（机械设计及理论专业论文）基于dsp的嵌入式动平衡测试系统的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着生产的发展，机械设备工作强度不断增大，生产效率、自动化程度越来越高， 设备因而也来越复杂，各部分的关联越来越密切，只要其中一个环节出现微小的故障， 就有可能导致整个设备的毁坏。这不但会带来巨大的经济损失，而且会危及人身安全， 后果非常严重。因此，机械设备的故障诊断日益获得重视。动平衡技术作为故障诊断 技术的重要组成部分，其直接目的是控制转子系统的振动水平，使回转机械满足平稳 运行的要求，从雨其使用寿命得以延长。 基于这样的背景，本文在对动平衡原理及技术方法深入研究的基础上，利用d s p 芯片的高计算性能研制便携式嵌入式动平衡系统，使得旋转机械的现场动平衡工作更 为简化方便：同时对与动平衡信号处理密切相关的阶比跟踪方法进行了深入研究，在 此基础上提出了基于相位的阶比跟踪方法。本文首先考察了嵌入式技术与d s p 技术 在各个领域的广泛的应用。其次深入研究了旋转机械动平衡原理及其作为动平衡方法 之一的影响系数法，将幅相影响系数法应用到系统中。接着针对旋转机械的振动信号 在转速变化的情况下带来非平稳特性，在对计算阶比分析方法深入研究的基础上，将 阶比分析应用到动平衡过程中。然后提出了基于相位的阶比跟踪方法，该方法用纯软 件的手段实现了阶比跟踪，简化了硬件配备，具有较大实际应用价值，丰富了动平衡 分析手段。基于上述理论的研究，利用c 与d s p 汇编语言的混合编成，实现了基于 d s p 的嵌入式动平衡测试系统。最后本文对系统的改进作了若干探讨。 关键词：动平衡，阶比分析，基于相位的阶比跟踪，局域波，嵌入式系统 基于d s p 的嵌八式动平衡测试系统的研究 r e s e a r c ho ne m b e d d e dd y n a m i ct e s ts y s t e m b a s e do nd s p a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f p r o d u c t i o n t h em e c h a n i c a le q u i p m e n ta r em o r ee f f i c i e n ta n d m o r ea u t o m a t i c a l o n gw i t hm o r es t r e s s f u lw o r k i n gi n t e n s i t y t b u st h ee q u i p m e n ta r e t u r n i n gm o r ec o m p l i c a t e da n dt h er e l a t i o n sb e t w e e ne a c hp a r t sm u c hs t r o n g e r e v e no n e s m a l l p a r t sf a u l tc a np o s s i b l yr e s u l ti nt h ew h o l em a c h i n e ss e t sb r e a k d o w n t h i sm e a r l s g r e a te c o n o m i cl o s s ，a n dw h a t m o r e ，h u m a nl i f e i sp u t i n d a n g e r t h e r e f o r e ，f a u l t d i a g n o s i so fm e c h a n i c a le q m p m e n th a sg a i n e dm u c ha t t e n t i o n a so n ei m p o r t a n tp a r to f f a u l td i a g n o s i st e c h n o l o g i e s ，d y n a m i cb a l a n c i n gt e c h n o l o g yi su s e dt oc o n 仃o lt h er o t o r s v i b r a t i n gl e v e l ，h e n c ec a l m i n gd o w n t h er u n n i n gs i t u a t i o na n d p r o l o n g i n g t h ew o r k i n gl i f e o f r o t a t i n gm a c h i n e s b a s e do n 也eb a c k g r o u n dg i v e na b e v e t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e st h e t h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e sr e l a t e dw i t hd y n a m i cb a l a n c i n g m a k e sf u l lu s eo fd s p c h i p s w o n d e r f u lc o m p u t a t i o n a lp e r f o r m a n c e ，f i n a l l yr e s e a r c h e sa n dd e s i g n sap o r t a b l ed y n a m i c b a l a n c i n gs y s t e m ，s i m p l i f y i n gt h ef i e l dd y n a m i cb a l a n c eo fr o t a t i n gm a c h i n e s b e s i d e s ，a n e wm e t h o dn a m e do r d e rt r a c k i n gb a s e do np h a s ei sp r e s e n t e d w h i c hr e a l i z e so r d e r t r a c k i n gp u r e l yb ys o f t w a r e t 1 1 i sm e t h o ds i m p l i f i e s t h eh a r d w a r es e tf o r d y n a m i c b a l a n c i n ga n d h a st h ed e f i n i t u d ep h y s i c a lm e a n i n g t o b e g i n w i t l l t h ew i d eu s eo fe m b e d d e d t e c h n o l o g ya n dd s p r e l a t e dt e c h n o l o g ya r e r e v i e w e d s e c o n d l nt h ed y n a m i cb a l a n c e sf u n d a m e n t a la n da m p l i t u d e - p h a s ei n f l u e n c e t o e f f i c i e n tm e t h o da r es t u d i e da n d 山el a t t e rw i l lb ea p p l i e di n t ot h es y s t e r nm e n t i o n e d a b o v e t h e n b e c a u s eo f v i b r a t i n gs i g n a l s 1 2 0 1 1 一s t a t i o n a r i t yr e s u l t e df r o mv a r i a b l es p c e d r u n n i n go fr o t a t i n gm a c h i n e s ，o r d e ra n a l y s i s i si n 虹o d u c e dt ot h ep r o c e s so fd y n a m i c b a l a n t e f u r t h e m l o r e ，i nc o n s i d e r a t i o no fs i m p l i f y i n gt h eh a r d w a r es e t ，an g wm e t h o d n a m e do r d e rt r a c k i n gb a s e do np h a s ei sp r e s e n t e d t l l i sm e t h o ds e t st h ec o n s t r a i n tt h a t t h es i g n a lm u s tb es i n s l e c o m p o n e n t f o ra l m o s ta l lp h y s i c a ls i g n a l sa r e m u l t i c o m p o n e n t ， w en e e dl e e a lw a v em e t h o dt od e c o m p o s es u c hs i g n a l st os a t i s f yt h a tc o n s t r a i n t a tl a s t u s i n gca n dd s pa s s e m b l yl a n g u a g e s ，t h i sd i s s e r t a t i o nf i n i s h e st h ee m b e d d e dd y n a m i c b a l a n c i n g t e s ts y s t e mb a s e do nd sp k e yw o r d s ：d y n a m i cb a l a n c i n g ，o r d e ra n a l y s i s ，o r d e rt r a c k i n gb a s e do i l p h a s e ， e m b e d d e d s y s t e m 一一 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致t 9 的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 ， 作者签名：钱翊乞日期： 大连理【大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 选题意义 随着科学技术与生产的高度发展，各学科相互渗透、相互交叉、相互促进，形成 了设备故障诊断技术这一生命力旺盛的新兴学科。它是一种了解和掌握设备在使用过 程中的状态，确定其整体或局部是正常或异常，早期发现故障及其原因，并能预报故 障发展趋势的技术。【1 机械设备故障诊断技术日益获得重视与发展的原因是，随着生产的不断发展，机 械设备工作强度不断增大，生产效率、自动化程度越来越高，同时设备更加复杂，各 部分的关联愈加密切，往往某微小故障就爆发连锁反应，导致整个设备乃至与设备有 关的环境遭受灾难性的毁坏。这不仅造成巨大的经济损失，而且会危及人身安全，后 果极为严重。 2 】 设备诊断技术日益获得重视与发展的另一个重要原因是能改革维修体制，大量节 省维修费用。传统情况下，国内外对机械设备主要采用计划维修。在许多场合下，这 是非常不合理的，不该修的修了，不仅费时花钱，甚至降低设备工作性能；该修的又 没修，不仅降低设备寿命，而且导致事故。英国曾对2 0 0 0 家工厂调查，结果表明采 用诊断技术后，每年设备维修费用可节约3 亿英镑。日本航空公司很早就对j t 3 d 喷 气发动机采用监控技术，使大修寿命从1 2 0 0 小时提高到1 2 0 0 0 小时以上，直至取消 大修 3 。大量的事例表明了对机械设备、特别是关键设备实行工况监控与故障诊断 的必要性与迫切性。 对于旋转机械而言，如大型石油、化工、电力、冶金等行业的汽轮机、发电机、 鼓风机、压缩机等都是以转子及其它回转部件作为工作的主体，是企业的核心设备， 一旦发生事故，将造成巨大损失。只有采用现代化手段，及时掌握设备的运行状态， 才能预防故障，杜绝事故，延长设备运行周期，缩短维修时间，最大限度地发挥设各 的生产潜力，提高经济效益和社会效益。 确保回转机械安全、高效长期运行，就要求有一整套科学、完整的检测、诊断与 维护的手段和方法，形成机组的运行保证体系，如图1 1 所示。 由图可见，其实质是构成了一个以大型机组为核心的、各个部分有着很强依赖关 系的系统，任何一个环节的失效都将导致系统的瘫痪。系统中渗透着故障的认定、故 障特征信息的提取和处理、状态预测和预报、故障源探查、维修方案的提出、运行或 停车的决策等多个环节。对回转机械而言，由不平衡引起的故障占有大多数，因此， 判定机组的平衡状态并实现机组的重新平衡就显得非常重要。【4 1 基于d s p 的嵌入式动平衡测试系统的研究 动平衡技术作为故障诊断技术的重要组成部分，不但要定性地描述转子系统的平 衡状态，更要给出定量的评价指标，其直接的目的是控制转子系统的振动水平。如今， 以降低转子振动水平为目标的转子动平衡已成为回转机械平稳运行的基本要求，而从 延长机组的大修周期、使用寿命以及高效运行的角度讲，转子平衡状况的优劣往往是 决定性的因素。作为一个复杂体系的大型回转机组，很多故障现象是互为联系的，很 多情况下，不平衡的存在是诱发其它故障的原因，而一旦平衡状况得到改善，其它 些故障现象将随之消失，这就迫使人们进一步改善转子系统的平衡状况，寻找好的平 衡方法。本文的目标是充分利用d s p 芯片的高性能，研制、开发有效的平衡方法。 对机组重点监测 机组继续运行 故障处理方 案，注意事项 回转机械 机组运行、监测 故障诊断 排除故障，重新启动运行 现场维修 停机，确定维修方案 故障轻微f 卜叫确定故障类型及故障程度h故障严重 图1 1 ：大机组运行保证体系的构成 f i g1 1 ：t h es t r u c t u r eo f a s s u r a n c es y s t e mf o rl a r g e s i z em a c h i n e s s e t 1 2 动平衡技术的发展概况及研究现状 由于生产需要，转子动平衡理论发展迅速。本世纪初，大部分转子系统工作在第 一阶临界转速以下，转子挠度变形可忽略不计，转子可看作剐性，对这方面的研究相 对简单些，故在3 0 年代后期刚性转子平衡理论已近成熟。剐性转子的平衡受其某一速 度限制，如果转速超过这一限制速度，已经平衡了的转子又不平衡。特别是当转子工 作在临界转速以上时，这种平衡方法已失去作用。 5 1 9 5 6 年k f e d e r n 提出判断转子刚柔性标准 6 。他认为高于某一转速工作的转子 系统必须考虑转子挠度的影响此时的转速为柔性。随着生产技术的发展，柔性转子 的动平衡越来越重要，于是相继提出了各种平衡理论及平衡方法，归纳起来可分为两 2 大连理工大学硕士学位论文 大类。 第一类是以t h e a r l e 、b a k e r 、g o o d m a n 为代表提出的影响系数法，该方法是刚性 转子动平衡的两平面向量法在柔性转子系统中的推广。第二类是m e l d a l 、b i s h o p 、 g l a d w e l l 、f e d e r n 为代表提出的振型平衡法，也叫做模态平衡法，该方法是按旋转轴 的振动理论把某转速下转子振型分解为各阶主振型，对这些主振型分别加以平衡，从 而达到整个转子系统的平衡 5 。 这两类平衡理论都试图把转子的挠曲和振动降到尽可能低的程度。它们有各自不 同的目标函数，影响系数法是在各选定的平衡转速下，使转子上各测振点的振动值为 零，它并不能保证在全部转速范围内转子各点的振动都很小；而振型平衡法要求消除 引起前 ，阶振型的不平衡量，而阶以上的各高阶不平衡量在平衡后仍保留，只是高 阶不平衡一般都较小，对转子系统正常工作影响不显著。 这两类平衡方法都不能使转子振动完全消除。为了提高平衡精度，相继出现了各 种修正方法。1 9 6 4 年g o o d m a n 提出最小二乘法及加权最d 、_ - - 乘法，是对影响系数方法 的一种修正。这种方法的物理意义是寻求一组校正质量，使各测振点在各平衡转速下 的残余振动值的平方和最小 5 。后来，白木万博等人又采用影响系数法与振型平衡 法相结合的种平衡技术，即所谓“振型圆”平筏方法 7 ，它可以判别主要不平衡 量的大体分布情况，大大减少开停机次数，提高了平衡精度和效益。 上述两种方法中，影响系数法在现场动平衡中获得了更为广泛的应用。如何通过 实验精确、快速地确定影响系数的幅值与相位，是实现影响系数法的难点和关键。鉴 于精确测定影响系数幅值和相位的困难，e v e r e t tlj 提出了不需要相位测量的两平 面转子的平衡方法 8 ( 这种方法尚未推广至多面) ：f o i l e swc 等提出了只需要相 位信息的平衡方法 9 。这些方法各具特点，均可看作是对影响系数法的改进，但与 产生完整的影响系数的平衡方法相比，都增加了转子的运转次数，对于有个校正平 面的转子平衡，前者需开车3 n + 1 次，后者需2 n + 1 次；在平面数多的情况下，开车次 数较多，步骤较复杂。浙江大学的刘正士在影响系数法的基础之上，提出了“相对系 数法”，利用双( 多) 通道动态信号分析仪，可直接获得相对系数的测量，提高了平 衡效率。 1 0 】清华大学陈敬平博士针对转子现场动平衡，提出了利用两种转速态下 转子振动的相对变化量进行动平衡计算的思想，并由此建立了“相对影响系数法”， 该方法可以有效地消除非质量不平衡振动因素对转子现场动平衡效果及精度的干扰。 1 1 哈尔滨工业大学的刘荣强提出“影响系数余量法”，应用它可以用最小的加重 量来获得预期的平衡效果。 1 2 此夕p ，还有其他一些影响系数的优化算法 1 3 ，1 4 ， 它们都对传统的影响系数法作出了不同程度的改进。天津大学的高树谦博士则另树 帜，应用传递函数的概念证明影响系数法与振型平衡法两者在本质上的统一，并建立 基于d s p 的嵌入式动平衡测试系统的研究 影响系数矩阵与传递函数矩阵的解析关系，在这个基础上，提出了称之为“传递函数 法”的动平衡新方法，克服了影响系数法与振型法各自存在的一些缺点，有较高的准 确性 1 5 。 与其它成熟技术或新兴技术相互结合也是动平衡理论和技术发展的一个重要方 向。人工神经网络 1 6 、遗传算法 1 7 、小波变换 1 8 、有限元法 1 9 、回归分析理 论 2 0 等等技术与动平衡技术的结合，显示了众多学者在这个方向上作出的尝试与努 力，取得了一定的成效。1 9 8 9 年，西安交通大学的屈梁生教授提出全息谱诊断技术 2 l 、 2 2 、2 3 ，该技术将转子截面水平和垂直方向振动信号的幅值、频率、相位信息进行 集成，用合成的一系列椭圆来刻划不同频率分量下转子的振动行为，巧妙地构造了多 支承转子系统的单一截面和整机振动分析方法，体现了诊断信息的全面利用、综合分 析的思想；基于该技术的全息动平衡方法 2 4 也是一种有效的动平衡手段。近年来， 随着电子技术以及计算机技术的发展，许多和电子计算机相关的新兴技术成为研究与 开发的热点，这些技术也被应用到动平衡领域中；比如东南大学的杨建刚副教授将多 传感器数据融合应用到汽轮发电机组转子的动平衡e 2 5 ，华中理工大学的杜守成利用 虚拟仪器技术实现了动平衡相位测试 2 6 。嵌入式技术也是当今的热门技术之，它 在许多领域都有着富有成效的应用，本文研制开发的嵌入式动平衡测试系统也可以看 作是该技术在动平衡领域的一个应用。 动平衡的关键是准确提取转子的不平衡矢量。通过合适的检测仪器以及必要的数 学手段，获得旋转机械振动信号中基频的幅值和相位，即得到了不平衡矢量。现场动 平衡时，受工作环境的影响，信号中会夹杂进很多其它的成分，且旋转机械在转速波 动的情况下也会使得振动信号的频谱出现“模糊”的现象，这些因素都会影响基频幅 值及相位的准确识别。因此，为了能够在各种不利因素的干扰下迅速检测出与转速同 频的不平衡量的大小和相位，很多数字信号处理方法以及其它数学手段都被应用到动 平衡中来。 针对信号中的噪声干扰，一般会考虑采用模拟或数字滤波器将信号中不需要的成 份过滤去除；小波变换也是一种很好的方法，由于要提取的是基频信号，要抑制的干 扰主要是高频信号，所以最好采用正交小波基或双正交小波基，同时还要求具有线性 相位的性质。 2 7 此外还有基于互相关原理的方法 2 8 ，该方法利用互相关函数的 基本特性，将不平衡信号与标准的同周期正弦信号进行互相关，得到振动信号的幅值 最大值和幅角，也即不平衡矢量的大小和相位。基于该原理，清华大学的吴少波博士 提出了“积分型数字跟踪滤波法”，该方法易于实现且计算精度较高，其幅值计算误 大连理工大学硕士学位论文 差可比幅值计算值小两个数量级，相位计算误差也可满足工程精度要求。 2 9 旋转机械在运行状态下，其转速在严格意义上是变化的，特别是在升、降速及转 速有较大波动的时候表现得尤其明显，在这样的状态下对应的振动信号属于非平稳信 号，不满足傅里叶变换对信号的平稳性要求，因此严格说来不适合用常规的频谱分析 法分析。若强行将这样的信号进行傅里叶变换，所得到的频谱将会出现严重的“频率 模糊” 3 0 、3 1 3 现象。为解决这一问题，产生了角域采样理论和建立在其基础上的阶 比分析理论，从而将非平稳的时域信号转换为满足平稳性要求的角域信号，使之可以 进行常规的频谱分析。阶比分析的关键在于相对于参考轴的恒定角增量( 9 ) 采样， 亦即等角度采样，通过阶比跟踪采样来实现这个过程。阶比跟踪( o r d e rt r a c k i n g ) 采样有传统阶比跟踪( t r a d i t i o n a lo r d e rt r a c k i n g ) 与计算阶比跟踪( c o m p u t e d o r d e rt r a c k i n g ) 两种 3 2 ，其中计算阶比跟踪法易于用软件实现，且硬件设旌配备 也比传统阶比跟踪法简单，因而应用较为广泛。1 9 9 9 年，k m b o s s l e y 与 r j m c k e n d r i c k 在结合两种阶比跟踪方法优点的基础上，提出了混合计算阶比跟踪法 ( h y b r i dc o m p u t e do r d e rt r a c k i n g ) 3 3 ，作为对原有方法的一个改进和补充。2 0 0 3 年，重庆大学的郭瑜博士非常有创见地提出了基于瞬时频率估计( i n s t a n t a n e o u s f r e q u e n c ye s t i m a t i o n ，i f e ) 3 4 实现旋转机械阶比跟踪的新方法，简化了阶比分 析对硬件的要求。用纯软件的方法实现了阶比跟踪，这种方法是对原有阶比跟踪技术 的一大创新；这种方法对瞬时频率的估计是基于短时f o u r i e r 变换的，由于短时 f o u r i e r 变换存在对信号的分段平稳性要求，因而在转速变化较快的场合，这种方法 就不再适用。本文延续了纯软件实现阶比跟踪这一创新思路，提出了基于相位的阶比 跟踪。这种方法物理意义明确，对信号不存在较强的假定，普适性更好；在计算上没 有数值微分与积分的步骤，所以误差和计算量都可以更小。由于本方法仅适用于单分 量信号，因此对于多分量的实际信号还需要进行局域波 3 5 3 分解。 动平衡技术已经取得了巨大的进展，但在实际应用中仍然存在很多问题值得研 究。比如动平衡技术的一个新的发展方向是在线动平衡。在线动平衡是种不影响转 子正常工作的平衡技术，它利用振动传感器和电气检测装置，在线检测出工作状态下 转子的不平衡量的大小及相位，然后根据此信息手动或自动控制平衡机构的工作，使 其产生相应的校正平衡量与原始不平衡量抵消，或去除原始不平衡量，从而使转子及 时得到平衡。 3 9 本文则从简化现场动平衡工作这个方面入手，结合当前流行的嵌入式技术，利用 d s p 芯片强大的计算性能，研究与设计便携式的嵌入式动平衡测试系统，使得现场动 平衡的信号测取与分析更为方便。 一5 基于d s p 的嵌入式动平衡测试系统的研究 1 3 论文的安排及主要工作 论文研究的主要目的是研究动平衡过程中的一些理论应用，并利用d s p 芯片卓 越的计算能力来实现对旋转机械转子的动平衡。针对旋转机械在转速变化时其振动信 号的非平稳性，将阶比分析引入动平衡的应用领域。接着对在深入研究已有阶比跟踪 方法的基础上，提出了基于相位的阶比跟踪方法。最后以阶比分析和影响系数法作为 理论基础，基于d s p 芯片设计并实现了便携式的嵌入式动平衡测试系统，使得旋转 机械的现场动平衡工作更为方便。 基于上述的构想，论文内容安排如下： 第一章为绪论。首先讨论了设备故障诊断与动平衡应用对于企业生产的重大意 义，然后讨论了动平衡理论与技术在国内外的发展过程与研究现状，最后给出了论文 的主要研究内容以及组织结构。 第二章首先论述了嵌入式系统及其设计开发的一些特点以及嵌入式系统的发展 概况与发展趋势，其次介绍了作为嵌入式系统关键硬件之一的d s p 芯片的发展历史 与现状 第三章为动平衡与数字信号处理的理论基础。分析了旋转机械不平衡的产生机 理，给出了刚性转子与挠性转予各自的动平衡原理，在此基础上，论述了旋转机械动 平衡常用方法一影响系数法。最后对数字信号处理的基础理论作了概要的阐述。 第四章研究了动平衡过程中所采用的信号分析方法阶比分析。指出了采用阶 比分析的意义，阐述了阶比分析的实现手段，并对阶比分析过程中的一些问题作了详 尽的分析。 第五章出于简化阶比分析硬件设施的目的，提出了基于相位的阶比跟踪方法，该 方法用纯软件的手段实现了阶比跟踪，且实现过程比基于瞬时频率估计的阶比分析方 法更为简洁。本方法对信号具有单分量要求，多分量的实际信号需要进行局域波分解 来满足这一要求。因此在提出这一方法之前，本章还对局域波的基本理论进行了简要 的概述。 第六章针对基于d s p 的嵌入式动平衡测试系统设计过程中的一些关键问题作了 阐明。 第七章总结与展望，总结了论文期间完成的所有工作，并对论文有待深入的地方 做了探讨。 大连理工大学硕士学位论文 图1 2 ：论文总体结构 f i g1 2 ：s t r l l c t u r eo f t h i sd i s s e r t a t i o n 基于d s p 的嵌入式动平衡测试系统的研究 2 嵌入式技术与d s p 技术的应用 嵌入式系统具有实时性好、使用灵活方便等独特优点，而d s p 芯片在计算、数字 信号处理方面也有着其它芯片所不能比拟的强大优势。本文将嵌入式技术与d s p 芯片 应用到动平衡测试系统中，使得旋转机械的现场动平衡工作可以更方便、快捷地进行。 本章对嵌入式技术与d s p 技术的应用作了阐述。 2 1 嵌入式系统及其开发 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 已经具有相当长的历史，最初是在军事、航空航 天、工业过程控制等领域。从2 0 世纪9 0 年代中后期开始，嵌入式系统已经广泛渗透 到了人们的工作、生活中，从家用电器、手持通讯设备，到信息终端、仪器仪表、汽 车等等。用市场观点来看，p c e 经从高速增长进入到平稳发展时期，其年增长率由上 世纪9 0 年代中期的3 5 逐年下降，单纯由p c 机带领电子产业蒸蒸日上的时代已经成为 历史。而目前微处理器、微控制器产量几亿到1 0 多亿片，远远大于p c 机。世界范围内 嵌入式系统硬件和软件开发工具市场约2 0 0 0 亿美元，嵌入式系统带来的工业年产值达 一万亿美元。随着全球信息化的发展，嵌入式系统的市场份额将会得到进一步增长。 根据p c 时代的概念，美m b u s i n e s sw e e k 杂志提出了以普及计算和嵌入式系统为重要 代表的“后p c 时代”的概念。 3 7 4 0 2 1 1 嵌入式系统的定义 关于嵌入式系统的定义有很多种说法，比较常见的一种定义为：以应用为中心、 以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、 功耗严格要求的专用计算机系统 4 1 。 更为严格的一种定义是： “嵌入到对象体系中的专用计算机系统”。“嵌入 性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。对象系统则是指 嵌入式系统所嵌入的宿主系统。 4 2 通俗地来讲，嵌入式系统是“执行专用功能并被内部计算机控s j j 雕j 设备或系统。 嵌入式系统不能使用通用型计算机，而且运行的是固化的软件，用术语表示就是固件， 终端用户很难或者不可能改变固件。”更为简单的说法就是：“嵌入式系统包含了用户 所不知晓的计算机的设备”。 4 3 嵌入式系统无处不在，人们在日常生活中往往随身携带了好几个嵌入式系统 手机、手表或者智能卡都嵌入了这样的系统。不仅如此，汽车、电梯、厨房设备、电 视、录像机以及娱乐系统等等都包含嵌入式系统。嵌入式系统在工业机器人、医药设 备、电话系统、卫星、飞行系统等领域扮演了更为重要的角色。正是“看不见r 不 8 大连理工大学硕士学位论文 知晓”这一个特性使得嵌入式计算机与通用p c 计算机相区分。 如果从体系的角度来定义嵌入式系统，它们一般都是由下面的几个模块组成的： 1 ) 一台计算机或者微控制器，字长可以从4 位、8 位至1 6 位、3 2 位甚至是6 4 位； 2 ) 用以保存固件的r o m ； 3 ) 用以保存程序数据的r a m ； 4 ) 连接微控制器和开关、按钮、传感器、模数转化器、控制器、l e d ( 发光二极 管) 和显示器的i 0 端口： 5 ) 一个轻量级的嵌入式操作系统，一般是自行编写的。 专门的单片微控制器是大多数嵌入式系统的核心。通过把若干个关键的系统组成 部分集成到单个芯片上，系统设计者就可以得到小而便宜、可以操作较少外围电子设 备的计算机。 上述的一般模型并不足以包括嵌入式系统的所有类型。例如，某些嵌入式系统常 常比标准p c 机箱小不了多少。这样的设备有： 1 1 信息查询以及销售点终端； 2 ) 某些工业控制系统； 3 ) 游戏控制台( 例如基于x 8 6 和w i n d o w s 的x b o x ) ； 4 ) 数字录像机( 例如基于l i n u x 的t w o ) 。 这些设备可能使用硬盘驱动器来保存固件，并运行各种桌面操作系统，并不能算 是典型的嵌入式系统。但广义地来讲，仍然可以称作是嵌入式系统。 2 1 2 嵌入式系统的特点 第一，嵌入式系统在技术实现上的特点主要体现在如下几个方面 4 4 ： 1 ) 嵌入式系统是集软件、硬件于一体的高可靠性系统。麻雀虽小，五脏俱全， 软件除操作系统外，还需有完成嵌入式系统功能的应用软件，硬件除c p u 外，还需有 外围电路支持，微处理器、微控制器、d s p 已构成嵌入式系统硬件的基础。 2 ) 嵌入式系统是资源开销小的高性能价格比系统。嵌入式系统的发展离不开应 用，应用的共同要求是系统资源开销小，由于嵌入式系统技术日益完善，各种高性能 嵌入式应用系统层出不穷，它已是资源开销小的高性能价格比的一类应用系统。 3 ) 嵌入式系统是功能强大、使用灵活方便的系统。嵌入式系统应用的广泛性， 要求该系统通常是无键盘、无需编程的应用系统，使用它应如同使用家用电器一样方 便。 第二，嵌入式系统作为产品也有其自身的特点 4 1 。 9 基于d s p 的嵌入式动平衡测试系统的研究 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，如果独立于应用自行发展，就 会失去市场。嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼 容性等方面均受到应用要求的制约，这些也是各个半导体厂商之间竞争的热点。和通 用计算机不同，嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余， 力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用对处理器的选择面前 更有竞争力。嵌入式处理器要针对用户的具体需求，对芯片配置进行裁剪和添加才能 达到理想的性能i 但同时还受用户订货量的制约。因此不同的处理器面向的用户是不 一样的，可能是一般用户，行业用户或单一用户。 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进 行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。嵌入式系统中的软件， 般都固化在只读存储器中，而不是以磁盘为载体，可以随意更换，所以嵌入式系统 的应用软件生命周期也和嵌入式产品一样长。另外，各个行业的应用系统和产品，和 通用计算机软件不同，很少发生突然性的跳跃，嵌入式系统中的软件也因此更强调可 继承性和技术衔接性，发展比较稳定。 嵌入式处理器的发展也体现出稳定性一个体系一般要存在8 1 0 年的时间。一个体 系结构及其相关的片上外设、开发工具、库函数、嵌入式应用产品是一套复杂的知识 系统，用户和半导体厂商都不会轻易地放弃一种处理器。 2 1 3 嵌入式系统的发展历史 3 9 、4 2 、4 4 、4 5 嵌入式系统的出现至今已有3 0 多年的历史，近几年来，计算机、通信、消费电子 的一体化趋势日益明显，嵌入式技术已经成为一个研究热点。纵观嵌入式系统的发展 过程，大致经历了四个阶段。 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，具有与检测、伺服、指 示设备相配合的功能。这类系统大部分应用于一些专业性强的工业控制系统中，一般 没有操作系统的支持，通过汇编语言变成对系统进行直接控制。这一阶段系统的主要 特点是：系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接 口a 由于这种嵌入式系统使用简单，价格低，以前在国内工业领域应用较为普遍，但 是已经远不能适应高效的、需要大容量存储的现代工业控制和新兴信息家电等领域的 需求。 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。这类系 统的主要特点是：c p u 种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；操作系统达 到一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业化，用户界面不够友好。 l o 大连理工大学硕士学位论文 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。主要特点是：嵌入式操作系 统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核小、效率高，并且 具有高度的模块化和可扩展性；具备文件和目录管理、多任务、网络支持、图形窗口 以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接 h a p i ，开发应用程序较简单；嵌入式 应用软件丰富。 第四阶段是以i n t e r n e t 为标志的嵌入式系统。这是一个正在迅速发展的阶段。目 前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e r n e t 之外，但随着i n t e r n e t 的发展以及i n t e r n e t 技术与信息家电、工业控制技术结合日益密切，嵌入式设备与i n t e r n e t 的结合将代表 嵌入式系统得未来。 综上所述，嵌入式系统技术日益完善，3 2 位微处理器在该系统中占主导地位，嵌 入式操作系统已经从简单走向成熟，与网络、i n t e r n e t 结合日益密切，因而，嵌入式 系统的应用将日益广泛，它的市场将越来越广大。 2 1 4 嵌入式系统的发展趋势 4 6 ，4 7 以信怠家电为代表的互联网时代嵌入式产品，不仅为嵌入式市场展现了美好前 景，注入了新的生命，同时也对嵌入式系统技术，特别是软件技术提出新的挑战。这 主要包括：支持日益增长的功能密度、灵活的网络联接、轻便的移动应用和多媒体的 信息处理，此外当然还需要对付更加激烈的市场竞争。因此嵌入式系统的发展会越来 越迅速，其发展趋势大致可以概括为以下几个方面。 1 ) 联网成为必然趋势。 为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，嵌入式系统要求配备标准的一种或 多种网络通信接口。针对外部联网要求，嵌入设备必需配有通信接口，相应需要t c p i p 协议簇软件支持；由于家用电器相互关联( 如防盗报警、灯光能源控制、影视设备和 信息终端交换信息) 及实验现场仪器的协调工作等要求，新一代嵌入式设备还需具备 i e e e l 3 9 4 、u s 8 、c a n 、b l u e t o o t h 或i r d a 通信接口，同时也需要提供相应的通信组网 协议软件和物理层驱动软件。为了支持应用软件的特定编程模式，如w e b 或无线w e b 编程模式，还需要相应的浏览器，如h t m l 、喇l 等。 2 ) 支持小型电子设备，实现小尺寸、微功耗和低成本。 为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相应降低处理器的性能，限制内存容量 和复用接口芯片。这就相应提高了对嵌入式软件设计技术要求。如，选用最佳的编程 模型和不断改进算法，采用j a v a 编程模式，优化编译器性能。因此，既要软件人员有 丰富经验，更需要发展先进嵌入式软件技术，女n j a v a 、w e b 和w a p 等。 3 ) 提供精巧的多媒体人机界面 基于d s p 的嵌入式动平衡测试系统的研究 嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受，重要因素之一是它们与使用者之间的亲 和力，自然的人机交互界面，如司机操纵高度自动化的汽车主要还是通过习惯的方向 盘、脚踏板和操纵杆。人们与信息终端交互要求以g u i 屏幕为中心的多媒体界面。手 写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像已取得初步成效。目 前一些先进的p d a 在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布，但离掌式语言同 声翻译还有很大距离。 4 ) 开放系统与自由软件技术日趋流行。 为了增强产品竞争能力，设计技术共享、软件重用、构件兼容和合作生产是有效 手段。在开放性资源l i n u x 基础上衍生出来的嵌入式l i n u x ，软件编程接口a p i 规范， “一次编程，到处使用”的j a v a 语言和s u n 公司j a v a 虚拟机( j ) 技术，日益引起 重视，也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。 5 ) 嵌入式软件的设计思想与设计手段将快速更新。 欧美在该领域内取得的最新进展表明，a s i c ( 逻辑门阵列和标准单元) 的设计思 想，将较快地运用到嵌入式系统的设计工作中，嵌入式系统的设计思想与设计手段将 快速更新。一方面，在e d a ( 电子设计自动化) 工具的支持下，用特殊的语言或图形对 项目进行详细描述，即可自动生成c c + + j a v a 语言的源代码，提供完善的系统流程 图、标准化的软件说明文档，并且对系统功能进行模拟仿真。另一方面，基于相应的 e d a 工具，可以以数据软件库的形式，直接调用硬件供应商久经验证的处理器逻辑和 芯片版图数据，在芯片上直接配置m p u p d s p 功能单元：或者调用软件提供商的标准内 核软件或其它功能软件，制成f l a s h 或r o m 可执行代码单元。这种崭新的设计思想与设 计手段，将大幅度提高软件产品的开发效率。 2 1 5 嵌入式系统软件开发的特点 嵌入式系统是一种依特定用途所开发的系统，它的开发流程如图2 1 所示： 嵌入式系统的开发过程与开发环境也随之和一般在桌面系统开发应用程序有着 显著的不同 4 8 。 第一，通常而言，嵌入式软件开发并不使用任何操作系统观念。相对地，软件开 发人员经常很赢接地通过程序去存取c p u 、外围芯片上的寄存器或者内存内容并直接 运算，然后将结果写回这些寄存器或是内存。一切动作都是由应用程序自行负责，包 括将硬件初始化，让硬件可以接受应用程序所想要进行的工作。就算使用到了所谓的 嵌入式操作系统，许多嵌入式操作系统为了架构的简单化来节省空间，也常常容许应 用程序直接使用外围的寄存器来作处理。而在开发桌面应用程序时，一般不会直接去 取得处理器或是外围的寄存器状态来直接运算，而是通过系统手册上所描述的各式各 1 2 大连理工大学硕士学位论文 样的函数调用来达到目的。 了l汇甲言jli 编译器编译器 编译器 i 目的文件目的文件 目的文件 l 一连塞器j + 可重定位程序 重蹇位 t 可执行程序 图2 1 ；嵌入式系统软件开发流程 f i g2 1 ：t h ef l o wc h a to fe m b e d d e ds o f t w a r ed e v e l o p m e n t 第二，嵌入式开发中，程序编译和程序执行一般是在两个不同的平台：一个通常 称作h o s t 端，也就是微机这端，另一个称为t a r g e t 端，也就是目的平台，如图5 2 所示。一般编写程序在微机上进行，不直接在目的平台上编写。因此，在嵌入式软件 开发里面存在一个跨平台编译( c r o s s c o m p i l e r ) 的概念，这样的编译器可以在微机 上编译出能在目的平台的c p u z 执行的程序。跨平台的意义只是从一个平台跨到另一 个平台，并非像j a v a 语言所宣称的“一次编译，到处运行”的跨平台。 在一般计算机上进行 嵌入式软件程序开发 图2 2 f i g2 2 在嵌入式系统中执行由开发： 具所建立起来的嵌入式软件 h o s t 与t a r g e t h o s ta n d t a r g e t 1 3 基于d s p 的嵌入式动平衡测试系统的研究 第三，嵌入式开发中可利用的资源有限。在普通计算机上开发程序的时候，常常 假设资源无穷大，内存及存储空间索求无度，有时候甚至得不到正确的释放，这在嵌 入式开发中是不允许的。因为嵌入式系统常常是利用速度并不很快的处理器配上较小 的内存以及存储空间，例女n 4 m b 的r a m ；o h 上2 m b 的r o m ，且通常没有硬盘当作虚拟内存， 一旦使用过多的内存，那么程序可能就因为要不到更多的内存而发生错误。 第四，常常需要跟硬件打交道。在嵌入式系统开发里，软件和硬件几乎密不可分， 特别是在发生