（机械设计及理论专业论文）基于arm和μcos的运输环境记录仪的研究.pdf

基于a r m 和t t c 0 s 的运输环境记录仪的研究 摘要 包装的目的之一是为了吸收或改变环境带来的能量，保护产品免受 运输环境中的危害，使产品在整个配送渠道中保持功能品质和外观品质。 包装测试是一个重要过程，它确保产品在正常的配送危害( 如振动、碰 撞、挤压、温度和湿度) 中可以受到足够的保护。目前并没有一个适用 于所有产品的通用测试顺序。每个产品都有其自己的一套包装测试要求， 这取决于所使用的配送渠道。配送渠道是指产品从生产车间到最终用户 手中所经历的流程。为了确定要执行哪些合适的测试，了解每个特定产 品的配送渠道环境是必要的。 在进行包装设计和制订测试策略的过程中，了解运输环境中遇到的 危害及其对产品的影响之间的关系是非常重要的。本课题提出设计一种 数据采集装置，对产品的运输环境进行全程监测，记录配送循环过程可 以提供有关包装产品危害程度的详细而特定的信息。所记录的信息可用 来优化包装设计并通过根据记录的信息而定制的测试计划。 本设计从被测信号的分析入手，合理的选取了加速度传感器以及温 湿度传感器，利用a r m 单片机，设计一种可以进行长时间离线工作的 运输环境记录仪，自动采集包装件在流通环境中的温度、湿度、x 、y 、 z 三个方向加速度等5 组参数。采用了基于i - t c o s i i 实时嵌入式操作系 统的多任务的软件设计方法，利用c 语言和汇编语言共同完成。为了增 强通用性，大容量数据存储采用电子硬盘( c f 卡) ，使用f a t 文件格式， 规定了数据存储与传输的格式，在任何微型计算机上都能方便的读取采 集的记录数据。 设计中充分考虑了该装置的工作环境特点，对功率消耗和大容量存 储进行了分析，提出了设计思路。本设计对于离线测试技术的研究，以 及运输环境记录仪的商业化应用都具有一定的应用价值。 关键词：a r m ，l a c o s ，数据采集，运输环境，传感器，大容量存储 t h ed e v e l o p m e n to f t r a n s p o r t a t i o nd a t al o g g e r b a s e do na r ma n d i a c o s a b s t r a c t o n eo ft h ep u r p o s e so fp a c k a g i n ga r ei no r d e rt oa b s o r bo ra l t e rt h e e n v i r o n m e n to fe n e r g y ，p r o t e c tp r o d u c t sf r o mt r a n s p o r t a t i o nh a z a r d sa n d m a i n t a i nf u n c t i o no ft h e q u a l i t y a n da p p e a r a n c e q u a l i t yt h r o u g h o u tt h e t r a n s p o r te n v i r o n m e n t p a c k a g i n gt e s t i n gi sa ni m p o r t a n tp r o c e s s ，w h i c h e n s u r et h a tt h ep r o d u c td i s t r i b u t i o ni nt h en o r m a lh a z a r d s ( s u c ha sv i b r a t i o n i m p a c t ，e x t r u s i o n ，t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y ) c a nb es u b je c tt oa d e q u a t e p r o t e c t i o n w ed on o th a v eaa p p l i c a b l et oa l l p r o d u c t su n i v e r s a l t e s t s e q u e n c e e a c hp r o d u c th a si t so w ns e to fp a c k a g i n gt e s tr e q u i r e m e n t s ， d e p e n d i n go nt h et r a n s p o r te n v i r o n m e n t d i s t r i b u t i o nc h a n n e l sa r er e f e r r i n g t op r o d u c t sf r o mt h ep r o d u c t i o np l a n tt oe n d u s e r s i no r d e rt od e t e r m i n e w h a tt h e a p p r o p r i a t et e s t t oi m p l e m e n t ，w eh a v et ok n o we a c hs p e c if i c p r o d u c tt r a n s p o r te n v i r o n m e n t i np a c k a g i n gd e s i g na n dd e v e l o p i n gt e s t s t r a t e g y , t ok n o wt r a n s p o r t e n v i r o n m e n t a lh a z a r d se n c o u n t e r e di nt h ep r o d u c tt r a n s p o r te n v i r o n m e n ti s v e r yi m p o r t a n t ad a t al o g g e ri si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h ed a t al o g g e r c o n t i n u o u s l ym o n i t o r st h ep r o c e s so ft r a n s p o r t a t i o na n dr e c o r d sd a t ao f h a z a r d se n c o u n t e r e di nt r a n s p o r te n v i r o n m e n t t h er e c o r d e di n f o r m a t i o nc a n b eu s e dt oo p t i m i z et h ep a c k a g i n gd e s i g nw h i c hc a np a s st h et e s t p l a n c u s t o m i z e db yt h er e c o r d e dd a t a t h i sp a p e rs e l e c ta c c e l e r o m e t e rs e n s o ra n d h u m i d i t y & t e m p e r a t u r e s e n s o r a c c o r d i n gt oa n a l y s i so fs i g n a l st ob e m e a s u r e di nt r a n s p o r te n v i r o n m e n t t h ed a t ar e c o r d e rw h i c hi sb a s e do n a r mm c u a u t o m a t i c a l l ym o n i t o r sa n dr e c o r d st e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y , i m p a c ta n dv i b r a t i o no fp r o d u c t si nf i e l dt e s t i n gw a yd u r i n gal o n gt i m eo f t r a n s p o r t a t i o n t h es o f t w a r eo ft h e d a t ar e c o r d e rb a s e do ne m b e d d e d o p e r a t i o ns y s t e mi t c o si sp r o g r a m m e dw i t hca n da s s e m b l yl a n g u a g ei n i i t h ew a yo fm u l t i t a s ks o f t w a r ed e s i g n i n g i no r d e rt oe n h a n c et h ev e r s a t i l i t y ， h i g h c a p a c i t yd a t as t o r a g eu s i n ge l e c t r o n i ch a r dd i s k ( c fc a r d ) ，u s et h ef a t f i l ef o r m a t ，w h i c hp r o v i d e sd a t as t o r a g ea n dt r a n s m i s s i o nf o r m a t ，s oa n y m i c r o c o m p u t e rc a nb ec o n v e n i e n tt or e a dd a t af r o mt h ed a t al o g g e r i nv i e wo ft h ed a t al o g g e r sw o r k i n ge n v i r o n m e n t ，i tw a sd i s c u s s e dt h a t p o w e rc o n s u m p t i o n a n d h i g h c a p a c i t ys t o r a g e i t i sv a l u a b l et ot h e d e v e l o p m e n to ff i e l dt e s t i n ga n dd a t al o g g e r sc o m m e r c i a lu s i n g k e yw o r d s ：a r m ， t c o s ，d a t a e n v i r o n m e n t ，s e n s o r ， i i i l o g g e r ，d a t aa c q u i s i t i o n ，t r a n s p o r t h i g hd e n s i t yd a t am e m o r y 陕两科技大学硕士学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：刍她日期：盥i 手量血 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位 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、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：继导师签名：雌日 期： 7 0 基于a r m 和o c o s 的运输环境记录仪的研究 1 绪论 1 1 引言 产品、货物的流通是现代社会不可或缺的一部分，特别是当今高度发达的 商品经济社会，随着经济的飞速发展，人们对生活质量的要求不断提高，对产 品包装的重视程度也越来越高，希望产品经过一系列的运输环境打开包装后， 产品完好无损。 包装的主要作用是保护产品，方便储运，促进销售。据不完全统计，我国 商品流通过程中由于包装设计不善造成的经济损失，每年约l4 0 亿元。包装 件在流通过程中要受到诸多环境负荷的影响，但因装卸运输工具，路线状况， 地域条件，仓储设备的不同，各种环境负荷的随机性难以预测和模拟，使得产 品生产者、承运者、销售者等有关方面由于缺少相应影响产品以及包装件损坏 的各类直接数据，其产品包装设计、物流管理等的可靠性和合理性难以保障。 1 2 课题提出及意义 许多制造行业对产品包装的要求也在日益增长，不仅要求包装能很好的保 护产品，而且要避免不必要的包装成本，使产品包装更加合理。同时许多企业 并没有一个完善的包装设计体系，很多都是停留在感性认识的基础上，他们在 进行包装设计时并没有充分考虑包装件的流通过程，即以生产工厂为起点，以 消费者为终点之间所经历的全部过程，它包括了包装件在装卸、运输、仓储过 程中受到的冲击、振动的影响以及包装件经历不同的气候区域，受到寒冷、炎 热、干燥、潮湿、风雨等气候因素的影响。因此对流通环境中产品可能遭遇到 的各种影响因素进行考察和评价是改善产品包装设计的关键，同时也是包装测 试的前提。 对产品进行包装设计时，不仅要了解产品的脆值和包装材料的性能，而且 要对流通环境有一个正确的评估。在产品、包装件定型之前，我国目前通常采 用的方法是凭借多年来对产品和包装件破损情况的了解，依靠经验确定设计思 路和方案，然后通过实验室模拟真实运输环境，对产品、包装件进行包装性能 测试，检测运输包装的可靠性，由于包装件的流通环境受诸多因素的影响，具 有很大的随机性，很难预测，实验室模拟的运输环境不能代替真实的运输环境， 经验设计也需要试验数据的支持，所以这样的设计方案很难达到最优。 陕两科技大学硕士学位论文 通过运输环境记录仪，跟踪和记录真实的运输环境帮助运输包装设计者评 估包装的有效性和性能。其功能包括记录运输过程中的跌落、振动以及温度和 湿度等数据。通过对这些数据的分析，再现这些危害的波形，并通过冲击响应 谱、随机振动的功率谱分析，定义产品和包装在运输过程中经受的危害量级。 然后根据这些数据，对产品、包装和物流管理等的原设计方案进行修改，从而 改善包装性能，使产品包装更趋合理。同时为评估产品的运输可靠性提供真实 的数据。 本课题的研究、发展和推广，为产品的包装设计和包装可靠性测试提供了 真实的流通环境数据，同时，通过大量典型运输过程的数据采集、分析与综合， 对建立各种路谱提供实际数据，为制定更为切实可行的企业、行业及国家标准 会起到很好的推动作用。 1 3 国内外发展现状 目前，建立在单片微型计算机和微电子技术基础上的存储测试技术已广泛 地应用于兵器测试、石油测井等领域，其核心是将微测试系统直接放入被测体 内，直接测试被测体在工作过程中的各种主要参数变化，将数据存储起来。将存 储的数据通过计算机接口读出，从而得到被测参数随时间变化的曲线。此外， 汽车、飞机、轮船等的行驶、安全记录中的所谓“黑匣子 ，其实也就是完成 某种功能的数据记录仪。然而使用于测试、记录流通环境的数据记录仪并不多 见，目前还未见到国内自主设计的此类商业化产品。 产品在流通过程中，将受到多种环境负荷的综合作用，这个过程中究竟包 装件能否经保护产品，必须要经过流通试验才能肯定，目前国内对产品流通进 行试验主要有两种方式： 1 )实验室模拟试验，即使用专用的电机设备和测试仪表，在室内模拟再现实 际流通环境的负荷，模拟试验可以精确控制试验条件，然而模拟环境、相 关因素和破损结果与实际流通情况有一定差距，且要求较高的设备投资和 技术。因此给这种实验技术的普及应用带来困难。 2 )现场试验，即使用简单的计量和记录仪表，跟随待测件一同按既定的装载 量、运行速度、路线状况和气象环境等流通一遍，然后检查包装及产品的 完好程度。现场试验操作技术简单，试验结果直观，较多机械产品，电器 产品和军工用品沿用这种方法。但是目前，我国现场试验水平较低，缺乏 专门的测试记录装置，对破损原因很难定量分析，分析时主观性较大，以 及操作人员和操作技术上的差异，导致测试记录数据相差较大，失去试验 2 基于a r m 和 t c 0 s 的运输环境记录仪的研究 结果的客观性、可比性，测试记录项目单一，同一个流通过程，常需要进 行多次单一项目测试，效率低。 显然，如果可以在流通过程中，对各项关心的数据如实记录，待流通结束 后，再还原整个过程是最理想的测试和监测方式。这正是本课题的出发点。 由于商品经济发展程度的差异，对于包装件在流通过程中的装卸、运输、 仓储等诸多环节受到环境负荷的影响而造成的损失，发达国家在流通环境研究 方面一直处于领先地位。l9 9 9 年由美国5 个大的跨国公司组成了一个联盟，来 共同对付他们所面临的问题：运往中国及在中国国内的运输产品，一直有无法 忍受的高破损率。于是，采用真实模拟试验方案开展了“中国项目，做了大量 的静态和动态测试，至此之后这5 个公司根据数据改进了其包装设计，减少了 破损，但没有公布其测试数据。我国目前尚未开展这样的研究，明显落后于发 达国家。 就运输数据记录仪而言，美国l a n s m o n t 公司的系列产品具有很强的竞争 力，技术上在国际上是领先的。其中s av e r7 m 3 x g o 运输环境记录仪，尺寸小 9 5 x 7 4 x 4 3 m m ，采用1 6 位a d ，最大2 0 0 9 测量范围，存储容量为1 2 8 m ，但它 价格昂贵，国内用户难以接受。 为了满足国内用户的需要，近年来国内相继有个别高校和科研院所开始了 研究和探索，并取得了相当的研究成果，对我们进一步在这个领域的研究奠定 了基础，但不足之处是还处在研究阶段，与国际技术相比，在软硬件的实际应 用和商品化方面有很大差距。今后国内对多功能，高精度、大容量、价格低， 且配以功能强大的后期分析软件的现场数据采集系统将会有很大的需求。 当今电子技术集成度越来越高，传感器技术不断发展，传感器体积不断减 小，性能逐步提高，同是微处理器的速度越来越快，性能越来越稳定，这些新 技术为存储测试技术拓宽了其应用领域。结合国内技术成熟、应用普遍的单片 微型计算机技术，我们有条件开发出自己的、高性价比的流通环境现场数据采 集及分析系统。 1 4 课题的研究内容和主要任务 本次研究主要是对流通环境中对产品产生影响的主要因素进行研究和探 讨，通过运输环境记录仪对这些影响因素全部记录下来，然后再对这些数据进 行进一步的分析，定义产品的流通环境的严酷程度。流通环境中对产品产生影 响的主要因素有： 1 ) 加速度 3 陕西科技大学硕士学位论文 产品在运输过程中，包装件受到的主要危害是冲击、振动。当冲击加速度 的大小反映了作用于包装件上的冲击力的大小，当冲击力和冲击时间达到一定 程度时，产品就会损坏；振动会使产品在某一平衡点长时间的反复往返运动， 从而使产品发生疲劳破损。 2 ) 温度、湿度 包装件在储运过程中由于地区温、湿度气候条件的变化，会对包装件产生 一定的影响，不但对包装内容物有影响，而且有时对缓冲包装材料有影响，使 其缓冲性能降低或丧失。 课题的基本目标是结合国内现场采集技术和运输包装行业的现状和发展 要求，考察国内用户的实际需求和科研现状，根据国内现有技术的特点，设计 出具有投资少、功耗小、可靠性高、操作方便等优点的流通环境数据记录仪。 运输环境记录仪的整个设计立足于单片机控制系统和嵌入式实时操作系 统，应用先进的传感器、存储器、1 2 c 总线、文件管理系统等技术，设计出具 有良好性能的集成电路，使最终研制的产品做到数据采集安全稳定、记录周期 长、操作方便等特点，达到同类产品的国内先进水平。 课题的具体任务是： 1 ) 流通环境各种状态参数的数据采集。 a ) 加速度数据的记录以及相应时间的记录 b ) 环境温度、湿度以及相应时间的记录 2 ) 大容量数据记录 一般货物处在流通过程中的时间都比较长，而记录数据的存储器是不允许 刷新的。这样多种事件的记录，特别是连续的运输过程振动事件的记录， 随采样频率的升高，数据采集量会变得相当的巨大，因此必须解决单片机 系统大容量存储的问题，并保证数据的安全性。 3 ) 数据通讯 为了更加直观的对数据进行分析、处理，数据采集系统应当向数据分析系 统传递大量的采集数据，将这些以时间顺序存储起来的数据导入到上位机 中，在本设计中采用了电子硬盘存储技术，它支持热插拔和即插即用，安 装简单，文件读取完全兼容于各类操作系统，其最大的优点就是突破了存 储容量的限制。对于上位机，将数据采集系统视为u s b 大容量存储设备， 这样文件系统和文件格式的问题必须妥善的解决。同时需要了解电子硬盘 存储技术、通用串行总线的通讯协议标准、总线接口标准等。 4 1 扩展1 2 c 总线 4 基于a r m 和g c 0 s 的运输环境记录仪的研究 工业控制中大量使用单片机作为控制核心，但是单片机品种规格有限，所 以只能选用某种单片机再进行扩展。扩展的方法有两种：一种是并行总线， 另一种是串行总线。由于串行总线连线少，结构简单，往往不用专用的母 板和插座而直接用导线连接各个设备即可。因此，采用串行总线大大简化 了系统硬件设计。1 2 c 串行总线是由p h i l i p s 公司推出的一种两线制串行扩 展总线，它通过两根线( s d a 串行数据线，s c l 时钟线) 在连接到总线的 器件之间传送数据，所有1 2 c 兼容的器件都有标准的接1 ：3 ，拥有由固化地址 和硬件选择地址共同组成的地址编码，使它们可以经由1 2 c 总线相互直接通 讯。1 2 c 总线设计对系统设计师及仪器制造商都有利，因为可增加硬件的效 率及简化电路，同时可以提高仪器的可靠性，以及解决了很多在设计数据 控制电路上所遇到的接口问题。 5 ) 低功耗设计 按设计要求，系统要在电池驱动下工作1 个月，如何保证在这期间正常运 行，是低功耗设计必须考虑的，系统功耗的最小化需要从软、硬件设计两 方面入手，硬件包括了单片机、外围芯片的低功耗选择，软件包括程序设 计的合理性，在选型和软件设计时都要给予充分的考虑 6 ) 可靠性设计 设计使用现场数据采集系统的目的就是为了测量记录在不同流通环境中运 输包装件受到的环境影响，诸如气候、振动、冲击、跌落等，那么采集系 统本身必须具备高的抗干扰能力，以抵御来自电磁干扰、恶劣环境、颠簸 坠落等影响。因次记录仪本身的机械强度和抗干扰性能有极高的要求。 1 5 本章小结 本章分析了在流通环境中，市场对现场数据采集系统的需求，阐述了课题 提出的目的和意义，根据国内外运输环境记录仪的研究现状，针对国内实际， 提出了设计思想。 5 陕西科技大学硕士学位论文 2 系统总体方案设计 2 1 设计思想 运输包装数据记录仪1 2 ，j - l - 作时，将其置入包装件内，自动采集加速度、 温度、湿度三个参数。将所采集的数据按时间序列存储，待包装件被打开，取 回运输包装数据记录仪，通过u s b 接口连接到p c 机上，由运行在p c 机上的 数据分析处理系统读取采集器中的数据并进行处理和分析，得出温湿度随时间 变化的曲线，随机振动的功率谱，冲击波形及发生时刻、各次冲击的响应谱等。 运输包装环境记录仪作为对流通环境现场监测、记录的装置，必须随包装 件一同承受多种环境负荷的作用。有时候流通环境负荷相当严酷，为了保证装 置能在较大范围内满足不同操作对象的需要，在各种工况下均能正常工作，记 录结果准确，它必须满足以下基本要求： l 、 内部结构紧凑，体积小、重量轻；安装、操作方便，运行可靠； 2 、整个装置，包括各个零件，具有较高防震、耐冲击强度； 3 、测量量程大，低功耗，测试记录时间长； 系统功能框图如图： 图2 1 运输环境记录仪系统功能框图 f i 9 2 - 1f u n c t i o nc h a to fd a t al o g g e r 为了充分利用总线优势来传输数据，提高系统的可扩展性，同时减少不必 要的多余线束，结构上采用1 2 c 串行总线，由两根传输线完成总线功能，提供 6 基- j ：a r m 和i t c 0 s 的运输环境记录仪的研究 给日历时钟、系统缓存和待扩展设计使用。考虑到监测现场的特点，设计要 提高可靠性，保证长时间安全运行，设计要尽量抗震、抗电磁干扰、避免过多 的功耗损失。 2 2 用户界面 根据运输环境记录仪的功能，以及有利于用户操作的考虑，系统设置了一 个控制按键( 启动停止) ，它控制着运输环境记录的运行和停止，运行时记录 仪会采集加速度、温度、湿度等数据，如果再按一下此按键，系统就停止采集 数据，此时记录仪就可以和p c 机上的数据分析系统连接，把数据传送给数据 分析系统。 对记录仪的参数初始化设置和更改是通过软件实现的，这样避免了记录仪 上过多的按键，而通过软件设置各加方便直观，设置软件和数据分析软件集成 在一起，使操作更加方便。 另外在记录仪上设置了4 个指示灯，分别表示：运行、停止、报警、u s b 连接。告诉用户记录仪当前的工作状态。 2 3 数据采集规范 产品在运输流通过程所经历的一切外部因素统称为流通环境条件，流通过 程中因装卸工具、运输工具、路线状况、地域条件、仓储设备的不同，使得产 品要受到许多环境负荷的影响，各种环境变化也很大。虽然流通环境千差万别， 但总结下来，对处在包装物内的产品产生主要影响的物理量是加速度( 冲击和 振动) 、温度和湿度，所以对这三个物理量的监测和记录就是运输环境记录仪 的主要任务。 2 3 1 流通环境的冲击特性 冲击是一种瞬时的、猛烈的机械运动，即物体在极短的时间内发生很大的 速度变化或完成突然的能量转化。包装件的冲击主要发生在装卸和运输过程 中： 1 ) 人工装卸：人工装卸的跌落冲击加速度通常为1 0 9 左右，最高能达到 10 0 9 2 )机械装卸：机械装卸中的冲击主要受装卸工具的影响，通常为0 2 9 3 ) 汽车运输：汽车运输过程中的冲击取决于路面状况，车辆的启动和制动， 货物重量及装载稳定性，通常为0 4 9 4 )火车运输：火车运行时的冲击加速度有两种：一种是车轮滚过钢轨接 7 陕西科技大学硕士学位论文 缝时的垂直冲击，这是产生的加速度为0 1g ，另一种是列车在挂钩时产 生的水平冲击，加速度能达到2 4 9 5 )空运和海运：飞机运输的冲击主要发生在起降过程中，一般为1 2 9 ， 最大1 4 9 ，海运的冲击相对较小。 2 3 2 流通环境的振动特性 振动是指质点相对其平衡位置所做的往复运动，描述振动的最基本参数是 频率和幅值，包装件的振动主要来自于运输工具，汽车、飞机引擎的转动，汽 车和火车车轮的转动，道路起伏不平，飞机遇到气流都会引起振动。但是不同 的运输工具振动的功率谱是不同的： 1 )汽车运输振动能量绝大部分分布在0 2 0 0 h z 频带内，其中能量最集中处 于0 5 0 h z 2 ) 火车运输振动能量绝大部分分布在0 - 3 0 0 h z 频带内 3 ) 飞机在起飞滑行和着陆时，相应频带是1 5 1 0 0 h z ，稳定飞行时其频率 为1 0 0 10 0 0 h z 4 )海运的振动一般不大，其频率通常在0 10 0 h z 这些不确定的振动可能是周期性的，还有一些可能是随机性的。由于激励 的多样性和影响因素的随机性，包装件在流通过程中的随机振动实属于平稳 的、各态历经的随机信号。 2 3 3 流通环境的气象条件 温湿度对包装材料的性能和产品的质量都会产生影响，随着国际贸易的迅 速发展，各种商品需要跨地域流通，就我国而言，从北到南横跨寒冷、寒湿、 干热、湿热等几个气温带，虽然温度随地域的变化比较平缓，但产品包装件常 常在较短时间内经历较剧烈的温度变化，在国际联运、跨赤道越洋运输中更是 如此。 包装件在流通过程中外界温度的变化范围为6 8 6 0 ，但出现3 0 以下 和4 0 以上的情况非常少。包装件流通过程中湿度的最大值为9 6 r h 。 2 3 4 数据采集规范 根据以上的分析，对流通环境的数据采集规范如下： 1 ) x 、y 方向加速度信号采集：因为振动主要发生在垂直z 方向上，因此 对水平x 、y 方向只记录冲击事件，采用信号触发的方式，设定信号触 发的阈值为1g ，记录时间为15 0 m s ，采样频率3 0 0 0 h z ，这样每毫秒能 采集3 个样，这对于冲击波形的再现已经足够，分辨率为16 位a d ， 最大值能达到5 0 9 。 8 基于a r m 和p c o s 的运输环境记录仪的研究 2 ) z 方向冲击加速度信号的采集：采用信号触发进行采集，信号触发的阈 值设定为1g ，这样不会错过任何冲击和比较大的振动，记录时间为3 s ， 采样频率为3 0 0 0 h z ，分辨率为1 6 位a d ，最大值能达到1 0 0 9 。 3 ) z 方向振动加速度信号的采集：包装件z 方向上是平稳的、各态历经的 随机振动信号，因此可以间隔一段时间采集一个样本，每个样本采集较 短时间。因此对振动信号的采集采用时间触发的方式采集，间隔时间设 定为2 0 分钟，每次记录时间3 s 。由上面对流通环境振动特性的分析， 流通过程中振动的最高频率为l0 0 0 h z ，根据采样定理：一个连续变化 的模拟信号，假设有最高频率或带宽f m a x ，若采样周期为t ，则采样 频率f = i t ，若能满足f = 2 f m a x ，即采样频率大于或等于模拟信号最 高频率的两倍，那么采样后的离散序列就能无失真地恢复出原始连续模 拟信号。因此采集振动信号的采样频率不能低于2 0 0 0 h z ，我们设定采 样频率为3 0 0 0 h z ，显然这能达到要求。 4 ) 温度、湿度信号的采集：温湿度信号的变化比较平缓，我们采用3 0 分 钟对温湿度信号采集一次，温度的测量范围要达到一4 0 6 0 ，湿度的 测量范围在无凝露情况下要达到5 9 5 r h 。 综上所述，数据采集规范如表2 1 ： 表2 1 数据采集规范 t a b 2 1d a t aa c q u i s i t i o nn o r m s 信号类别触发条件采样频率采样长度测量范围 x 、y 方向冲击信号 信号触发( = 2 9 ) 3 0 0 0 h z1 5 0 m s 最大值5 0 9 z 方向冲击信号 信号触发( = 5 9 ) 3 0 0 0 h z1 5 0 m s 最大值l o o g z 方向振动信号 时间触发( 2 0 分钟) 3 0 0 0 h z3 s 最大值1 0 0 9 4 0 6 0 温湿度信号时间触发( 3 0 分钟) 5 9 5 r h 2 4 系统抗干扰设计 为提高系统的稳定性和抗干扰性能，在设计单片机控制单元和传感电路 时，采用的抗干扰技术可分为硬件抗干扰技术和软件抗干扰技术，硬件抗干扰 技术是在硬件上采取一定的方法防止干扰产生，它属于主动措施。软件抗干扰 技术是在系统受到干扰后，使系统恢复正常运行或输入信号受到干扰后，去伪 存真的一种辅助方法，因此软件抗干扰属于被动措施，在系统设计时，只有认 9 陕西科技大学硕士学位论文 真分析干扰来源和传播途径，采用软件硬件相结合的抗干扰措施，才能保证系 统长期稳定可靠的运行。 为提高系统的稳定性和抗干扰性能，在系统设计采用了包括滤波技术、去 耦技术、隔离技术、接地技术屏蔽技术等。具体从以下几个方面进行抗干扰设 计： 2 4 1 硬件抗干扰 硬件抗干扰设计的基本原则是：抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高灵 敏器件的抗干扰性能。在系统设计采用了包括滤波技术、去耦技术、隔离技术、 接地技术屏蔽技术等，具体从以下几个方面进行抗干扰设计： 1 ) 抑制干扰源：抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的d u d t ，d i d t 。这是 考干扰设计中最优先考虑和最重要的原则，常常会起到事半功倍的效果。 减小干扰源的d u d t 主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。减小干扰 源的d i d t 则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管实现。 2 ) 切断干扰传播路径电路板合理分区，如强、弱信号，数字、模拟信号； 用地线把数字区与模拟区分离，最后在一点接于电源地。良好的接地可 以在很大程度上抑制系统内部噪声耦合，防止外部干扰的侵入，提高系 统的抗干扰能力。 3 ) 提高敏感器件的抗干扰性能 从敏感器件这边考虑尽量减少对于干扰噪声的拾取，以及从不正常状态 尽快恢复的方法。具体措施有：布线时尽量减少回路环的面积，以降低 感应噪声，电源线和地线要尽量粗，除降低压降外，更重要的是降低耦 合噪声。 2 4 2 软件抗干扰 尽管采用硬件抗干扰措施，只能抑制某个频率段的干扰，仍然有一些干扰 会侵入系统。因此还需要采取软件抗干扰技术。具体的软件抗干扰措施有： 1 ) 实时操作系统：传统的前后台软件设计方法，应用程序一般是一个无限 循环，而且前后台系统软件设计在遇到强干扰时，使运行的程序产生异 常、出错、跑飞甚至死循环，造成系统崩溃。实时操作系统管理的系统， 当遇到强干扰时，可能只是引起若干进程中的一个被破坏，可以通过系 统运行的系统监控程序对其进行恢复，提高了系统的稳定性。 2 ) 看门狗技术：c p u 受到干扰后容易失控，引起程序乱飞，也可能使程序 陷入“死循环”。看门狗技术就是不断监控程序运行时间，若发现时间 超过己知的循环设定时间，则认为系统陷入“死循环”，然后通过复位 1 0 基于a r m 和i _ t c 0 s 的运输环境记录仪的研究 信号强迫程序返回到主程序循环入口，使系统运行纳入正轨。 3 ) 数字滤波：数字滤波器是将一组输入数字序列进行一定的运算而转换成 另一组输出数字序列的装置，常用的数字滤波子程序有：程序判断滤波 法、中位值滤波法、算术平均滤波法、递推平均滤波法、防脉冲干扰平 均值滤波法和一阶滞后滤波法。 2 5 低功耗设计 运输环境记录仪在电池驱动下，需要长时间处在工作状态，系统必须具有 低功耗特性，低功耗的设计需要从两个方面进行考虑： 2 5 1 单片机的低功耗设计 选用具有低功耗特性的单片机可以大大降低系统功耗，c m o s 工艺的单片 机功耗低，是首选，要平衡单片机的性能和功耗。 1 ) 选择低电压供电：降低单片机等的供电电压可以有效的降低其功耗。 2 ) 启用低功耗模式：系统工作特点是间断性工作，系统在不工作的时候将 其设定为空闲模式之下，空闲模式下功率消耗相当于工作模式的5 0 。 3 ) 选择低的工作频率：时钟的选择对于系统功耗相当敏感，频率的设定达 到要求即可，不要设置得太高。 2 5 2 外围器件低功耗设计 1 ) 存储器：存储器读写时功耗较大，因此使用单片机i o 对其实施控制， 仅在读写时为存储器接通3 3 v 电源，其他时间停止供电，可以有效的 减少功率损失。 2 ) 1 2 c 总线：为保证1 2 c 总线正常工作，一般设有外部上拉电阻，在掉电 方式下，口线上既存在外部上拉电阻又存在外部1 2 c 总线器件，这样口 线无论至高，还是至低都将消耗一定的电流( 视外界电阻大小和1 2 c 总 线器件的功耗而定) ，因而1 2 c 总线的上拉电阻也需要加电源管理，本 设计采用空闲i o 口接在上拉电阻的一端为其提供电源，1 2 c 总线空闲 时，将该口至低，停止对1 2 c 总线供电。 2 6 本章小结 针对运输环境记录仪的工作方式和流通环境的特点，为实现在各种工况情 况下，对整个流通过程进行准确的评估，本章从设计思想、数据采集规范、系 统抗干扰设计、系统低功耗设计等方面对运输环境记录仪提出了设计方案。 陕西科技大学硕士学位论文 3 系统硬件设计 运输环境记录仪，是以单片机及外围芯片和电路组成的系统，其中包括加 速度数据采集、温湿度数据采集、单片机部分、系统缓存、日历时钟以及数据 存储部分。 3 1x 、y 方向加速度信号采集 数据采集硬件包括传感器监测和转换电路两部分。传感器是其核心部分， 随着集成电路制造技术的发展，传感器正向微型化、集成化的方向发展。将传 感器、测量电路和控制电路等集成在一个芯片上，即i m e m s ( 集成微电子机 械系统) 传感器，这样的单片加速度传感器内含加速度传感器和信号调理电路， 使得在在振动、冲击测试中传感器的选择和电路设计变得更加方便。 根据第二章对流通环境的分析，我们采用a d i 公司a d x l 系列的 a d x l 2 7 8 t sj 传感器采集x 、y 方向的冲击信号，它是低功耗、双轴加速度计， 主要参数如表3 1 ： 表3 1a d x l 2 7 8 的主要参数 t a b 3 - 1m a i ns p e c i f i c a t i o no fa d x l 2 7 8 型号 轴数 测量范围( x y ) 灵敏度输出类型工作温度 a d x l 2 7 82 5 0 9 5 0 9 2 7 m v g模拟信号 4 0 1 0 5 下图是a d x l 2 7 8 的管脚配置和原理图： 图3 一la d x l 2 7 8 管脚配置图3 2a d x l 2 7 8 功能框图 f i 9 3 1p i nc o n f i g u r a t i o n f i 9 3 2f u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a m o fa d x l 2 7 8o fa d x l 2 7 8 引脚功能说明如表3 2 ： 表3 2a d x l 2 7 8 引脚功能说明 1 2 基于a r m 和l a c 0 s 的运输环境记录仪的研究 t a b 3 - 2p i nf u n c t i o nd e s c r i p t i o n so fa d x l 2 7 引脚号名称说明 1 v d d 3接电源正极3 5 v 一6 v 2 y o u t y 通道输出 3c o m 公共端，接地 4s t 自我检测 5n c不连 6 x o u t x 通道输出 7 v d d接电源正极3 5 v 一6 v 8 v d d 2接电源正极3 5 v 一6 v 3 2z 方向加速度信号采集 z 方向上采用a d i 公司的单轴加速度计a d x l l9 3 t e 】，主要参数如下： 表3 - 3a d x l l 9 3 的主要参数 t a b3 3 m a i ns p e c i f i c a t i o no fa d x l 219 3 型号轴数测量范围灵敏度输出类型工作温度 a d x l l 9 3112 0 9 8 m v g 模拟信号4 0 1 2 5 下图是a d x l l9 3 的管脚配置和原理图： 图3 - 3a d x l l 9 3 管脚配置 f i g3 - 3p i nc o n f i g u r a t i o n o fa d x l l 9 3 霉叛f 雨6 t 毒 图3 4 a d x l l 9 3 结构方框图 f i g3 - 4b l o c kd i a g r a m o fa d x l l 9 3 引脚功能说明如表3 4 ： 表3 4a d x l l 9 3 引脚功能说明 彭q癣荔 陕两科技大学硕士学位论文 t a b3 - 4p i nf u n c t i o nd e s c r i p t i o n so fa d x l19 3 引脚号名称说明 1 v d d 3接电源正极3 5 v 一6 v 2 y o u ty 通道输出 3c o m公共端，接地 4 s t 自我检测 5n c 不连 6 x o u tx 通道输出 7 v d d接电源正极3 5 v 一6 v 8 v d d 2接电源j 下极3 5 v 一6 v 图3 5a d x l l 9 3 应用电路图 f i 9 3 5a p p l i c a t i o nc i r c u i to fp c f 8 5 6 3 3 3 温湿度传感器 温湿度传感器采用s e n s i r i o n 公司的数字温湿度传感器s h t l 0 1 7 】，它集温度 传感器和湿度传感器于一体，基于领先世界的c m o s e n s 数字传感技术，具有 极高的可靠性和卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和 一个能隙式测温元件，并与一个1 4 位的a d 转换器全程以及串行接口电路在 同一芯片上实现了无缝连接。因此该产品具有品质卓越、抗干扰能力强、性价 比高等优点。两线制串行接1 2 1 使系统集成变得简易快捷。但与1 2 c 接口并不兼 容。 主要参数和功能框图如表3 5 ： 表3 - 5s h t l 0 的主要参数 1 4 基于a r m 和i _ t c 0 s 的运输环境记录仪的研究 t a b 3 5m a i ns p e c i f i c a t i o no fa d x l 2 7 8 型号测温范围测湿范围输出类型 s h t l o 4 0 + 1 2 5 0 1o o r h 数字信号 图3 6s h t l 0 结构方框图 f i g3 - 6b l o c kd i a g r a mo fs h t l 0 3 3 1 电源引脚 s h t l0 的供电电压为2 4 5 5 v 。传感器上电后，要等待1 1m s 以越过“休 眠 状态。在此期间无需发送任何指令。电源引脚( v d d ，g n d ) 之间可增加 一个1o o n f 的电容，用以去耦滤波。 3 3 2 串行时钟输入( s c k ) s c k 用于微处理器与s h t l0 之间的通讯同步。由于接口包含了完全静态 逻辑，因而不存在最小s c k 频率。 3 3 3 串行数据( d a t a ) d a t a 三态门用于数据的读取。d a t a 在s c k 时钟下降沿之后改变状态， 并仅在s c k 时钟上升沿有效。数据传 输期间，在s c k 时钟高电平时，d a t a 必须保持稳定。为避免信号冲突，微 处理器应驱动d a t a 在低电平。需要