（检测技术与自动化装置专业论文）汽车制动阀检测系统的研究与应用.pdf

武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 i irillflf r i l lji i l li frj l l f i h f f j f l 、t17 3 9 5 2 5 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：奎! 且叁日期：丝：皇：丝 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名：垒d ：叁 指导教师签名： ：蜀兰垒： 日期： 至里! ：童：丝 武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 摘要 当今，随着技术的不断革新与飞跃发展，无论在工业领域还是在其他领域，人们对嵌 入式系统性能提出了更高的要求；不仅要求能处理高速、高精度的海量数据还要求设备更 加智能化、集成化，人机界面交互友好化。传统的8 1 6 位单片机因处理速度慢，存储容量 小等缺点被受到限制，很难较好的满足工业信息化的发展。作为具有代表性的3 2 位嵌入 式微处理器a r m 9 较好地解决单片机的上述瓶颈问题，而d s p 微处理器其实时运行速度 可达每秒数以千万条复杂指令程序，是数字化电子世界中日益重要的芯片。 本文以汽车制动阀为检测对象设计了基于a r m 处理器和d s p 处理器双核的数据检测 系统。同时，以绿色能源、环保能源的太阳能为该系统提供电源。该系统在硬件方面，以 $ 3 c 2 4 4 0 和t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 为核心，在此基础上扩展了u a r t 、r s 4 8 5 、u s b 接口，适应 不同环境下的数据交换。同时系统提供了l c d 触摸屏显示输入模块和键盘输入模块，具 有良好的人机交互功能。在软件方面则以l i n u x 交叉开发环境，实现了基于l i n u x 操作系 统的b o o t l o a d e r 的移植，同时通过与d s p 处理器的交互通信，实现对汽车制动阀的频谱 分析与检测。 本系统可以满足汽车制动阀的生产企业对该产品质量监控及进行数据分析，为企业提 高生产效率和改进产品质量提供了有力的保证。 关键词：汽车制动阀；嵌入式系统； 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，w i t hc o n s t a n ti n n o v a t i o n si nt e c h n o l o g ya n dr a p i dd e v e l o p m e n t ，w h e t h e ri n i n d u s t r yo ri no t h e ra r e a s ，p e o p l eh a v eah i g h e rd e m a n di ne m b e d d e ds y s t e mp e r f o r m a n c e ；l e y r e q u i r en o to n l yt od e a lw i t hh i g hs p e e d ，h i g hp r e c i s i o nl a r g ea m o u n t so fd a t a ，b u ta l s or e q u i r e e q u i p m e n tm o r ei n t e g r a t i o n ，m o r ei n t e r a c t i o na n df r i e n d l yh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e s t r a d i t i o n a l8t o16b i tm o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i t sa r el i m i t e di ns l o wo p e r a t i n gs p e e da n d s m a l ls t o r a g ec a p a c i t y , s oi ti sh a r dt ob e r e rm e e tt h ei n f o r m a t i o ni n d u s t r yd e v e l o p m e n t a sa 3 2 b i te m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o ra r m a r eb e a e rs o l u t i o no ft h e s eb o t t l e n e c k st h a nm o n o l i t h i c i n t e g r a t e dc i r c u i t s ，b u td s pm i c r o p r o c e s s o rw h o s er e a l - t i m ee x e c u t i o ns p e e di st e n so f m i l l i o n s o ft h ec o m p l e xi n s t r u c t i o n sp e rs e c o n d t h et h e s i si n t r o d u c e st h eb r a k es y s t e mb a s e do nt h ea r m p r o c e s s o ra n dd s pp r o c e s s o r p a i ro ft h ed a t ad e t e c t i o ns y s t e m a tt h es a m et i m e , w i mt h eg r e e ne n e r g ya n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o no f s o l a re n e r g yp r o v i d ee l e c t r i c i t ys u p p l yf o rt h es y s t e m i nh a r d w a r e ，t h es y s t e mi st o u s e $ 3 c 2 4 4 0a n dt m s 3 2 0 c 6 7l3a st h ec o r e ，o nt h i sb a s i st oe x t e n dt h eu a r tr s 4 8 5 ，u s b i n t e r f a c e s ，a n dt oa d a p tt od i f f e r e n tc i r c u m s t a n c e so ft h ed a t ae x c h a n g e t h es y s t e mp r o v i d e s t h el c dt o u c hs c r e e nm o d u l ea n dk e y b o a r dm o d u l e ，w i 廿lg o o dm a n m a c h i n ei n t e r a c t i o n i nt h e s o f t w a r e , i ti sb a s e do nl i n u xc r o s sd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tt oa c h i e v el i n u xo p e r a t i n gs y s t e m b o o t l o a d e rp o r t i n ga n dt h r o u g hd s pp r o c e s s o r sc o m m u n i c a t ew i t hi n t e r a c t i o nr e a l i z et h e a u t o m o t i v es o l e n o i dv a l v ei nt h es p e c t r a la n a l y s i sa n dt e s t i nt h i sp a p e r , a u t o m o b i l eb r a k ef o rt h ed e t e c t i o no fo b j e c t si sd e s i g n e db a s e do na r m p r o c e s s o ra n dd s pp r o c e s s o r so ft h e d a t ad e t e c t i o ns y s t e m m e a n w h i l e ，g r e e ne n e r g y ，g r e e n e n e r g ys o l a re n e r g yp r o v i d e sp o w e rs u p p l ys y s t e mf o rt h es y s t e m o nt h eh a r d w a r es i d e ，t h e s y s t e mc e n t e r i n g $ 3 c 2 4 4 0a n dt h ed s p1 m s 3 2 0 c 6 7 l3 ，e x t e n d st h eu a r t ，r s 4 8 5 ，u s b i n t e r f a c et oa d a p tt od i f f e r e n te n v i r o n m e n t sf o rd a t ae x c h a n g e a tt h es a m et i m e ，s y s t e mw h i c h p r o v i d e st h el c dt o u c hs c r e e nd i s p l a ya n dk e y b o a r di n p u tm o d u l e ，i n p u tm o d u l eh a sag o o d h u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o nf u n c t i o n o nt h es o f t w a r es i d e ，t h es y s t e md e p e n do nl i n u x c r o s s - d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tf o rl i n u x - b a s e do p e r a t i n gs y s t e mt oa c h i e v eb o o t l o a d e r t r a n s p l a n t ，a n dt h r o u g hd s pp r o c e s s o r sc o m m u n i c a t ew i t hi n t e r a c t i o nr e a l i z et h ea u t o m o t i v e s o l e n o i dv a l v ei nt h es p e c t r a la n a l y s i sa n dt e s t t h i ss y s t e mc a nb e t t e rm e e tt h ea u t o m o t i v eb r a k em a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e si nt h ep r o d u c t q u a l i t yc h e c ka n dd a t aa n a l y s i sf o rt h ee n t e r p r i s e ，a n dp r o v i d eas t r o n gg u a r a n t e et h a ti n c r e a s e p r o d u c t i v i t ya n di m p r o v ep r o d u c tq u a l i t y k e y w o r d s ：a u t o m o t i v eb r a k ev a l v e ；e m b e d d e ds y s t e m s ； 武汉科技大学硕士学位论文 第1 i i 页 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论l 1 1 嵌入式系统概述1 1 1 1 嵌入系统的定义与分类1 1 1 2 嵌入系统微处理器的定义与分类1 1 2 汽车制动阀的性能参数4 1 2 1 汽车制动阀的结构参数4 1 2 2 汽车制动阀的控制参数5 1 3 汽车制动阀检测系统国内外研究现状概述5 第二章汽车制动阀检测系统的构成与设计7 2 1 汽车制动阀检测系统的构建与实现7 2 2a r m 微处理器的电路实现= ：k 7 2 2 1a r m 微处理器扩展存储器。9 2 2 2a r m 微处理器与l c d 液晶屏的接口l l 2 2 3a r m 微处理器u s b 的接口1 4 2 2 4 键盘接口电路设计1 6 2 2 5j t a g 接口电路设计18 2 3 数据采集系统的电路实现1 9 2 3 1 气压传感器的选择2 0 2 3 2 多路开关2 1 2 3 3 高阶滤波器2 2 2 3 4 仪表放大器2 4 2 3 5a r m 处理器与a d 采样的接口2 5 2 4d s p 与a r m 的电路实现2 6 2 4 1d s p 6 0 0 0 的h p i 接口设计2 7 第三章汽车制动阀检测系统的软件实现3 0 3 1 汽车制动阀检测系统的软件的总体设计3 0 3 2 嵌入式l in u x 操作系统3 0 3 3a r m 9 的开发环境与开发工具3 2 3 4 嵌入式l i n u x 操作系统的移植3 2 3 5 嵌入式l i n u x 操作系统的引导过程3 4 3 6 $ 3 c 2 4 4 0 与外围设备的驱动3 4 3 6 1 $ 3 c 2 4 4 0 与触摸屏的接口程序3 4 第1 v 页武汉科技大学硕士学位论文 3 6 2 $ 3 c 2 4 4 0 与u s b 驱动程序3 6 3 7 $ 3 c 2 4 4 0 与t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 的通信3 6 3 8t m s 3 2 0 c 6 713 的f f t 算法实现3 8 第四章 汽车制动阀检测系统的应用与试验研究4 2 4 1 汽车制动阀检测系统的应用4 2 武汉科技大学硕士学位论文第l 页 1 i 嵌入式系统概述 1 1 1 嵌入系统的定义与分类 第一章绪论 嵌入式系统一般指非p c 系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材。它 是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等 综合性严格要求的专用计算机系统。简单地说，嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一 体，类似于p c 中b i o s 的工作方式，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点， 特别适合于要求实时和多任务的体系。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、 嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是可独立工作的“器件”。 嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备，如掌上p d a 、移动计算设备、电视 机顶盒、手机上网、数字电视、多媒体、汽车、微波炉、数字相机、家庭自动化系统、电 梯、空调、安全系统、自动售货机、蜂窝式电话、消费电子设备、工业自动化仪表与医疗 仪器等。 嵌入式系统的硬件部分，包括处理器微处理器、存储器及外设器件和i 0 端口、图 形控制器等。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样大容量的存 储介质，而大多使用e p r o m 、e e p r o m 或闪存( f l a s hm e m o r y ) 作为存储介质。软件部分包括 操作系统软件( 要求实时和多任务操作) 和应用程序编程。应用程序控制着系统的运作和行 为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。 1 1 2 嵌入系统微处理器的定义与分类 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。 一、根据现状，嵌入式计算机可分成下面几类。 ( 1 ) 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 嵌入式微处理器采用“增强型通用微处理器。由于嵌入式系统通常应用于环境比较 恶劣的环境中，因而嵌入式微处理器在工作温度、电磁兼容性以及可靠性方面的要求较通 用的标准微处理器高。但是，嵌入式微处理器在功能方面与标准的微处理器基本上是一样 的。根据实际嵌入式应用要求，将嵌入式微处理器装配在专门设计的主板上，只保留和嵌 入式应用有关的主板功能，这样可以大幅度减小系统的体积和功耗。和工业控制计算机相 比，嵌入式微处理器组成的系统具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，但在其 电路板上必须包括r o m 、r a m 、总线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技 术保密性也较差。由嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路主板上构 成一个通常所说的单板机系统。嵌入式处理器目前主要有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c 一4 0 0 、 p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m 系列等。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o ll e ru n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器又称单片机，它将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制 器一般以某种微处理器内核为核心，根据某些典型的应用，在芯片内部集成了r o m e p r o m 、 r a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、看门狗、i o 、串行口、脉宽调制输出、a d 、d a 、 f l a s hr a m 、e e p r o m 等各种必要功能部件和外设。为适应不同的应用需求，对功能的设置 和外设的配置进行必要的修改和裁减定制，使得一个系列的单片机具有多种衍生产品，每 种衍生产品的处理器内核都相同，不同的是存储器和外设的配置及功能的设置。这样可以 使单片机最大限度地和应用需求相匹配，从而减少整个系统的功耗和成本。和嵌入式微处 理器相比，微控制器的单片化使应用系统的体积大大减小，从而使功耗和成本大幅度下降、 可靠性提高。由于嵌入式微控制器目前在产品的品种和数量上是所有种类嵌入式处理器中 最多的，而且上述诸多优点决定了微控制器是嵌入式系统应用的主流。微控制器的片上外 设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。通常，嵌入式微处理器可分为通 用和半通用两类，比较有代表性的通用系列包括8 0 5 1 、p 5 1 x a 、m c s - 2 5 1 、m c s 一9 6 1 9 6 2 9 6 、 c 1 6 6 1 6 7 、6 8 3 0 0 等。而比较有代表性的半通用系列，如支持u s b 接口的m c u8 x c 9 3 0 9 3 1 、 c 5 4 0 、c 5 4 1 ；支持1 2 c 、c a n 总线、l c d 等众多专用m c u 和兼容系列。目前m c u 约占嵌入式 系统市场份额的7 0 。 ( 3 ) 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) 在数字信号处理应用中，各种数字信号处理算法相当复杂，这些算法的复杂度可能是 0 ( n m ) 的，甚至是n p 的，一般结构的处理器无法实时的完成这些运算。由于d s p 处理器 对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于实时地进行数字信号处理。在数字滤波、 f f t 、谱分析等方面，d s p 算法正大量进入嵌入式领域，d s p 应用正从在通用单片机中以普 通指令实现d s p 功能，过渡到采用嵌入式d s p 处理器。嵌入式d s p 处理器有两类：( 1 ) d s p 处理器经过单片化、e m c 改造、增加片上外设成为嵌入式d s p 处理器，t i 的 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 等属于此范畴；( 2 ) 在通用单片机或s o c 中增加d s p 协处理器，例如 i n t e l 的m c s 一2 9 6 和i n f i n e o n ( s i e m e n s ) 的t r i c o r e 。另外，在有关智能方面的应用中， 也需要嵌入式d p s 处理器，例如各种带有智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终端， 带有加解密算法的键盘，a d s l 接入、实时语音压解系统，虚拟现实显示等。这类智能化 算法一般都是运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正是d s p 处理 器的优势所在。嵌入式d s p 处理器比较有代表性的产品是t i 的t m s 3 2 0 系列和m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 0 系列。t m s 3 2 0 系列处理器包括用于控制的c 2 0 0 0 系列、移动通信的c 5 0 0 0 系 列，以及性能更高的c 6 0 0 0 和c 8 0 0 0 系列。d s p 5 6 0 0 0 目前已经发展成为d s p 5 6 0 0 0 、 d s p 5 6 1 0 0 、d s p 5 6 2 0 0 和d s p 5 6 3 0 0 等几个不同系列的处理器。另外，p h i l i p s 公司最近也 推出了基于可重置嵌入式d s p 结构，采用低成本、低功耗技术制造的r e a ld s p 处 理器，其特点是具备双h a r v a r d 结构和双乘累加单元，应用目标是大批量消费类产品。 【l 】 ( 4 ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 随着e d i 的推广和v l s i 设计的普及化，以及半导体工艺的迅速发展，可以在一块 硅片上实现一个更为复杂的系统，这就产生了s o c 技术。各种通用处理器内核将作为s o c 设计公司的标准库，和其他许多嵌入式系统外设一样，成为v l s i 设计中一种标准的器件， 用标准的v h d l 、v e r i l o g 等硬件语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用 系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除某些无法集成的器件 以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很 简单，对于减小整个应用系统体积和功耗、提高可靠性非常有利。s o c 可分为通用和专用 两类，通用s o c 如i n f i n e o n ( s i e m e n s ) 的t r i c o r e 、m o t o r o l a 的m c o r e ，以及某些a r m 系 列器件，如e c h e l o n 和m o t o r o l a 联合研制的n e u r o n 芯片等；专用s o c 一般专用于某 个或某类系统中，如p h i l i p s 的s m a r tx a ，它将x a 单片机内核和支持超过2 0 4 8 位复杂 r s a 算法的c c u 单元制作在一块硅片上，形成一个可加载j a v a 或c 语言的专用s o c ，可用 于互联网安全方面。 二、嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统 ( 包括硬、软件系统) 极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、 系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。 1 嵌入式操作系统的类别 通常，嵌入式操作系统可以分为两类， 一种是如w i n d r i v e r 等公司的v x w o r k s ，i s i 的p s o s 的，q n x 软件公司q n x 的，a t i 的核心等用于控制、通信、实时操作系统领域；另一种是对非实时操作系统的消费电 子产品，包括个人( p d a ) 的数字助理等产品，移动电话，机顶盒，电子书、w e b p h o n e 等。 = ( 1 ) 非实时操作系统 早期的嵌入式通常无操作系统的概念，程序员通常编写嵌入式程序和裸机及裸机 设备。在这种情况下，嵌入式程序通常分为两个部分，即前台和后台进程。前台进程 通过中断的方式处理这一事件中，其结构通常是无限循环；后台进程是管理整个嵌入 式系统软件和硬件资源的分配，管理以及任务调度，是一个系统管理调度程序。这是 通常被称为前后进程系统。在一般情况下，后台进程也被称为任务级的进程，前台进 程也被称为程序事件处理类。在运行时，后台进程检查每个任务的运行条件，根据调 度算法的有效性，完成相应的操作。实时性运作有严格的要求通常是由中断来完成， 不仅标志着在中断服务程序的发生，不做任何工作时，通过中断结束任何进程调度工 作，经过后台进程的调度，由前台进程处理完成，这样就不会导致中断服务程序因延 时影响后续处理和其他活动中断。 ( 2 ) 实时操作系统 实时系统是能够确定的时间执行其职能，以回应外部的异步事件的计算机系统。 其运作的正确性不仅取决于正确的逻辑设计水平，而且与事件进行时间有关。在确定 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 时间内是该定义的核心。换句话说，实时系统响应时间有严格的要求。 1 2 汽车制动阀的性能参数 对其性能有较大影响的结构参数有：线圈匝数n 、工作气隙宽度、弹簧刚度和预紧力、 吸合面积、衔铁质量、线圈电阻等：控制参数有：驱动电压、主脉冲宽度及保持电压等。 1 2 1 汽车制动阀的结构参数 1 线圈子匝数n 线圈匝数是电磁阀最重要的参数之一。根据磁路安培环路定律，通常情况下，在电磁 阀其它结构参数和驱动电流以及气隙宽度大小相同时，线圈匝数越多，气隙的磁场强度就 越强，则气隙磁感应强度也越大，因此电磁吸力也就越大。在阀芯和衔铁的磁导率较高时， 如果忽略阀芯和衔铁的磁阻，电磁吸力可以用式( 1 1 ) 来表示。【3 7 】 即砉= 罴 礼， 2 气隙宽度 电磁阀气隙宽度包括衔铁工作行程和残余间隙宽度两个部分。当衔铁完全开启时，此 时气隙宽度等于衔铁工作行程和残余间隙宽度之和。当衔铁完全吸合时，气隙宽度等于残 余间隙宽度。电磁阀气隙的磁阻兄为 咫：竺 ( 1 2 ) p o s 3 弹簧预紧力 弹簧预紧力对电磁阀的开启响应和关闭响应都有影响。 4 吸合面积 磁路的气隙磁阻与磁路吸合面积成反比，吸合面积越大，则气隙磁阻越小。 5 线圈电阻 电磁线圈的电阻与线圈导线长度、线径、线圈材料以及线圈工作温度等因素有关。通 常线圈采用铜丝绕制而成，则线圈电阻r 的计算公式如式( 1 2 ) 所示 屏= 岛o ( 1 + 口o 一2 0 ) ) ( 1 3 ) r = p , l ( x r 2 ) ( 1 4 ) 其中口为铜的温度系数，等于0 0 0 4 1 ( 2 ，r 为铜丝导线线径，岛。为铜在温度为2 0 ( 2 时的电阻率，等于0 0 1 7 5 4 x1 0 缶q m ，b 铜在温度为t 时的电阻率，为导线总长度，等 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 于线圈匝数和单圈线圈导线长度的乘积。【3 5 】 1 2 2 汽车制动阀的控制参数 1 驱动电压 在电磁阀开启的初始阶段，驱动电压越大，线圈电流上升就越快，电磁吸力的上升速 度也越快，这将缩短衔铁的吸合触动响应时间，同时在整个吸合动作过程中衔铁的运动加 速度也越大，在间隙宽度不变的情况下，运动时间将缩短。因此，提高线圈激励电压是提 高电磁阀开启响应速度的有效方法，但是驱动电压的提高受成本、阀芯的饱和磁感应强度 以及电路器件的性能等因素的影响。由于阀芯的饱和磁感应强度基本不变，在驱动电压达 到一定大小时，再增加驱动电压，效果已经不是很明显，而且多余的能量输入会造成电路 发热量的增加，使阀芯和线圈的温升增加，反而会降低阀芯的饱和磁感应强度。此外，电 流峰值过高会对线圈及电路中使用的其它器件造成破坏。因此，在电磁阀开启阶段，对线 圈输入的高压幅值要根据线圈匝数、线路电阻以及线圈电感等参数来选择。在电磁阀保持 阶段，电磁阀驱动电路应该为线圈提供能够使衔铁克服弹簧力并稳定地保持吸合状态的最 小电压，使线圈电流维持在一个较低的水平，以减少能量损耗。在衔铁复位过程中，较低 的保持电流还有利于缩短线圈电流的衰减时间，提高衔铁复位响应速度。f 3 羽 2 主脉冲宽度 在激励电压幅值确定的情况下，主脉冲宽度决定了在衔铁吸合过程中，对电磁线圈的 能量输入强度。因此，它只对电磁阀的开启响应特性有影响。当主脉冲宽度加大，线圈激 励时间加长，输入能量增大，线圈电流幅值就越大，最大电磁吸力就越大，衔铁运动所需 时间也会缩短。但是当主脉冲宽度达到一定值时，衔铁已经运动到吸合位置时，再增加脉 冲宽度不但没有必要，反而会引起能量不必要的损耗，使阀芯温度上升。因此，对于一定 幅值的驱动电压，存在一个最佳的主脉冲宽度，即衔铁到达吸合位置时的脉冲宽度。所以， 主脉冲宽度要根据驱动电压幅值和电磁阀结构参数和工作行程等因素进行匹配。 1 3 汽车制动阀检测系统国内外研究现状概述 过去国内外汽车制动阀多项技术参数还受限制，现在国内汽车制动阀通径已扩展至 3 0 0 m m ；介质温度低至2 0 0 ，高至4 5 0 ；工作压力从真空到2 5 m p a 。动作时间从十几秒 到几毫秒。这些技术的新发展己完全可以取代原有体积庞大价格昂贵的两位控制的快速切 断阀和气动开关阀，电动开关阀，也能部分取代连续调节的气动、电动调节阀。国外的纺 织、轻工、城建等行业已大量改用电磁阀，而冶金、化工等行业则率先在辅助系统中使用 越来越多的电磁阀。智能化方向上的发展这主要是指电磁阀如何与智能仪表更好配合，去 提高系统的控制精度和可靠性。针对汽车汽车制动阀的检测方法及检测参数，目前仍尚无 完整的国家或行业标准可供参考。各企业只是根据实际经验，制定的检测标准，并未将其 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 标准化。很多企业是通过人工看压力表的变化及在通断电的状态来判断电磁阀是否合格， 导致产生部分误差。因此，我们通过实践过程中，把检测步骤细化，制定一个适用的检测 标准，通过微控制器的检测系统来检测电磁阀质量的优劣，使其能进行严格检查，保证汽 车的性能。 国外的很多汽车生产企业仅限于本公司应用，并不对其他销售此类检测系统。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 第二章汽车制动阀检测系统的构成与设计 当前，各种仪器检测系统多为智能测试仪。在仪器系统设计过程中，采用微处理器作 为检测系统的“大脑 。因此，此时系统可分为两大部分：检测系统硬件设计和软件设计。 该检测系统的硬件设计是为实现该系统功能搭建平台。根据系统的不同功能要求，分成各 个子系统，分别实现其相应的功能。其中称这一过程被称作模块的划分，通常模块是依据 功能不同进行划分的。 2 1 汽车制动阀检测系统的构建与实现 汽车制动阀检测系统的系统框图如图2 1 所示： 时钟系统调试系统 光伏太阳能供il 直流电il i 广一 电系统h源ha r m 微处理器h 复位系统 存储系统1 存储系统2 ds p 微处理器 i 0 系统1 i 0 系统2 图2 1 汽车制动阀检测系统的系统框图 在该检测系统中，由于微处理器本身提供的存储容量难以满足实际的需要，需要进行 外部扩展，其他的一些外围电路也要根据需要进行相应的设计，使其更好满足实际开发项 目中需要，达到经济性，适用性，可靠性。【8 】 2 2a r m 微处理器的电路实现 在满足技术条件、可靠性要求和降低开发成本的前提下，c p u 采用基于a r m 9 2 0 t 核 的微处理器。由于a r m 核的微控制器的低功耗、高性价比，并且自带仿真，向传统的8 1 6 微控制器提出了挑战。因些，决定采用$ 3 c 2 4 4 0 型号的c p u 控制器，$ 3 c 2 4 4 0 为1 6 3 2 位2 8 9 引脚的a r m 微控制，有4 k b 的片内r a m ，片内f l a s h 。 该s 3 c 2 4 4 0 a 是以a r m 9 2 0 t 内核，开发的o 1 3 微米c m o s 标准单元和存储器编译器。 它的低功率，简单，优雅，全静态设计特别适合低成本和功耗敏感的应用场合。它采用了 全新的总线架构的高级微控制器总线架构( a m b a ) 。$ 3 c 2 4 4 0 a 以提供由先进的r i s c 机 器公司设计c p u 核心，一个1 6 3 2 位a r m 9 2 0 t 的r i s c 处理器为突出特点。a r m 9 2 0 t 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 实现m m u ，a m b a 总线，缓存架构，独立的1 6 k b 指令和1 6 k b 数据缓存的哈佛结构， 每一个用8 字的线长。通过提供一系列普通的系统外围配套设备，最大限度地减少了 $ 3 c 2 4 4 0 的整体系统成本，无需配置额外的组件。川 文件包括：$ 3 c 2 4 4 0 为f b g a 封装，内部为1 2 v 左右，1 8 v 2 5 w 3 3 v 内存，3 3 外 部i o 的微处理器，1 6 k b 的i - c a c h e 1 6 k bd c a c h e m m u 的 外部存储器控制器( s d r a m 的片选控制逻辑) l c d 控制器( 高达4 k 彩色s t n 和2 5 6 k 色t f t ) 液晶显示专用的d m a 4 通道d m a 控制器与外部请求引脚 3 - 通道的u a r t ( i r d a l 0 ，6 4 字节的发送f i f o 和6 4 字节的f i f o 接收) 2 声道声压级 i i c 总线接口( 多主机支持) i i s 音频编解码器接口 a c 9 7 音效编解码器接口 s d 主机接口版本1 0 和m m c 协议版本2 11 兼容 2 声道u s b 主控制器1 通道u s b 设备控制器( 版本1 1 ) 4 通道p w m 定时器l 通道内部定时器看门狗定时器 8 通道l o 位a d c 和触摸屏接口 实时时钟与日历功能 相机接口( 最大4 0 9 6 4 0 9 6 像素的输入支持。2 0 4 8 2 0 4 8 像素缩放输入支持) 1 3 0 个通用i o 端口2 4 通道外部中断源 电源控制：正常，慢速，空闲模式和睡眠模式 片上的p l l 时钟发生器设计中p c b 制板至少采用4 层板及以上的工艺。核心板的 组成如图2 2 所示。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 垂三三卫自e e | e e ! ! ! e 目日! _ 三三丑 三三三 ! 委口 蔓鋈圈仁芍 i 竺竺! i 2 2 1a 跚微处理器扩展存储器 c = = = l 1 2 c i 厂i c l oi 仁= 冷l l f l r c 牟= l o c 仁= l 。啬夏勰，i i蛊- 乍= i 竺竺i 图2 2a r m 处理器的内部组成 f l a s h 存储器具有电擦除，无须后备电源来保护数据。它具有低功耗，高容量，擦写速 度快，可在线编写程程序( l s p ) 等特点，所以在嵌入式系统中得到广泛应用。作为非易 失性内存，闪存在嵌入式系统通常用于存储程序代码，操作系统的图像以及在系统中的一 些断电需要保留的用户数据。在嵌入式系统中最常用的两种主要闪存n o r 闪存和n a n d 闪存。n o r 和n a n d 是现在两种非挥发性快闪记忆性技术的主要类型。n o r 的特点是芯 片内执行( x i e e x e c u t ei np l a c e ) ，这样应用程序可以直接在f l a s h 闪存内运行，不必再把代 码读到系统r a m 中。n o r 的传输效率很高，在l 4 m b 的小容量时具有很高的成本效益， 但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。n a n d 单元结构可以提供高密度，可以 达到高存储密度，写入和擦除速度快。n a n d 结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储 密度，并且写入和擦除的速度也很快。应用n a n d 的困难在于f l a s h 的管理和需要特殊的 系统接口。【1 3 】 s 3 c 2 4 4 0 内部只有3 2 k 的s d r a m ，1 6 k 用于指令缓存，1 6 k 用于数据。由于可用的 片内存储区较小，$ 3 c 2 4 4 0 在构成系统时通常采用外扩存储器的方式。为此，芯片提供了 外接r o m 、s r a m 、s d r a m 、n o rf l a s h 、n a n df l a s h 的接口。以满中实际的项目的需 求。 本系统中扩展数据存储器为s d r a m ，选用两片1 6 位字长的芯片k 4 s 5 6 1 6 3 2 c 组成 3 2 位宽度的数据存储区。选用一片1 6 位字长的e 2 8 f 1 2 8 j 3 a 1 5 0 芯片作为n o rf l a s h 。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 该k 4 s 5 6 1 6 3 2 d 是2 6 8 ，4 3 5 ，4 5 6 位同步数据速率高动态r a m 举办，作为4 4 ，1 9 6 ，3 0 4 字由1 6 位制造，与三星的高性能c m o s 技术。同步设计允许使用精确的周期控制系统时 钟的i o 处理可在每个时钟周期。工作频率范围，可编程的突发长度和可编程延迟使同样 的设备是一个有用的各种高带宽，高性能存储器系统应用。由于需要存储启动代码和l i n u x 操作系统镜像文件，所以扩展了一片6 4 m 字节的n a n d f i a s h 存储器k 9 f 1 2 0 8 u o b 。 具体的原理图如图2 3 、2 4 、2 5 所示 l a d r 】t 2 l a i ) j 】t 3 l a d i 】乇4 l d e r 5 l a d 【r 6 l a i ) i r 7 l a d i 】t 8 l d 隙9 l a d i 】乇i o l a j ) i 】i ll l a i ) 1 r 1 2 l a d 啄1 3 l a d i 】陡l4 = 手 图2 3s d r a m l d a l a o u ) a i a l l d a d 、2 l d n r 3 l d a l j 4 l d a l ：a 5 i ) a i a 6 l d 0 气j i a 7 l d a n 8 l d a l a 9 l d a l j l ( i i ) a r a ll l d a i a l ： l d l a l ，、l 二 l d a l j 1 l e 叫r i _ a l ! k 9 f 1 2 0 8 u o b 亨 图2 4n a n d f l a s h 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 l d a i - a 54 21 4 ： 、i i ) a i 64 3 v 0 5n c 1 1 0 6n c 2 07 二 i o n c 2 i ：二 n c 委蟊旧| 皆 n c n cn c ：i5 n c n c ：j2 2 n cn c ：；2 7 n cn c ：3 4 n c n c n cn c 翼兰 n cn c 毒4 0 n cn c n c 9 n c 7、v( e i 霞；擎 8 垡 3 7 一一 1 1 8 r ev c c 1 6 w ev c c l2lll 一：? = (a ih1 7j ：，。尘1 = ( k n bl 7 ”r i