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硕士论文一种便携式随动系统综合测控装置研究 摘要 随动系统是一种广泛应用于工业、民用和军事领域的常见设备。随动系统运行质量 的好坏，直接影响到整个系统的性能，敌对其进行有效的性能检测和日常维护十分重要。 随动系统种类繁多，给装备的检测、维护和保障工作带来很多困难。随动系统虽配置有 专门的性能检测装置，但这类装置测试对象单一、体积庞大，使用范围受到较大限制。 因此，研制一种便携式随动系统综合测控装置，以适用于多种不同类型随动系统的出厂 检验、日常检修和维护工作，有着重要意义和较好的市场前景。 本文设计了一种能够独立进行随动系统性能检测的便携式装置。该装置具有良好的 人机交互界面和完整的数据分析处理能力，能通过向被测随动系统( 数字式、模拟式) 发送多种测试信号( 正弦、等速、阶跃) 来检测被测随动系统两个方向的动静态特性。 该装置由下位机和上位机两部分组成，下位机负责信号输入输出处理，上位机负责整个 装置的控制和图形显示。 在硬件上，下位机以d s p - t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为主控制器，上位机以a r m e p 9 3 1 5 为主控制器，两者之间用双口r a m 实现数据交互。同时，为满足多种随动系统检测的 要求，本装置设计有d a 输出通道、数字轴角输出通道、a d 输入通道、轴角数字输 入通道、c a n 总线、r s 4 8 5 总线等输入输出接口。下位机部分分为一块主板：d s p 核 心板：四块从板：信号采集卡、d a 输出模块和2 块数字轴角输出模块。上位机部分 包括p c i 0 4 嵌入式工控电脑、温湿度采集模块和同双口r a m 通信的接口。下位机和上 位机的各个板卡通过系统底板互连。 在软件上，下位机为前后台结构的d s p 程序，包括d s p 初始化子程序、测试信号 产生程序、通信程序、输入输出模块控制子程序。上位机为w i n c e 环境下的应用程序， 具有装置控制、信号曲线( 指令、误差、位置、电流) 显示、实验数据分析功能。上位 机通过应用软件控制下位机d s p 程序进行随动系统的检测工作。 目前，该装置已完成系统的总体设计、整体的硬件设计、下位机的软件设计以及上 位机应用软件的功能分析和总体设计。此外，本文采用e v c 开发平台，对上位机应用 软件在w i n c e 仿真环境下进行了实验性研究。 关键字：随动系统，测控装置，a r m ，d s p ，w i n c e 硕士论文 一种便携式随动系统综合测控装置研究 a b s t r a c t s e r v os y s t e mi sak i n do fe q u i p m e n tw h i c hi sw i d e l yu s e di ni n d u s t r i a l ，c i v i la n dm i l i t a r y a r e a s n ep e r f o r m a n c eo fs e r v os y s t e mh a sd i r e c t l yi n f l u e n c eo nt h ew h o l es y s t e m ，s ot h e r o u t i n em a i n t e n a n c ea n de f f e c t i v e l yd e t e c t i o nf o rs e r v os y s t e mi sn e c e s s a r y h o w e v e r , t o o m a n yt y p e so fs e r v os y s t e mc a u s eal o to fd i f f i c u l t i e s g e n e r a l l y , e a c ht y p eo fs e l n os y s t e m h a sat y p eo fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ld e v i c e b u tt h ea p p l i c a t i o no ft h i sd e v i c ei sl i m i t e df o r t h er e a s o no fi t sc o m p l e xs t r u c t u r e ，s i n g l e f u n c t i o n ，b i gs i z ea n dc o s t l i n e s s t h e r e f o r e ，t h e d e v e l o p m e n to f an e wt y p eo fp o r t a b l em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ld e v i c e ，w h i c hh a s t h ea b i l i t y o f m o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gm a n yd i f f e r e n tt y p e so f s e r v os y s t e mf o rt h ef a c t o r yi n s p e c t i o n ， r e p a i ra n dm a i n t e n a n c e , i ss i g n i f i c a n ta n d h a sg o o dm a r k e tp r o s p e c t i nt h i sp a p e r ，ap o r t a b l ed e v i c ei sd e s i g n e dt od e t e c tt h es e r v os y s t e mp e r f o r m a n c e i n d e p e n d e n t l y t h i sd e v i c ec a nd e t e c ta n a l o gs e r v os y s t e ma sw e l la sd i g i t a ls e r v os y s t e m i t c a l ls e n dav a r i e t yo fc o m m a n ds i g n a l s ( s i n u s o i d a l ，v e l o c i t y , s t e p ) t ot w od i r e c t i o n s s e r v o s y s t e ma n dc a n d e t e c ti t ss t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s i th a sag o o di n t e r a c t i v ei n t e r f a c e ， r e s u l ta n a l y s i sc a p a b i l i t ya n dd a t as t o r a g ec a p a b i l i t y t h i sd e v i c ec o n s i s t so fs l a v ec o m p u t e r a n dm a s t e rc o m p u t e r t h es l a v ec o m p u t e ri sr e s p o n s i b l ef o rc o n t r o l l i n go fs i g n a li n p u ta n d o u t p u t , w h i l et h em a s t e rc o m p u t e rt a k e sc h a r g eo f t h ee n t i r ed e v i c ea n dg r a p h i c a ld i s p l a y i nh a r d w a r e ，t h es l a v ec o m p u t e rc o m p o s e db yd s p 田m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 aa n dm a s t e r c o m p u t e rc o m p o s e db ya r m e p 9 3 15i sl i n k e dw i t hd u a l p o r t e dr a m i na d d i t i o n ，d i f f e r e n t t y p e so fs i g n a lp o r t sh a v eb e e na d o p t e dt os a t i s f yw i t ht h em e a s u r e m e n tr e q u i r e m e n tl i k e a d c ，d a c ，d r c d s c ，r d c s d c ，c a n ，r s 4 9 5a n ds oo n t h es l a v ec o m p u t e rc o n s i s t so f d s pc o r eb o a r d ，s a m p l i n gb o a r d ，d a cb o a r da n dd r c d s cb o a r dw h i l et h em a s t e rc o m p u t e r i n c l u d e se m b e d d e di n d u s t r i a lc o m p u t e ra n dh u m i d i t y t e m p e r a t u r ea c q u i s i t i o nm o d u l e i ns o f t w a r e ，d s ps o f t w a r ei sf o r e g r o u n d b a c k g r o u n da r c h i t e c t u r ew h i c hm a k e su pw i t h d s pi n i t i a l i z a t i o n p a r t , t e s t i n gs i g n a lg e n e r a t i o np a r t , c o m m u n i c a t i o np a r t a n ds i g n a l t r a n s m i s s i o np a r t w i n c es o f t w a r eb a s e do ns l a v ec o m p u t e rp l a y st h er o l eo fh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o np l a t f o r mw h i c hc a nc o n t r o lt h ew h o l es y s t e m , d i s p l a yt h er e a l - t i m e c a lv ea n da n a l y s i st h et e s tr e s u l to f t h es e r v os y s t e m a tp r e s e n t , t h eo v e r a l ld e s i g n ，s l a v ec o m p u t e rh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g nh a v e b e e nf i n i s h e d m o r e o v e r ，s o f t w a r eb a s e do nw i n c ee m u l a t o rh a sb e e nr e s e a r c h e dt ot e s tt h e w i n c eo p e r a t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：s e r v os y s t e m ，m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ld e v i c e ，d s p ，a r m , w i n c e 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：益。扯 沁罗年多月矿日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 日 硕士论文 一种便携式随动系统综合测控装置研究 1 绪论 1 1 引言 在自动控制系统中，使输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称 为随动系统，亦称伺服系统【l 】。随动系统广泛应用于工业生产的各个领域，如加工机械、 医疗机械、机器人、自动组装线、半导体制造和纺织机械等【2 】。在军事上，随动系统的 应用更为普遍，如雷达天线的自动跟踪控制、导弹发射架的瞄准运动控制、坦克炮塔的 防摇稳定控制、防空导弹的制导控制、鱼雷的自动控制等等【3 1 。采用随动系统的主要目 的【4 】：第一、以小功率指令信号去控制大功率负载。天线控制和船舵控制就是典型的例 子。第二、在没有机械连接的情况下，由输入轴控制位于远处的输出轴，实现远距同步 传动。第三、使输出机械位移精确地跟踪电信号，如记录仪和指示仪表等。 随着以计算机技术、自动控制技术、通信技术为代表的信息化技术的飞速发展。随 动系统已经从早期的模拟式随动系统向高性能数字式随动系统升级【5 】o 目前，新型装置 4 一已大量采用数字化技术，配备各种先进的电子设备，性能得到很大提高。同时，数量众 多的模拟式装置仍在继续使用，使得装备维护日益复杂，给装备的出厂检验、维修和保 障带来各种问题，并造成高昂的维护、保障成本。为此需要研制针对随动系统性能检测 的测控系统【6 】，以检测随动系统之动静态指标、运行状况，并自动将所获得的数据分析 处理、显示输出供测试人员分析以提高装置保障和维修的效率。 1 2 国内外研究现状 从2 0 世纪中叶开始，计算机技术和微电子技术飞速发展，机电一体化和数字化设 备大量出现，测控行业随着市场的需要，也得到了迅猛的发展，成为了一个有着广阔市 场前景的实用产业。据美国商业部国家技术和标准研究院( n i s t ) 提出的报告称：美国 上世纪9 0 年代仪器仪表工业产值占其工业总产值的4 ，但它对国民经济的影响高达 6 6 。然而据统计，我国2 0 0 3 年仪器仪表行业总产值仅占当年国内生产总值( g d p ) 的o 8 2 【7 】，整个行业同西方发达国家相比有着较大差距。 当前我国仪器仪表行业技术水平总体与国际水平相差1 0 1 5 年，少数产品接近或达 到国际水平。主要表现在以下几个方面【8 】： 1 ) 缺少中高端产品的创新能力，超越性创新能力及提高核心技术的创新能力，更 缺乏前瞻性和原创性能力。 2 ) 受企业发展指导思想影响和规模条件等限制，研发投入严重不足。 3 )自主创新成果少，转化率低，应用技术落后。 1 绪论 硕士论文 4 ) 缺乏产学研有效结合，科技成果产业化进展缓慢。 从发达国家高新技术产业的研究开发费用和时间的统计分析报告得出，产品的测试 费用、测试周期占产品研发费用和周期的4 0 左右，并保持上升趋势【9 】。因此，各国对 测控技术的发展相当重视。目前，测控技术呈现以下发展趋势： 1 ) 开放化、标准化 系统开放化、标准化是高性能综合测控仪器的发展趋势；从技术角度来看开放化测 控技术是现代测控技术发展的一个趋势；从市场角度来看，开放化测控技术也将成为市 场应用的主流。例如，作为采集检测用的仪表，它需要与生产设备的主机、辅机合成一 体，相互建立通信联系，由此形成了各种集散式、分布式数据采集。这就需要用开放化、 标准化的测控系统来实现数据通信和分层控制技术【1o ，1 1 】。 美国在测控技术的开放化、标准化方面处在领先地位。美海、陆、空军分别建立了 “联合自动化支援系统( c a s s ) 、“综合测试设备系列( i f t e ) 、“模块化自动 测试设备( m a t e ) 标准，建立了标准化、系列化的电子测试维修保障通用平台和应 用开发环境，达到了减少测试保障装备型号、降低研制开发费用、提高综合诊断测试能 效之目的【1 2 1 。 以美国海军制定的“联合自动化支援系统( c a s s ) 标准d 3 , 1 4 为例。该标准采用 开放系统的设计思想，提供单一机柜式、组合多站式和便携式三种结构形式，并可以扩 展光电、射频、通信及导航测试子系统。c a s s 系统被大量安装于美国的军工厂、飞机 场、作战舰艇中，在最近几次美军发动的局部战争中发挥了重要的作战保障作用。 采用开放化、标准化的体系结构还有助于军用测控设备使用民用技术，降低研制成 本，比如美军在其c 1 7 型大型运输机的维修装置中使用了大量的成熟商用技术【1 5 】，取 得了很好的效果，降低了开发成本。 2 ) 便携式、模块化 近年来嵌入式技术、计算机技术飞速发展，高性能微处理器( 如d s p 、a r m 、1 6 位单片机、f p g a 等) 被广泛应用于测试领域中，测控设备开始向便携式、模块化发展。 利用高可靠性的嵌入式操作系统配合高性能的嵌入式处理器，通过优秀的软件平台，工 程师可以方便的设计出功能丰富、数据分析处理能力强、实时性好、用户界面实用美观 的测控系统。同时由于嵌入式操作系统的蓬勃发展，软件的通用性和可移植性也大大增 强，提高了此类测控设备的通用化水平、降低了研制成本。 例如：p a t e l l a , r 等设计的伺服系统位置和速度检测系统，在传统增量码盘的基础上， 使用d s p 作为主控制器，提高了设备的检测性甜1 6 1 。南京航空航天大学自动化学院研 制的发动机齿轮振动测量系统采用嵌入式l i n u x 技术，以a r m 作为主控制器，做到了 系统的小型化，并具有较好的标定精度【1 7 ，协】。东南大学的军车测控系统试验平台在硬件 上采用x 8 6 架构的p c i 0 4 工控机和系统级芯片( s o t ) 结合的双c p u 方案，软件上分别 2 硕士论文 一种便携式随动系统综合测控装置研究 以v x w o r k s 和u c o s i i 为基础，提高了测控系统的可靠性、稳定性，同时缩小了系统 的体积【1 9 】。 3 ) 总线技术 总线接口技术历来是系统研究的核心技术。总线是所有测试系统和故障诊断系统的 基础和关键技术，是系统标准化、模块化、组合化的根本条件，依据总线系统来组建各 类测试系统，能确保硬件、软件、系统级的兼容性、互换性和重构性【1 9 】。研究和开发总 线系统是设计、研制开放式体系结构的核心任务，也是测控系统技术研究的关键技术 2 0 l 。 测控仪器涉及的总线类型主要有三类：计算机底板( 机箱) 总线、测量仪器设备级 总线和计算机局部网络技术。从总线来看，有g p i b 、v x i 、p x i 、p c u i s a ，r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 、 c a n 、以太网等【2 1 2 2 。 w k o p r e k 等在微波电子枪的测控系统中用完全基于消息的v x i 总线系统 ( v x i m b t ) ，实现了快速的数据传输【2 3 1 。东南大学的某计算机测试系统基于p c i 0 4 结构，采用u s b 总线同上位机( p c 机) 通信，精度达到1 密位( m i d ，并通过自制的 p c i 0 4 结构的d s c 卡和s d c 卡减小了系统的体积【2 4 】。刘增华、许化龙开发的伺服系统 自动化测试系统采用虚拟仪器技术和p c i 0 4 总线相结合的技术，实现了系统的高效率、 模块化并具有故障诊断功能【2 5 1 。 4 ) ，虚拟仪器应用广泛 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ，v i ) 是美国国家仪器公司( n a i l o n a li n s t r u m e n t sc o r p ， 简称n i ) 1 9 8 6 年推出的概念，是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物，是计 算机辅助测试( c a t ) 领域的一项重要技术，被认为是测试领域的未来和第四代的测控 仪器。在硬件上，虚拟仪器采用总线结构连接被测对象和计算机，主要有g p i b 、v x i 、 p x i 等。应用软件系统则是虚拟仪器的核心。在硬件基本确定后，开发人员可用各种软 件模块组合构成多种仪器，并赋予系统特有的功能以达到不同的测量目的【1 0 ，2 6 1 。 虚拟仪器以高效、通用、灵活、简便的特点在国内外测控领域获得了广泛的使用。 如：国防科技大设计的某型高炮随动系统故障检测系统【27 】；华中科技大用虚拟仪器进行 多路舵机测试【2 8 】；安霆、杨百顺等设计的某型高炮随动系统测试平台利用l a b v i e w 作 为软件开发平台简化了数据处理程序的设计和实现，并已经用于某型随动系统的测试 【2 9 】。 近年来，随着我国经济实力和科技水平的快速发展。随动系统测控装置也越来越多 的被研制出来，其中东南大学、北京理工大学、南京理工大学等单位走在前列。除了上 文已经提到的几种装置，还有：吕林涛等研制的某型随动测控系统采用了实时数据库、 工业以太网等关键技术，很好地解决了测控系统实时性、可靠性、分布式计算等难点问 题 3 0 1 。应为健、韩俊等【3 1 】在随动系统的测试中应用了神经网络技术，提高了故障诊断的 速度。范跃华等针对某随动系统的故障诊断问题，构建了一种集故障检测技术与专家系 1 绪论硕士论文 统为一体的在线故障诊断系鲥3 2 1 。侯远龙、张光辉研制的随动系统故障检测装置【3 3 】用单 片机作为主要硬件、采用故障字典法提高了故障判断准确度( 达9 6 以上) ，减小了故 障诊断时间( 小于3 分钟) 。王军政，温子云的某随动系统性能测试装置由测控计算机、 正弦机及信号调理箱组成，能够检测模拟式随动系统和数字式随动系统，并具有良好的 人机交互平台，测试精度达到0 0 0 6 。以内【3 4 1 。 1 3 本文的研究意义和目的 传统随动系统的测试方法对入的依赖性很强。在测试过程中，需要人工地调整和控 制仪器的工作状态，记录和处理测试结果。同时，由于随动系统接口和种类繁多、往往 意味着一型随动系统对应一款测试仪器，其结果就是重复建设、成本高、通用性差、设 备维护困难。目前，国内仍然有大量现役的模拟式随动系统，在装备的检验、维护过程 中，常用的方法是采用机电式正弦机给随动系统发送控制信号，通过测控计算机和信号 采集卡采集随动系统的运行状况，以考核伺服系统的动、静态性能。这种方法具有难以 克服的机械传动空回、死区及波形失真和漂移、参数可重复性差等缺点。目前，随动系 统测控装置大量采用工控机( p c 机) 作为系统核心，这种方式的优点是软件设计简单、 技术成熟、可靠。但是需要设计相应的p c i i s a 接口板卡，硬件复杂，成本高昂。同时 机柜式的设计，造成整个系统体积庞大、携带不便，难以做到装备的检验保障一体化。 针对以上情况，本文研制了一种便携式随动系统综合测控装置。这种装置应有以下 特点： 1 ) 通用性好：针对数字和模拟两类随动系统，设计采用多种常用接口，可以满足 一般随动系统指令信号输入、位置信号采集的要求。 2 ) 便携性好、体积小：采用嵌入式技术，使用嵌入式工控机取代传统的x 8 6 工控 机( 或p c 机) ，减小设备体积。 3 ) 可扩展性：采用总线技术和统一接口，以方便扩展其他功能模块。 4 ) 一体化：本测控装置将所有板卡置于同一机箱内，具有完善的人机界面，可通 过应用软件的设置，独立进行随动系统的测试。 1 4 本文的主要工作和结构 根据以上分析，本文的主要工作是便携式随动系统综合测控装置研究。首先，本文 进行了随动系统综合测控装置的总体设计，包括系统功能设计、系统性能指标分析、系 统结构设计以及主要元器件选型。然后，进行了便携式随动系统综合测控装置的硬件设 计，采用嵌入式p c i 0 4 工控电脑作为上位机控制器、d s p 作为下位机c p u 的结构，设 计并实现了d s p 核心板、信号输入板、信号输出模块、上位机外围模块等的硬件系统。 之后，本文设计了便携式随动系统综合测控装置的下位机软件，详细说明了信号产生的 4 硕士论文一种便携式随动系统综合测控装置研究 方法和各个输入输出通道的控制子程序。最后，本文进行了便携式随动系统综合测控装 置上位机应用软件总体设计和规划，对w i n c e 环境下的程序设计进行了研究，并实现 一套试验软件。 针对以上内容，本文的结构划分如下： 第一章概述了测控技术的发展趋势，着重介绍了针对随动系统的测控装置，最后说 明了本文的研究目的和主要工作。 第二章首先进行了本系统的功能分析，然后根据几个设计方案进行了测控装置的总 体设计和系统结构设计；最后，对系统的主要元器件进行了选型，包括下位机c p u 选 型和上位机控制器选型。 第三章在总体设计和结构设计的基础上，进行了本系统的硬件设计，分为下位机和 上位机两个部分。其中下位机设计了d s p 核心板和4 块输入输出板，上位机设计了温 湿度采集模块和双口r a m 接口。最后进行了印刷电路板的实现工作。 第四章是下位机软件设计与实现，包括d s p 主程序、定时中断服务程序、信号输 入子程序、信号输出子程序、通信子程序、信号产生子程序等各个d s p 程序的设计和 实现。 第五章是上位机w i n c e 应用软件功能分析和总体设计。再此基础上，使用p c 机 e v c 开发工具自带的w i n c e 仿真环境实现了试验软件，以对应用软件开发进行技术上 的摸索； 第六章是本文总结和展望。 5 硕士论文一种便携式随动系统综合测控装置研究 2 便携式随动系统综合测控装置的总体设计 便携式随动系统综合测控装置的设计思想是采用嵌入式技术和模块化结构，研制一 款既能检测数字式随动系统又能检测模拟式随动系统的便携式一体化测控装置。这种装 置应具有通用性和扩展性好、使用方便、性价比高的优点，主要供测试人员维护和保障 随动系统使用。本章首先确定了测控装置的主要功能、性能指标，然后分析并设计了整 个系统的总体结构和工作原理，最后就上位机和下位机主要器件进行了选型。 2 1 测控装置的主要功能 便携式随动系统综合测控装置是能够独立进行随动系统性能检测的便携式装置，具 有以下功能： 1 ) 本装置具有信号发生器( 正弦机) 的功能，可以产生高低和方位两路随动系统 常用测试信号( 阶跃、等速、正弦) 。 2 ) 本装置通过采集被测随动系统的位置、电流信号，能自动同本装置产生的测试 信号进行比对并计算出随动系统的动静态特性指标。 3 ) 本装置具有图形化的人机交互界面，通过键盘、鼠标和触摸屏可进行整个装置 的控制和检测信号参数的设定，并能将测试信号、位置信号、电流信号和误差信号的曲 线实时显示在l c d 上。同时，本装置具有实验数据存储、浏览、显示等功能。 4 ) 本装置能同时满足模拟式随动系统和数字式随动系统检测的要求。针对不同的 被测对象，更换相应的板卡就可进行测试，不需要更改软硬件。 5 ) 本装置能够独立工作，不需要配备p c 机( 工控机) 或其他测试设备，就能进 行随动系统的检测。 本测控装置示意图如图2 1 。 图2 1 便携式随动系统综合测控装置示意图 7 2 便携式随动系统综合测控装置的总体设计硕士论文 2 2 测控装置的性能指标 随动系统性能检测时，通常需测试被测对象的下列四项指标： 1 ) 系统在各个位置的静态误差角( 静差) 。 2 ) 阶跃输入时的动态响应指标( 超调量、振荡次数、调节时间) 。 3 ) 等速跟踪达到稳态后系统的误差角( 速度误差) 。 4 )正弦跟踪达到稳态后系统的误差角( 正弦误差) 。 这些指标能较全面地反映系统在稳态、速度、加速度等各方面的性能。随动系统测 控装置在测试随动系统上述四项指标时，须提供：阶跃信号、等速正( 反) 转信号、正 弦信号三种信号。此外，为测试模拟式随动系统，还应提供前馈信号。 本文参考其他类似的系统【3 5 】，根据需求确定了本测控装置的主要性能指标： 1 ) 模拟输出口 a 数字轴角输出方式 a 等速跟踪信号范围：0 - 3 0 0 。s ，等速引导时间可调： b 正弦跟踪信号幅值：0 - 3 6 0 。、周期可调； c 输出4 0 0 h z 3 6 v 交流电压( 根据不同的被测对象、可更换相应的模块) ： d 粗、精组合比可任意设定； e 精度高于1 6 位； f 前馈输出电压范围1 0 1 0 v 、精度不低于0 0 5 。 b 直流电压输出方式 a 输出电压范围1 0 1 0 v 、精度不低于0 0 5 。 2 ) 数字输出口 a 具有r s 4 8 5 、c a n 两种串行口； b 输出精度可调： c1 6 位并行数字i o 口输出方式。 3 )测控装置具有被测随动系统的位置检测、电流信号采集的功能。指标如下： a 采样精度不低于0 0 5 ； b 采样周期最小不低于l m s ： c 记录时间大于3 分钟。 2 3 测控装置的结构设计 2 3 1 几种参考方案及其分析 通过对其他随动系统测控装置进行分析和研究，该类装置的结构分为以下几种： 1 ) 基于x 8 6 架构的工控机( 或p c 机) + 采集卡+ 信号发生器结构【2 7 矧 8 硕士论文 一种便携式随动系统综合测控装置研究 这是现在常用的随动系统测控装置的结构。在硬件上，这类系统通常以x 8 6 架构的 工控机或者通用p c 机为核心，通过控制信号发生器( d s p 、m c u 、f p g a 等) 产生测 试信号以检测被测对象，采用信号采集卡检测被测对象的运行状况，采用总线方式连接 系统硬件的各个部分。软件方面，在工控机( 或p c 机) 端通常安装常用的操作系统， 如w i n d o w s 、d o s 、v x w o r k s 等，拥有大量的成熟软件开发工具进行人机交互系统的设 计，如v c 、v b 等。采用这类方案的仪器性能好，功能强，数据交互方便，而且可以结 合虚拟仪器技术，测控软件界面美观实用。在厂房、实验室等工作环境中，这类装置正 发挥着重要作用。但是，这类系统成本高、结构复杂、携带不变，使用范围限制较大。 2 ) 基于d s p 结构【3 5 】 d s p 的数据处理能力强、技术成熟，在测控领域应用广泛【3 6 1 。而且d s p 由于具有 特殊的指令集，具有以下显著优点： a 重复操作，使循环代码开销最小化。 b 单周期相乘累加运算指令。 c 存储器块移动指令，可更有效的操作程序和数据。 d 变址寻址能力。 这些优点为d s p 提供了强大的数据处理能力和良好的系统实时性。但是，一般的 d s p 并没有内建m m u ( 内存管理模块) ，不能内嵌性能较好的嵌入式操作系统( 如嵌 入式l i n u x 、v x w o r k s 等) ，使得这类系统往往还需借助于p c 机来实现美观实用的人 机交互界面。而且通常d s p 片内外设资源较少，没有u s b 、以太网等常用模块，应用 和扩展不便，适合于对监控软件要求不高的场合。 3 ) 基于m c u 结构【3 3 】 随着微控制器( m c u ) 技术的进步，以a r m 和高性能单片机为代表的m c u ，性 能越来越强、应用也越来越广泛。m c u 具有功能丰富、体积小、成本低的特点，在工 业控制领域、无线通信领域、汽车电子领域、网络应用和消费类电子产品等各个领域中 都取得了很大的成功。以删9 2 0 t 等为代表的内嵌m m u 模块的微控制器内核的大量 出现，使得嵌入式操作系统( l i n u x 、v x w o r k s 、u c o s ) 的应用门槛降低，嵌入式软件 工程师借助成熟的嵌入式软件开发工具可以设计出优秀的测控软件。 但是，这类处理器的数据处理能力比不上x 8 6 架构的工控机和高性能d s p ，在运算 量较大或者对实时性要求较高的场合，还不能完全取代x 8 6 架构的工控机。 2 3 2 本文的设计方案 本文综合上节所述几种结构的优缺点，考虑到便携式的要求，采用了基于 d s p + a r m 的便携式随动系统综合测控装置设计方案。在这个方案中采用了d s p 来处理 信号输入输出的工作，运用了d s p 数据处理能力强大、实时性好的优点。同时考虑到 9 2 便携式随动系统综合测控装置的总体设计 硕士论文 本装置实时性和l c d 图形显示的要求，还采用了a r m 微控制器来进行人机交互平台的 处理。a r m 微控制器的最大优势在于速度快、低功耗、高性能、芯片集成度高和外围 接口丰富，并且性价比耐”】。在a r m 平台上通过移植嵌入式操作系统( l i n u x 、w i n c e 、 v x w o r k s 等) ，能够满足任务多样性和实时性的要求。而且，操作系统良好的软件平台 简化了软件功能的开发难度( 如：l c d 显示、硬盘存储、网络通信等) ，减少了嵌入式 产品的开发周期。这套方案在软硬件上都能够满足系统设计的指标要求，而且减小了系 统的体积、提高了系统的便携性和性价比。 本文的整个测控装置为双c p u 结构，两个c p u 之间需要进行数据通信。在这类结 构的系统中，常用的数据传输方式有三种：串行口数据交换方式、i o 口数据交换方式 和共享存储器数据交换方式。相对于前两者，共享存储器数据交换方式具有传输数据量 大、传输速度快的优点【3 8 1 。因此本文选用了共享存储器数据交换方式来实现上位机和下 位机之间的数据通信。 2 3 3 测控装置的结构和组成 本装置为满足系统实时性和功能多样性的要求，采用了d s p + a r m 的双c p u 结构， 主要由两部分组成：下位机和上位机。结构如图2 2 。 1 0 图2 2 随动系统测控装置结构示意图 硕士论文 一种便携式随动系统综合测控装置研究 下位机的主要作用是随动系统高低、方位两路指令信号的产生、随动系统位置信号 和电流信号的采集。通常，随动系统的指令信号由火控计算机计算得出后通过数字量或 模拟量接口送至随动系统，故本文设计采用多种常用的输出接口以达到该测控装置通用 性的要求，包括r s 4 8 5 串口、c a n 总线、1 6 位数字量并行口、交直流模拟信号输出口 等，并且设计了前馈直流信号输出通道以适应模拟式随动系统信号跟踪的要求。下位机 的信号采集部分主要检测随动系统，包括电流检测和位置检测的功能。 上位机是整个装置的控制中心，通过外接键盘、鼠标、触摸屏，能够实现被测随动 系统的实时曲线分析和显示、输出信号类型和通道选择、现场温湿度测量、文档信息保 存等功能。 下位机和上位机之间通过双口r a m 进行数据交互。双口r a m 一方面接收下位机 检测的随动系统被测信号；一方面接收上位机的控制命令。 本装置的工作过程归纳如下：测试人员通过上位机端的应用软件设定测试信号的参 数，下位机读取这些参数并生成测试信号传送给被测随动系统。同时，下位机采集随动 系统的信号并发送回上位机；上位机显示被测随动系统实时曲线并计算随动系统性能指 标。工作流程如图2 3 。 厂一i 控制命令i：。 测试信号 i 7 随 上 i 双。 下 动 位 口 i 位 系 机 i r a mi 机 位置、电流信号 统 1 。 i 测试信号； l。衍詈、由流l言县 2 4 下位机c p u 选型 图2 3 测控装置工作流程 下位机采用双口r a m 同上位机通信；能够根据上位机的设定，产生高精度的典型 数字量测试信号，并通过数字量输出通道或模拟信号输出通道输出；同时下位机能够采 集被测随动系统的位置和电流信号。 本测控装置的测试对象主要是随动系统。为了满足控制系统性能指标的要求，通常 随动系统控制器的c p u 选型应从如下的几个能力分析： 1 ) 实时处理能力。 2 ) 比较完善的中断系统。 3 ) 较丰富的指令系统。 4 ) 充足的内存容量。 5 ) 运算速度。 6 ) 字长。 1 l 2 便携式随动系统综合测控装置的总体设计硕士论文 德州仪器( 1 1 ) 公司的2 0 0 0 系列d s p 是随动系统控制领域中应用较多的控制器， 主要有t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ( 以下简称l f 2 4 0 7 a ) 和t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ( 以下简称f 2 8 1 2 ) 两 个型号。其中f 2 8 1 2 性能较高、接口丰富，但是该芯片频率高、同外部慢速器件连接时 需要加入等待周期，使用条件比l f 2 4 0 7 a 高。 l f 2 4 0 7 a 是1 1 公司为满足工业控制应用，尤其是电机控制而设计的1 6 位d s p 芯 片，在测控领域有着广泛的应用【3 9 1 。l f 2 4 0 7 a 采用了改进型哈佛结构( 程序存储区和数 据存储区分开) 、多级流水线、片内存储器和专用的指令集，而且该芯片运行频率最高 4 0 m h z 、单周期指令运行时间为2 5 n s ，可以满足本装置中数据处理和数值计算的要求。 l f 2 4 0 7 a 片内资源丰富，在本装置的应用中能够提供： 1 ) 该芯片的2 个时间管理器( e v a 和e ) 能够提供4 个通用定时器，足够满 足两路信号同时输出的要求。 2 ) 具有看门狗定时模块( w d t ) ，能够提供软件复位功能，从而保证程序的健壮 性。 3 ) 片内的串行通信模块( s c i ) 、1 6 位串行外设接口模块( s p i ) 、控制器局域网 络( c a n2 0 b ) 模块能够满足本装置数据输入输出接口类型的要求。 4 ) 基于锁相环的时钟发生器能够在板上晶振频率较低的情况下提供高达4 0 m 的 主频，保证了本装置的输出精度。 5 )该芯片4 1 个可单独编程或复用的通用输输出引脚为本装置的电路设计提供 了丰富的选择信号。 6 ) 提供的5 个外部中断源保证了本装置各路输入输出通道的实时性。 因此，本系统选用l f 2 4 0 7 a 作为下位机的主控c p u ，负责输入输出的信号处理和 下位机各输入输出模块的控制。 2 5 上位机控制器选型 上位机在本装置中主要负责实时数据图型显示和整个装置的控制。通过前文的分 析，上位机的控制器应能满足以下几点要求： 1 ) 体积小、成本低，并且有工业级产品。 2 ) 能够方便的连接双口r a m 。 3 ) 预留常用的总线接口，并有l c d 、键盘、网络、u s b 、u a r t 接口以方便扩展。 4 ) 内嵌操作系统，厂家提供的驱动程序应成熟可靠，便于设计应用软件。 5 ) 硬件上应该具有通用性，即能够与不同厂商的产品或者将来自主开发的硬件平 台基本兼容。 本装置上位机的选型综合了功能要求、技术可行性以及成本等因素，采用英贝德科 技的e a c 0 9 2 1 型嵌入式工控电脑，其核心为c i r r u sl o g i c 公司的e p 9 3 1 5 型微控制器。 1 2 硕士论文 一种便携式随动系统综合测控装置研究 e p 9 3 1 5 是一款a r m 9 2 0 t 内核、主频2 0 0 m h z 的高性能嵌入式a r m 微控制器。该芯片 内建了图形加速模块，而且自带的m a v e r i c kc r u n c h 协处理器进一步增强了a r m 9 2 0 t 内核的性能，显著的提高了a r m 9 2 0 t 的单双精度整数及浮点数处理能力。e p 9 3 1 5 先 进的内核配合丰富的片内外设特别适用于工控、医疗、监控、仪表等领域【4 。嵌入式工 控电脑e a c 0 9 2 1 基于1 6 位p c i 0 4 总线，这种总线与i s a 总线兼容，具有体积小、扩 展性好的特点，适合嵌入式应用。工控电脑e a c 0 9 2 1 预装w i n c e5 0 操作系统( 本文 将在第五章介绍) ，提供了完善的设备驱动程序，配合微软强大的软件开发工具，可以 实现较好地人机交互软件平台。 e a c 0 9 2 1 具有如下特点，适合作为本装置上位机的控制器。 1 ) 采用了标准的p c i 0 4 结构工业控制主板，方便本装置连接双口r a m ，提高了 数据传输的速度，并且可以同其他p c i 0 4 结构的工控电脑互换，为以后的改进留有余地。 2 ) 采用e p 9 3 1 5 处理器，2 0 0 m h z 的主频和图形加速模块为本装置的人机交互提 供了硬件性能上的保障。 3 ) 自带u s b2 0 主控制器，具有完善的u s b 接口驱动，方便本装置连接鼠标等 u s b 外设，简化了硬件设计。 4 ) 内置w i n c e5 0 操作系统，简化了本装置人机交互平台的软件设计，提高了系 统多任务管理能力。 5 y 支持3 路串行通讯控制器，方便同其他系统连接。 6 ) 支持热插拔的c f 卡，扩展了存储空间，为数据管理提供了基础。 7 ) 支持v g a 和大分辨率的触摸液晶屏。 8 ) 工业级产品标准和低功耗系统设计提高了本装置的可靠性和稳定性，扩大了使 用范围。 2 6 本章小结 本测控装置的设计目标是设计一种既能检测数字式随动系统又能检测模拟式随动 系统的便携式装置。本章进行了本测控装置的总体设计。首先，确定了系统的功能和需 要达到的性能指标。然后，通过对多种系统结构方案的分析和研究，经过比较后选择了 d s p + a r m 的双c p u 方案。这种方案在满足系统功能指标要求的同时兼顾了性能和成 本，具有良好的便携性和扩展性。最后，本章就系统的主要器件进行了选型。 1 3 硕士论文一种便携式随动系统综合测控装置研究 3 便携式随动系统综合测控装置的硬件设计 通过第二章的总体设计，本文确定了便携式随动系统测控装置的结构，主要有下位 机和上位机两个部分，如图3 1 所