a l i n 研制的汽车故障诊断系统( f i x e r ) 以及美国宇航局l a n g l e g 研究中心研制的l s 行器故障 诊断专家系统( f a u l t - f i n d e r ) 等都已达到实际应用水平，并投入使用。尤其在航空航天领域中，可靠性 和维修性工程越来越受到重视，迫切需要利用自动故障诊断和维修的专家系统来保障火箭、卫星和导弹 试验以及基地飞行试验的安全。现已研制出一些智能诊断系统：像火箭发动机专家系统( r e f d e s ) ，航天 器故障诊断试验专家系统( a t f d e s ) 、卫星控制系统地面实时故障诊断专家系统等等。 在国内，设备诊断技术的研究规模很大，远远领先于这一技术的t 程应用。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。目前，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，如两安交大、哈工大、清华、浙大、上海交大、华中理工大学、东北大学、北京科大等诊 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。“八五”期间，我国的一 些高校、研究所结合重大科技攻关项目“大型旋转机械状态监测、分析及故障诊断技术研究”在故障机 理研究中提出了非线性油膜力作用下最佳轴承参数优化方法；在机电藕合动态分析研究中，对多机 a c a d 联合电力系统进行同步谐振与轴系扭振研究：在对流体诱发振动研究中，应用震荡流体力学理论， 对叶片失速流、尾迹流、气封间隙流等进行了研究和计算：在对各种热力状态诱发故障机理研究中，对 各种热参数变化引起的故障进行了分析、研究，这些研究成果使我国在旋转机械故障机理研究方面提高 到一个新的水平。上海发电设备成套设计研究所、哈尔滨工业人学等单位都开发出了各种类型的故障诊 断装置；山东电力科学研究所和清华大学等单位在1 9 9 7 年共同开发了类似于美国西屋公司的a i d 系统 的“大型汽轮发电机组远程在线振动监测分析与诊断网络系统”，通过网络方式将各个电厂的振动数据 传输剑山东电力科学研究院远程诊断中心站，并通过中心站对振动数据进行远距离的监测分析与诊断。 我国诊断技术经过3 0 多年的研究与发展，在化工、冶金、电力等行业应用较好，已应用于飞机自动驾 驶、人造卫星、航天飞机、核反应堆、汽轮发电机组、大型电网系统、石油化工过程和设备、飞机和船 舶发动机、汽车、冶金设备，矿山设备和机床等领域。1 1 近十年来，信息技术特别是网络通信技术、大型数据库技术、人工智能的飞速发展给现代故障诊断 注入了新的活力。当前现代故障诊断技术正呈现出一些新的特点和趋势，主要表现为： 2 第一章绪论 1 ) 在诊断方法上与人工智能技术紧密地结合，并力争取得更多实用成果。智能故障诊断技术是现代 诊断技术法将是发展必由之路，智能诊断技术经过3 0 年的发展取得了很大的成就，但还不能很好地满 足工程实际应用需要，智能故障诊断系统的概念体系、知识获取、表示方法、不确定性等许多方面还有 待于系统、深入地研究，另外，如何将理论化的研究成果尽快实用化是智能故障诊断急需解决的问题。 2 ) 在系统结构上朝网络化、分布式的方向发展。网络通信技术给人们的日常工作、生活方式带来了 极大的变化，基于网络的协同工作正成为人们的主要工作方式：而跨国企业分布在全球各地的生产机构 和设备，相隔千里的制造商和用户，以及大量移动的没备、系统，都使得传统的诊断方式无法满足现代 的需求，网络通信技术为这些问题提供了解决方法。目前分布式人工智能技术，基于网络的音视频传输 技术、基于w e b 数据库技术的研究应用都大量的成果，为远程、分布式监控故障诊断技术的发展奠定了 基础。 3 ) 现代故障诊断技术将在组织上和企业管理信息系统紧密结合。从企业管理角度分析，设备系统运 行的完好性、故障率，维修成本都将对企业的经营状况造成重大影响。另外，故障诊断还要涉及到用户 的管理、产品备用件的管理等内容，因此很多e r p 软件都包含了系统设备的诊断、维护管理子系统。有 学者认为，将监测诊断融入到企业m i s 系统中去，将是诊断技术发展的最高方向。 1 2 2 相关技术发展方向 1 ) 学科的交叉 设备诊断技术是一门新的学科，它综合利用了电子、机械、化学、物理、数学、计算机等知识对设 备诊断进行研究。每一种设备故障诊断方法都存在自己的优缺点，因此各种方法的交叉综合应用，实现 优势互补将是一个发展方向。 模糊神经网络：模糊规则用于表示用语言描述的经验知识和定性知识，但通常不具备学习能力：而神 经网络可以依据样本进行自学习。所以模糊神经网络将两者优势互补：一方面可以用语言描述的规则构 造网络，使网络的权值具有明显的意义；另一方面引入了学习机制，提高了知识表示精度。 a )基于模糊神经网络的推理是解决诊断中的不确定性、尤其是模糊性问题的有发展前途的技术； b )智能模拟神经网络：将混沌理论与神经网络技术相结合形成了智能模拟神经网络，主要包括： 振荡神经网络、暂态混沌的神经网络、自发展的神经网络、流体神经网络； c )小波神经网络：小波神经网络是近年来在小波分析研究获得突破的基础上提出的一种前馈型网 络。其特点是：小波基元及整个网络结构的确定，有可靠的理论依据，可避免b p 网络等结构 设计上的盲目性；网络权系数线性分布和学习目标函数的凸性，使网络训练过程从根本上避免 了局部最优等非线性优化问题；有较强的函数学习能力和推广能力。因此，小波神经网络是 a n n 领域具有发展前景的发展方向。 2 )设备诊断智能化 充分应片j 现代研究成果以推动故障诊断技术，发展模糊诊断、智能化诊断、开发诊断型专家系统， 使数据处理、分析、故障识别自动完成。采用现代化、智能化的设备诊断仪器进行量化诊断，对设备准 确快捷地做出客观诊断结果评价，并及时提出消除不利因素的有效措施，使设备诊断工作创造出更高的 使用价值。 3 )基于远程网络的设备监测与诊断 基于远程网络的设备监测与诊断是将设备诊断技术与计算机网络技术相结合，用若干台中心计算机 为服务器，在企业的关键设备建立状态监测点，采集设备状态数据。在技术力量较强的科研院所建立分 析诊断中心，为企业提供远程技术支持和保障远程诊断技术是设备诊断技术、计算机网络与信息、技术、 数据库与决策支持技术相结合的产物。随着计算机网络技术的发展及通讯技术的进步，故障诊断的网络 化是今后的发展方向。u 训1 3 东南人学硕上学位论文 1 3 课题的目的及研究意义 总结设备故障诊断应包括如下几个主要环节： 1 )机械设备状态参数的监测； 2 )进行信号处理，提取故障特征信息； 3 )确定故障类型和发生部位； 4 ) 对确定的故障作防治处理或控制。 数据采集是控制系统中至关重要的一环。在工业生产和科研中，经常需要对各种信号进行采集，如 温度、压力、频率等。而对振动信号的采集又是对生产机械设备的状态监测和故障预测、诊断的第一步。 针对国内中小型制造企业的现状，将故障诊断技术与嵌入式技术结合起来，开发出的嵌入式故障诊断设 备体积小、集成度高、针对性强、开发周期短、功能扩展灵活。这些优点使得嵌入式故障诊断设备将有 很好的发展前景和应用空间。以嵌入式软硬件为基础，开发一种便携式的数据采集分析仪器，性价比高、 携带方便，符合国内一般厂矿企业的需求。 针对以上情况分析，本文结合南高齿大型风力发电机减速箱的监测与故障诊断科研课题，作了大量 细致、深入的研究，提出了一套切实可行的技术方案。本课题选用基于c 8 0 5 1 f 单片机的具备数据采集、 存储、分析和网络通讯功能的高速齿轮箱信号采集硬件平台，可以离线分析齿轮箱的运行状态信息，也 可以通过以太网进行数据传输和远程控制，与上层故障诊断单元配合还可以实现齿轮箱的故障诊断和预 知维修。本采集仪旨在提高企业设备监测和故障诊断自动化、信息化水平，为其在实际企业应用中取得 了一定的经济和社会效果。 1 4 研究的过程和论文的结构 本课题实践性和实用性很强，主要是在实验和实践的过程中来研究问题，具体的工作过程如下： 图l - 1 系统总体设计流程图 1 )设计方案并论证、选择芯片、电子元器件等材料； 2 )使用p r o t e l 9 9 s e 以及其他的画图软件画出符合电气特性的电路原理图并产生p c b 图；进行 4 第一章绪论 实物焊接，制成调试电路板； 3 )用v i s u a lc 编写硬件底层驱动程序，测试调试，并初始化c 8 0 5 1 f 1 2 0 ； 4 )按照通讯协议设计并调试以太网的连接程序； 5 ) 用v b 编写出串口通信程序； 6 )系统软硬件的调试； 7 )关于仪器可靠性的设计。 系统总体设计流程图如图l - l 所示。 围绕本课题的研究t 作，论文的主体部分共有五章： 第一部分是绪论，主要介绍了课题的背景，国内外发展情况，研究目的和意义，国内外的同类研究 现状、方案的设计，研究的方法和所需的一些材料工具的说明，研究的主要内容及预期的成果； 第二部分是系统的总体设计和背景理论知识。理论知识机构部分主要介绍了设备监测与诊断的主要 发式、嵌入式结构的设计方法的发展、以太网的发展以及嵌入式以太网的实现方法和t c p i p 协议栈等 内容；总体设计部分概括了系统的总体需求，介绍了系统总体结构以及各个模块的功能； 第三部分是风电装备故障监测和诊断的系统的硬件组成及原理，分别介绍传感器信号调理电路、嵌 入式以太网的硬件电路以及接口设计、s d 卡以及实时时钟的硬件设计、网络接口电路以及电源电路等 等； 第四部分是风电装备故障监测和诊断的系统软件，从框架的产生到应用程序代码的添加再到功能的 定制都有详细的示例代码及图示说明介绍各部分软件流程及整体软件设计； 第五部分是硬件与软件测试，即最终系统功能的实现过程； 第六部分是总结展望。说明了这一研究工作所取得的成果，同时也指出可能存在的问题和可以改进 的地方，对未米的发展指明了方向。 论文的总体结构如图卜2 所示。 第一章绪论 j 上 第二章系统背景知识和总体设计 l 乡 第三章硬件设计 | i 第四章软件设计 上 第五章系统测试 上 第六章总结与展望 图1 - 2 论文结构图 5 东南大学硕士学位论文 第二章系统的背景知识和总体设计 2 1 设备监测与诊断的主要形式 2 1 1 早期设备监测与故障诊断方式 早期设备监测与故障诊断系统的主要形式有离线监测与故障诊断方式、单机在线监测与故障诊断 方式和集中式在线监测诊断方式。 其中离线监测与故障诊断方式是通过检测传感器获取机械设备的运行信息，然后经数据采集装置 进入计算机，依靠计算机进行分析、诊断，这种方式虽然经济方便，但一般只适用于定期检测单机在 线监测与故障诊断方式对一台设备安装一套监测与诊断系统。该方式虽然具有时性好。可靠性高等优 点，但经济性差、各监测诊断系统间信息难以共享集中式在线监测与故障诊断方式虽然克服了经济性 差、信息难以共享等特点，但这种方式受地域限制难以进行远程诊断。 2 1 2 远程监测与故障诊断模式 随着机电设备向大型化、复杂化、高速化的发展，原有的监测诊断模式己远不能适应诊断的要求， 而新兴的网络技术为诊断技术开拓了全新的发展空间。冈此，基于网络技术的远程监测与故障诊断方 式应运而生。将设备监测诊断与网络技术相结合，有助于实现设各状态的实时、异地监测和诊断。工 矿企业采用远程监测与诊断方式，在重要关键设备上建立状态监测点，采集设备状态数据而在技术力 量较强的监测诊断中心建立分析诊断中心，为企业提供远程技术支持和保障。就可以像专家在现场一 样准确、及时的做出判断并采取有效措施解决。远程监测诊断模式大体经历了三种模式：l i 2 j 1 ) 早期远程监控与诊断模式 如图2 一l 所示，此模式最大缺点是远程诊断工程师无法直观地了解现场生产与设备状况，完全凭 着现场人员的记录资料进行分析推理，诊断结论在很大程度上受现场人员的主观因素和知识水平影响， 可靠性不高另外这种模式无法实现实时和在线监控与诊断。 图2 - 1 早期远程监控与诊断模式 2 ) 近代远程监控与诊断模式 如图2 2 所示，这种模式有了很大进步，远程诊断工程师可以较为直观地了解现场生产与设备状 况，诊断结果受现场人员的主观因素和知识水平影响减小，可靠性大为提高另外这种模式还可以实现 实时和在线监控与诊断但是，由于模拟信号远距离传输后会产生较大失真，影响了诊断结果的准确性 因此这种远程监控与诊断模式的有效距离不会是无穷远的。 图2 2 近代远程监控与诊断模式 6 第二章系统的背景知识和总体设计 3 ) 现代远程监控与诊断模式 如图2 3 所示，现代远程监控与诊断模式是随着通信、计算机和网络技术发展而产生的，成为主 要的远程监控与诊断模式。其最显著特点是现场的采样设备将各种传感器获取的设备状态信息转变为 数字信号后，通过网络传送给远程诊断工程师，远程诊断工程师再利用计算机和现代数字信号处理技 术对收到的数字信号进行分析处理，对设备状态进行评估，给出诊断结论并将结果返回给现场人员。 由于数字信号远程传输的保真度高，不受时间和空间影响，因此诊断结论可靠性高，可以实现真正意 义上的实时在线远程监控与诊断。 2 2 嵌入式系统 图2 3 现代远程监控与诊断模式 2 2 1 嵌入式系统设计方法变化的背景 嵌入式系统设计方法的演化总的来说是因为应用需求的牵引和i t 技术的推动。 1 ) 随着微电子技术的不断创新和发展，大规模集成电路的集成度和工艺水平不断提高。硅材料与人 类智慧的结合，生产出大批量的低成本、高可靠性和高精度的微电子结构模块，推动了一个全新的技 术领域和产业的发展。在此基础上发展起来的器件可编程思想和微处理技术可以用软件来改变和实现 硬件的功能。微处理器和各种可编程大规模集成专用电路、半定制器件的大量应用，开创了一个崭新 的应用世界，以至广泛影响着并在逐步改变着人类的生产、生活和学习等社会活动。 2 ) 计算机硬件平台性能的人幅度提高，使很多复杂算法和方便使用的界面得以实现，大大提高了工 作效率，给复杂嵌入式系统辅助设计提供了物理基础。 3 ) 高性能e d a 的综合开发工具平台得到长足发展，而且其自动化和智能化程度不断提高，为复杂 的嵌入式系统设计提供了不同用途和不同级别集编辑、布局、布线、编译、综合、模拟、测试、验证 和器件编程等一体化的易于学习和方便使用的开发集成环境。 4 ) 硬件描述语言h d l 的发展为复杂电子系统设计提供了建立各种硬件模型的工作媒介。它的描述 能力和抽象能力强，给硬件电路，特别是半定制大规模集成电路设计带来了重人的变革。目前，用得 较多的有己成为i e e e 为s t d l 0 7 6 标准的v h d l 、i e e es t d l 3 6 4 标准的v e r i l o gh d l 和a l t e r a 公司企 业标准的a h d l 等。 由于h d l 的发展和标准化，世界上出现了一批利用h d l 进行各种集成电路功能模块专业设计的 公司。其任务是按常用或专用功能，用h d l 来描述集成电路的功能和结构，并经过不同级别的验证 形成不同级别的l p 内核模块，供芯片设计人员装配或集成选用。i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) l 勾核模块是一 种预先设计好的甚至已经经过验证的具有某种确定功能的集成电路、器件或部件。它有儿种不同形式。 i p 内核模块有行为、结构和物理级不同程度的设计，对应有主要描述功能行为的“软i p 内核( s o f ti p c o r e ) ”、完成结构描述的“固i p 内核( f i r mi pc o r e ) ”和基于物理描述并经过工艺验证的“硬i p 内核 ( h a r di pc o r e ) ”3 个层次。这相当于集成电路( 器件或部件) 的毛坯、半成品和成品的设计技术。软i p 内核通常是用某种h d l 文本提交用户，它己经经过了行为级设计优化和功能验证，但其中不含有任 何具体的物理信息。据此，用户可以综合出止确的门电路级网表，并可以进行后续结构设计，具有最 大的灵活性，可以很容易地借助于e d a 综合工具与其他外部逻辑电路结合成一体，根据各种不同的 7 东南犬学硕上学位论文 半导体j = 艺，设计成具有不同性能的器件。可以商品化的软i p 内核一般电路结构总门数都在5 0 0 0 门 以上。但是，如果后续设计不当，有可能导致整个结果失败。软i p 内核又称作虚拟器件。硬i p 内核 是基于某种半导体工艺的物理设计，已有同定的拓扑布局和具体工艺，并己经经过工艺验证，具有可 保证的性能。其提供给用户的形式是电路物理结构掩模版图和全套工艺文件，是可以拿来就用的全套 技术。同i p 内核的设计深度则是介于软i p 内核和硬i p 内核之间，除了完成硬i p 内核所有的设计外， 还完成了门电路级综合和时序仿真等设计环节。一般以门电路级网表形式提交用户使用。 5 ) 软件技术的进步，特别是嵌入式实时操作系统e o s ( e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m ) 的推出，为 开发复杂嵌入式系统应用软件提供了底层支持和高效率开发平台。e o s 是一种功能强大、应用广泛的 实时多任务系统软件。它一般都具有操作系统所具有的各种系统资源管理功能，用户可以通过应用程 序接口a p i 调片j 函数形式来实现各种资源管理。用户程序可以在e o s 的基础上开发并运行。它与通用 系统机中的o s 相比，主要有系统内核短小精悍、开销小、实时性强和可靠性高等特点。完善的e o s 还提供各种设备的驱动程序。为了适应网络应用和i n t e m e t 应用。还可以提供t c m p 协议支持。目前 流行的e o s 有3 c o m 公司的p a l mo s 、m i c r o s o f t 公司的w i n d o w sc e 和w i n d o w sn te m b e d d e d4 0 、 日本东京大学的t r o n 和各种开放源代码的嵌入式l i n u x 等。 2 2 2 嵌入式系统设计方法变化的几个层次 l 、以p c bc a d 软件和i c e 为主要工具的设计方法。1 1 3 - 1 4 j 这是过去直至现在我国单片机应用系统设计人员一直沿用的方法，其步骤是先抽象后具体。 抽象设计主要是根据嵌入式应用系统要实现的功能要求，对系统功能细化，分成若干功能模块， 画出系统功能框图，再对功能模块进行硬件和软件功能实现的分配。 具体设计包括硬件设计和软件设计。硬件设计主要是根据性能参数要求对各功能模块所需要使用 的元器件进行选择和组合，其选择的基本原则就是市场上可以购买剑的性价比最高的通用元器件。必 要时，须分别对各个没有把握的部分进行搭试、功能检验和性能测试，从模块到系统找到相对优化的 方案，画出电路原理图。硬件设计的关键一步就是利用印制板( p c b ) 计算机辅助设计( c a d ) 软件 对系统的元器件进行布局和布线，接着是印制板加工、装配和硬件调试。 工作量最人的部分是软件设计。软件设计贯穿整个系统的设计过程，主要包括任务分析、资源分 配、模块划分、流程设计和细化、编码调试等。软件设计的工作量主要集中在程序调试，所以软件调 试工具就是关键。最常用和最有效的工具是在线仿真器( i c e ) 。 2 、以e d a 工具软件和e o s 为开发平台的设计方法。 随着微电子工艺技术的发展，各种通用的可编程半定制逻辑器件应运而生。在硬件设计时，设计 师可以利用这些半定制器件，逐步把原先要通过印制板线路互连的若干标准逻辑器件自制成专用集成 电路( a s i c ) 使用，这样，就把印制板布局和布线的复杂性转换成? 仁定制器件内配置的复杂性。然而， 半定制器件的设计并不需要设计人员有半导体工艺和片内集成电路布局和布线的知识和经验。随着半 定制器件的规模越来越大，可集成的器件越来越多，使印制板上互连器件的线路、装配和调试费j j 越 来越少，不仅大大减少了印制板的面积和接插件的数量，降低了系统功耗，提高了系统工作速度，大 大提高了系统的可靠性和安全性。 这样，硬件设计人员从过去选择和使用标准通用集成电路器件，逐步转向自己设计和制作部分专 用的集成电路器件，而这些技术是由各种e d a 工具软件提供支持的。 半定制逻辑器件经历了可编程逻辑阵列p l a 、可编程阵列逻辑p a l 、通用阵列逻辑g a l 、复杂可 编程逻辑器件c p l d 和现场可编程门阵列f p g a 的发展过程。其趋势是集成度和速度不断提高，功能 不断增强，结构趋于更合理，使用变得更灵活和方便。 设计人员可以利用各种e d a 工具和标准的c p l d 和f p g a 等，设计和自制用户专用的大规模集 成电路。然后再通过自下而上的设计方法，把用半定制器件设计自制的集成电路、可编程外围器件、 所选择a s i c 的与嵌入式微处理器或微控制器在印制板上布局、布线构成系统。 8 第二章系统的背景知识和总体设计 3 、以i p 内核库为设计基础，用软硬件协同设计技术的设计方法。 2 0 世纪9 0 代后，进一步开始了从“集成电路”级设计不断转向“集成系统”级设计。目前己进 入单片系统s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 设计阶段，并开始进入实用阶段。这种设计方法不是把系统所需要用 到的所有集成电路简单地二次集成到1 个芯片上，如果这样实现单片系统，是不可能达到单片系统所 要求的高密度、高速度、高性能、小体积、低电压、低功耗等指标的，特别是低功耗要求。单片系统 设计要从整个系统性能要求出发，把微处理器、模型算法、芯片结构、外同器件各层次电路直至器件 的设计紧密结合起来，并通过建立在全新理念上的系统软件和硬件的协同设计，在单个芯片上完成整 个系统的功能。有时也可能把系统做在几个芯片上。因为，实际上并不是所有的系统都能在一个芯片 上实现的还可能冈为实现某种单片系统的工艺成本太高，以至于失去商业价值。目前，进入实用的单 片系统还属于简单的单片系统，如智能i c 卡等。但几个著名的半导体厂商正在紧锣密鼓地研制和开发 像单片p c 这样的复杂单片系统。 单片系统的设计如果从零开始，这既不现实也无必要。因为除了设计不成熟、未经过时间考验， 其系统性能和质量得不到保证外，还会因为设计周期太长而失去商业价值。 为了加快单片系统设计周期和提高系统的可靠性，目前最有效的一个途径就是通过授权，使用成 熟优化的i p 内核模块米进行设计集成和二次开发，利用胶粘逻辑技术g l t ，把这些i p 内核模块嵌入到 s o c 中。i p 内核模块是单片系统设计的基础，究竟购买哪一级i p 内核模块，要跟据现有基础、时间、 资金和其他条件权衡确定。购买硬i p 内核模块风险最小，但付出最大，这是必然的。但总的来说，通 过购买i p 内核模块不仅可以降低开发风险，还能节省开发费用，因为一般购买内核模块的费用要低于 自己单独设计和验证的费用。当然，并不是所需要的i p 内核模块都可以从市场上买得到。为了垄断市 场，有一些公司开发出来的关键i p 内核模块( 至少暂时) 是不愿意授权转让使用的。像这样的内核模块 就不得不自己组织力量来开发。 综上所述，嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是以应用为中心和以计算机技术为基础的，并且软硬 件是可裁剪的，能满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等指标的严格要求的专用计算机 系统，它可以实现对其它设备的控制、监视或管理等功能。嵌入式系统通常由硬件和软件两部分组成， 简单的嵌入式系统由微控制器或单片机及嵌入式软件组成，复杂的嵌入式系统通常都采用高端嵌入式 微处理器，并运行嵌入式操作系统。嵌入式系统不同于传统的计算机系统，它有较强的专用性、可裁 剪性、可靠性等，应用范围远远超过计算机系统，广泛应用在制造工业、过程控制、通信、仪器仪表、 汽车、船舶、航空航天、军事装备、消费类电子产品等领域。 2 3 以太网 以太网( e t h e m e t ) 最初起源于x e r o x 公司建造的一个2 9 m b p s 的c s m a c d ( 载波监听多路访问) 系统，它以无源电缆作为总线来传输数据，在1 0 0 0 m 的电缆上连接了1 0 0 多台计算机，并以曾经在历 史上表示传播电磁波的以太( e t h e r ) 来命名，这就是如今的以太网的鼻祖。随后d e c 、t n t e l 及x e r o x 合作公布了e t h e m e t 物理层和数据链路层的规范，称为d i x 规范。在此基础上，电气和电子工程师协 会( i e e e ) 带i j 定了i e e e 8 0 2 3 标准。 以太网可以支持多种传输介质。以太网按传输介质标准主要可分为三类，粗缆以太网、细缆以太 网、双绞线以太网，即1 0 b a s e 5 ，1 0 b a s e 2 ，i o b a s e t ，近几年又出现了以光纤为传输介质的快 速以太网。随着技术的不断发展，以太网的传输速度也得到很大提高，从l o m b p s 逐渐发展到1 0 0 m b p s ， 1 0 0 0 m b p s ，甚至l o g b p s 也提上研究日程。 以太网主要针对网上只传输数据的特点，网上所有节点访问网络的机会相等，为此媒体介质访问 协议采用c s m a c d ( 载波监听多路访问) ，它是一种非确定性或随机性通信方法。其基本工作原理是： 某节点要发送报文时，首先监听网络，如网络忙，则等到其空闲为止，否则将立即发送，并同时继续 监听网络；如果两个或更多的节点监听到网络空闲并同时发送报文时，将发生碰撞，同时节点立即停 9 东南大学硕士学位论文 止发送，并等待一段随机长度的时间后重新发送。1 6 次碰撞后，控制器将停止发送并向节点微处理器 回报失败信息。c s m a c d 的优势在于站点无需依靠中心控制就能进行数据发送。当网络负荷较小的 时候冲突很少发生，冈此延迟低。当网络负载较重的时候，就容易出现冲突，网络性能也相应降低， 不能保证数据在定时间内到达目的站，因此通信实时性不能保证。 另外，以太网采用t c p i p 通信协议，与国际标准化组织i s o 的o s l ( 开放系统互联模型) 相比，它 采用了四层模型，从下到上分别是：数据链路层、网络层、传输层、应用层。各层分别完成各自的数 据处理，确保实现数据端剑端的传输。 以太网与嵌入式系统相结合就形成了嵌入式以太网技术。嵌入式以太网技术这一概念创新的提出 在嵌入式系统中实现以太网的w e b s e r v e r ( 网页服务) 器功能，与i n t e m e t 实现无缝连接。由于以太网的 便利条件，可以很容易地进行远程数据采集、智能控制等。 2 4 嵌入式以太网的实现方法 嵌入式以太网系统可以有多种实现方法，一般应用较多的可以概括为以下几种方案：3 2 位微处理 器运行嵌入式操作系统实现、采用专用网络协议处理芯片、单片机t c p i p 嵌入协议栈。 经过几种方案的比较，单片机嵌入t c p i p 协议栈的实现方法对应用不是很复杂的系统具有优势， 且应用具有一般性，冈此本文选定单片机嵌入t c p i p 协议栈作为系统的实现方案。下面简单介绍单片 机嵌入t c p f l p 协议栈。 单片机嵌入t c p i p 协议栈方案是利用单片机为控制核心，添加一片以太网控制芯片，在其中嵌入 一个比较简单的t c p i p 协议栈，并在需要的情况下在单片机外围扩展大容量的r o m 、r a m 以