（电力电子与电力传动专业论文）基于以太网的嵌入式瞬态记录分析仪的软件设计.pdf

西华大学硕士学位论文 入式模块，构成了基于以太网的瞬态记录分析仪的服务器端。 ( 2 ) 在嵌入式平台硬件资源有限的条件下，使用l a b v i e w 软件编写人机 交互界面，通过调用l a b v i e w 软件提供的外部接口，实现了软件与硬件的连 接，并使用l a b v i e w 自带的信号分析功能、文件操作以及网络通信等模块对 数据进行分析、存储与传输等操作。程序结构采用摩尔状态机结构与c a s e 结 构相结合的方式，不但实现了主界面与各个子界面的跳转，也解决了屏幕刷新 的问题，克服了硬件资源有限的弊端。 ( 3 ) 在p c 机上编写客户端人机交互界面，通过事件结构、主从结构以及 状态机结构的使用，实现了多波形显示、主副窗显示、特征值分析、下拉式菜 单等功能的设计，使程序能够多线程高速运行，提高了c p u 的工作效率。 ( 4 ) 使用l a b v i e w 软件的t c p i p 通信模块函数，根据设定的网络传输 协议，用更少的程序代码，简明的程序结构，解决了p c 机客户端对嵌入式服 务器端的控制以及数据传递，实现了基于以太网的远程控制采集。 ( 5 ) 根据设计要求制定了测试方案，针对调试和测试中出现的问题，提出 了一些实际的解决措施。最后的测试结果基本达到了设计要求，并给出了主要 的测试结果。 关键词：嵌入式系统，虚拟仪器，数据采集，网络程控 l i s o f t w a r ed e s i g no ft r a n s i e n tr e c o r d i n ga n a l y z e rb a s e d o ne t h e r n e t p r o f e s s i o n a lo fp o w e re l e c t r o n i c sa n de l e c t r i cd r i v e g r a d u a t e ：w a n g c h a ot h eg u i d a n c eo ft e a c h e r s ：h ub i n g t e c h n o l o g yo ft r a n s i e n td a t ar e c o r d i n ga n a l y s i s h a sb e e nm o r ea n dm o r e a p p l i e dt ot h ef e i l do fp o w e re l e c t r o n i c s ，a n dh a sb e e na c h i e v e ds o m ef u n c t i o n so f t r a n s i e n td a t as u c ha sc o l l e c t i o n ，r e c o r d i n ga n da n a l y s i s f o re x a m p l e ：c a p t u r ep u l s e e d g e r i s et i m ew h e nt h es w i t c h i n gp o w e rs u p p l ys t a r t s ；c a p t u r et h ep e a kv a l u eo f p u l s ev o l t a g e ，w i d t ho fp u l s ev o l t a g e ，p u l s ee d g er i s et i m e ，p u l s ev o l t a g ea tt h e p h a s er a n g eo fs u p p l yv o l t a g ev o l t a g er a n g ea sf l u o r e s c e n tl a m ps t a r t e rr u n s ；a l o n g 诵t ht h e d e v e l o p m e n to fe m b e d d e da p p l i c a t i o nd o m a i n ，i nc e r t a i nd a t aa c q u i s i t i o n s c e n ea sar e s u l to ft h ee n v i r o n m e n to rt h ed i s t a n c el i m i t ，t h ed a t ag a t h e r i n gn e e d s t h es t a f f sr e m o t ec o n t r o l ，f r o mt h i s ，t h eh i g hp e r f o r m a n c e ，t h el o wp o w e rl o s s ，t h e n e t w o r ke m b e d d e dt r a n s i e n tr e c o r d i n ga n a l y z e rh a so b t a i n e dt h ew i d e s p r e a dv a l u e a n d a p p l i c a t i o n t h i sp a p e ru s e sac o m b i n a t i o no fg r a p h i c a lp r o g r a m m i n gs o f t w a r el a b v i e w a n dt e x to fp r o g r a m m i n gl a n g u a g e s ，p r e p a r em a r l m a c h i n ei n t e r f a c ei nt h ee m b e d d e d p l a t f o r ma n dp cp l a t f o r m ，t h u st a k e sat r a n s i e n tr e c o r d i n ga n a l y z e ra ss e r v e r - s i d e ， a n dp cm a c h i n ea sac l i e n t 。t h e nt h es e r v e rw i l ln o to n l yw o r ka l o n e ，i tc a na l s ou s e p cc l i e n tm a c h i n e st oc o n t r o le m b e d d e ds e r v e r - s i d ep r o g r a mt h r o u g he t h e m e t t h e c o m b i n a t i o no ft h et w op r o g r a m m i n gl a n g u a g e s ，d o e sn o to n l yp l a ya d v a n t a g e so f p r o g r a m m i n gl a n g u a g ei nt h ep r e p a r a t i o no fd e v i c ed r i v e r s ，l i b r a r yf u n c t i o n s ，s u c h a st h e u n d e r l y i n gd y n a m i cp r o c e s s ，b u ta l s os h o w ss o m ef e a t u r e so fl a b v i e w i i i 西华大学硕士学位论文 s o f t w a r ei n t e r f a c es u c ha ss i m p l ea n di n t u i t i v e ，g r a p h i c a lp r o g r a m m i n g ，s i g n a l a n a l y s i sf u n c t i o nm o d u l a rc h a r a c t e r i s t i c s ，s ot h a tt h et w ol a n g u a g e sc a l lm a k eu pf o r t h e i rs h o r t c o m i n g st or e a l i z et h eo p e r a t i o no ft h eu n d e r l y i n gh a r d w a r e ，a l s op r e p a r e a f r i e n d l ym a n m a c h i n ei n t e r f a c ec o n v e n i e n t l ya n dq u i c k l y t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) t oh a v eao v e r a l lf r a m e w o r kf o rs y s t e md e s i g n a i m e da tc u r r e n ts e v e r a l m a i n s t r e a md a t ac o l l e c t i o ns y s t e m ，a tt h eb a s i so ft h e o r ya n dp r a c t i c a ln e e dt oh a v ea a n a l y s i sa n dr e s e a r c h ，t a k et h eb r i t i s hr e c o r dc o m p a n y se m 9 0 0 0e m b e d d e d m o d u l ea st h ep l a t f o r m ，t h r o u g ht h ed a t aa d a p t e rp l a t e ，t om a k ed a t aa c q u i s i t i o n c a r d s ，e t h e m e ti n t e r f a c ea n dp o w e rm a n a g e m e n tm o d u l ea c c e s st ot h ee m b e d d e d m o d u l e ，t oc o n s t i t u t e at r a n s i e n tr e c o r d e r sb a s e do nt h ee t h e m e ta n a l y z e r s e r v e r - s i d e ( 2 ) u n d e rc o n d i t i o n so fl i m i t e dh a r d w a r er e s o u r c e si nt h ee m b e d d e d p l a t f o r m ， t ou s el a b v i e ws o f t w a r et op r o g r a n l ，t oa c h i e v et h ec o n n e c t i o nb e t w e e ns o f t w a r e a n dh a r d w a r eb yc a l l i n gu pe x t e r n a li n t e r f a c ep r o v i d e db yl a b v i e ws o f t w a r e ，a n d t ou s et h el a b v i e wb u i l t i ns i g n a la n a l y s i sf u n c t i o n , f i l eo p e r a t i o n sa n dn e t w o r k c o m m u n i c a t i o nf o rd a t aa n a l y s i s ，s t o r a g ea n dt r a n s m i s s i o na n ds oo n p r o g r a m s t r u c t u r eu s e st h es t y l eo fc o m b i n a t i o no fm o o r es t a t em a c h i n es t r u c t u r ea n dc a s e s t r u c t u r e ，i tc a nn o to n l ya c h i e v eaj u m po ft h em a i ni n t e r f a c ew i t l lt h ev a r i o u s s u b - i n t e r f a c e ，b u ta s l os o l v et h ep r o b l e mo fr e f r e s h i n gas c r e e n ，o v e r c o m i n gt h e d r a w b a c k so fl i m i t e dh a r d w a r er e s o u r c e s ， ( 3 ) t op r e p a r ei n t e r a c t i v ec l i e n ti n t e r f a c eo nt h ep cm a c h i n e ，a n du s i n gc a s e s t r u c t u r e ，p r i n c i p a la n ds u b o r d i n a t es t r u c t u r ea n ds t a t em a c h i n es t r u c t u r et oa c h i e v e t h ed e s i g no fo t h e rf u n c t i o n so fam u l t i - w a v e f o r md i s p l a y , am a i nv i c ew i n d o w d i s p l a y , e i g e n v a l u ea n a l y s i s ，t h ed r o p - d o w nm e n u ，s oa st om a k et h ep r o g r a mb e m u l t i - t h r e a d e dh i g h s p e e do p e r a t i o n ，a n dt h e nt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h ec p u ( 4 ) t ou s et c p i pc o m m u n i c a t i o nm o d u l ef u n c t i o no fl a b v i e ws o f t w a r e a c c o r d i n gt on e t w o r kt r a n s f e rp r o t o c o l ，w i t hl e s sc o d e ，s i m p l ep r o g r a ms t r u c t u r et o s o l v et h ec o n t r o la n dd a t at r a n s m i s s i o nw h i c ht h ep c c l i e n te f f e c t so nt h ee m b e d d e d i v 西华大学硕士学位论文 s e r v e r s i d e ，t og e tt h er e a l i z a t i o no fr e m o t ec o n t r o lc o l l e c t i o nb a s e do n t h ee t h e m e t ( 5 ) t od e v e l o pat e s tp r o g r a mi na c c o r d a n c ew i t ht h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，f o r t h ep r o b l e m sa p p e a r e di nt h ep r o c e s so fd e b u g g i n ga n dt e s t i n g ，p u tf o r w a r ds o m e p r a c t i c a ls o l u t i o n s f i n a l l y , t h et e s tr e s u l t sm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa n dg i v e s t h em a i nr e s u l t s k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，v i r t u a li n s t r u m e n t s ，d a t aa c q u i s i t i o n , n e t w o r ks p c v 西华大学硕士学位论文 申明 本人申明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华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工作所作的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师的指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此申明。 作者签名：圣超砷年朋p 日 导师签名匐兵b ，7 年岁月夕、日 西华大学硕士学位论文 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并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，西华大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印 手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密叫适用本授权书。 ( 请在以上口内划) 学位论文作者签名：彳 ，。 日期：、s 、弓。 指导教师签名：翻丢 日期：k 穸、5 弘 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题来源与背景 便携式数据采集分析仪是对一路或多路瞬态信号进行采集、自动存储记录、 信号预处理、即时显示、即时状态分析、自动传输等功能的自动化设备。瞬态 数据记录分析技术也已经在军事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域被广 泛应用。由于瞬态数据记录分析仪应用范围越来越广泛，应用的环境越来越多 样，对计算速度、采集精度、功耗、可移动性都提出了更高的要求，在数据采 集系统中，计算机能否尽快采集数据并处理数据是该数据采集系统设计的关键。 数据采集器初步形成于2 0 世纪5 0 年代，作为美国用于军事上的测试系统， 测试任务是由测试设备高速自动控制完成的。由于该种数据采集测试系统具有 高速性和一定的灵活性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试任 务，因而得到了初步的认可，此阶段的数据采集设备和系统多属于专用的系统， 需要有测试人员的操作，所使用的语言是机器语言。 随着微型计算机技术的发展，诞生了采集器、仪表同计算机溶为一体的数 据采集系统。由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的自动检测仪表 和专用数据采集系统，因此获得了惊人的发展，可以分为以下几个发展过程： 从7 0 年代起，数据采集系统发展过程中逐渐分为两类，一类是实验室数据 采集系统，另一类是工业现场数据采集系统。就使用的总线而言，实验室数据 采集系统多采用并行总线，工业现场数据采集系统多采用串行数据总线。 2 0 世纪8 0 年代随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了极大的发展， 开始出现了通用的数据采集与自动测试系统。该阶段的数据采集系统主要有两 类，一类以仪器仪表和采集器、通用接口总线和计算机等构成。例如：国际标 准i c e 6 2 5 ( g p i b ) 接口总线系统就是一个典型的代表。这类系统主要用于实验 室，在工业生产现场也有一定的应用。第二类以数据采集卡、标准总线和计算 机构成，例如：s t d 总线系统是这一类的典型代表。这种接口系统采用积木式 结构，把相应的接口卡装在专用的机箱内，然后由一台计算机控制。 2 0 世纪8 0 年代后期，数据采集系统发生了极大的变化，工业计算机、单 片机和大规模集成电路的组合，用软件管理，使系统的成本降低，体积减小， 西华大学硕士学位论文 功能成倍增加，数据处理能力大大加强。 2 0 世纪9 0 年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集技术已经在军 事、航空电子设备及宇航技术、工业等领域被广泛应用。由于集成电路制造技 术的不断提高，出现了高性能、高可靠性的数据采集系统。数据采集技术已经 成为一种专门的技术，在工业领域得到了广泛的应用。该阶段数据采集系统采 用更先进的模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模块， 并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速地组成一个新的系纠1 | 。 另一方面，嵌入式系统是以应用为中心，以计算机为基础，软硬件可剪裁， 适用于对功能，可靠性，成本，功耗严格要求的专用计算机系统。其中实时性 是对嵌入式系统的基本要求，其次还要求代码体积小，运行速度快，系统可靠 性高。3 0 年间，嵌入式系统经历了单片机作为核心，嵌入式c p u 成为主流， 与i n t e m e t 紧密结合等几个发展阶段，强大的功能，灵活的应用，低廉的资源 开销等特点使其广泛应用于工业，医疗，教育，消费电子等众多领域。 随着生产制造业中使用的设备大型化、自动化、高速化和复杂化，设备的 故障诊断也变得十分复杂。单靠使用者自身的力量来解决设备运行中出现的问 题，或对设备进行日常维护及预报等工作变得越来越困难，另外工业故障诊断 领域对于瞬态诊断信号测量、区间诊断数据采集和处理等一些高速、高精度、 大数据量的测量中，需要高速采集数据。而嵌入式系统的迅速发展，恰恰满足 了现代工业生产和科学研究对数据采集水平的日益提高这一强烈需求。将嵌入 式系统应用与工业故障数据采集相结合，已经逐步成为一种趋势，嵌入式故障 诊断数据采集设备研究及应用正在世界范围内兴起。 嵌入式数据采集的基本内容包括以下三方面： ( 1 ) 设备运行状态的信号采集：根据设备在运行时产生的信号进行采集， 把采集来的信号再通过滤波、放大、数模转换等一系列方法处理后进行波形显 示，并在必要时候在采集现场对数据进行进一步处理，分析和判断，并采取有 效措施。其目的是为早期发现设备故障提供可靠的数据保证； ( 2 ) 故障类型、程度、部位、原因的确定：通过采集系统对数据的存储管 理，集中上传至专业数据分析平台进行研究分析，并完成对故障类型的确定， 它是在状态监测的基础上，当确认机器己处于异常状态时所需要进一步采用的 西华大学硕士学位论文 方案，其目的是为最后的诊断决策提供依据； ( 3 ) 设备远程状态的监测：在采集数据基础上实现各个采集结点之间，采 集结点与监控中心之间形成控制网络，使采集设备处于无人值守的自动全时段 工作状态，从而实现长期远程设备状态检测网络【2 刮。 传统的电子测量仪器、测试系统由“信号采集”、“数据处理与分析”和“处理 结果的最终显示”三部分组成，这三部分都是用电子线路来实现的，即都是采用 硬件来实现的。随着现代科学技术和生产的不断发展，测试项目日益增多，测 量范围日渐扩大，对测试系统在精度、速度及功能方面有了更高的要求，这就 促使我们要不断地改进和完善测量仪器和测试方法，组建自动测试系统，使测 试仪器逐步向智能化、自动化和虚拟化发展演型7 引。 智能仪器是将微处理器置入测试仪器，使其能进行自动测量，并具有一定 的数据处理能力。它的全部功能都是以硬件( 或固化的软件) 的形式存在，并 通过键盘和鼠标来实现。近年来的一些智能仪器由于语音技术的应用实现了测 量结果的自报功能，有的增加了触摸屏功能，但无论是开发还是应用，都缺乏 灵活性。 随着计算机技术、数字信号处理技术的进步，实现各种信号处理功能的软 件算法精度越来越高，速度越来越快，在仪器的“数据处理与分析部分：，用软 件代替硬件成为可能 9 , 1 0 】。同时“处理结果的最终显示”原本就是计算机的“长 项”。这样，把传统仪器的后两部分用计算机软件来实现，而不再采用硬件来实 现，就形成了所谓的虚拟仪器。虚拟仪器与传统仪器的根本区别在于它是一种 功能意义上的仪器，是传统仪器观念的一次巨大变革。 1 2 国内外现状和发展趋势 嵌入式数据采集系统作为一种新的设备故障诊断模式，己跨入了现代企业。 它的服务对象是工业现场的生产，所采集的是设备运行的状态信息、工艺参数、 数据等故障诊断所需的信息。 作为- - l - j 交叉领域应用的新方向，尽管目前批量生产稳定的嵌入式数据采 集系统的厂商还不多见，但国内众多院校科研机构都己纷纷进行了许多探索和 尝试，一部分己在应用于实际项目，但其中有些在分析和检测功能仍然有限， 西华大学硕士学位论文 在某些方面仍有待改进。 虽然成熟的产品尚不多见，但是目前市面已经有众多厂家提供了基本的设 计方案和架构模板，其中主要有三种主流系统结构：单片机结构，以a r m 为 核心，配合数据采集设备的单核结构，以及最近引起大家关注的以a r m 和d s p 双处理器为核心的“双核”系统结构。 其中单片机结构出现最早，也曾因其良好的便携性，较低的开发难度和生 产成本而被各个领域所广泛采用。但随着嵌入式数据采集应用的不断深入，用 户需求的不断提高，单片机结构的缺点也逐渐暴露出来：首先功能简单，只能 作为简单的采集设备，无法在现场对数据进行任何复杂处理和分析，这对于某 些工业安全需求较高，对数据较敏感的领域而言是致命的缺陷；其次由于没有 完善的数据管理和电源管理等模块，使得系统的耐用性和稳定性不足，采集的 数据可能无法送回处理终端；另外枯燥繁琐的用户界面，贫乏的软硬件资源等 缺陷也使得单片机数据采集系统逐渐的退出嵌入式数据采集的主流行列，而被 新的产品所替代这一趋势成为必然。 作为数据采集的另一种方案，上位机处理器与数据采集系统模块化分离的 结构，如本文即将使用的a r m + 数据采集，其特点是系统部件之间模块化程度 高，耦合性小，移植性强等，缺点是部件之间通讯需要自主实现，提高了软件 开发的要求，并且系统性能受软件影响较大。 用于数据采集的另一种结构，是将上位机处理器与数据采集系统从硬件层 面进行整合，从而达到“双核”的目的，常见于德州仪器新研发的o m a p 以及 d a v i n c i 等处理器，其核心理念是在一块硅片上无缝地集成了一个以a r m 精简 指令集处理器为核的软件子结构，以及一个高性能，超低功耗地t it m s 系列 数字信号处理器，且为二者开辟了共享地存储结构，以方便数据交换。在该构 架中，r i s c 处理器主要用来实现对整个系统的控制，包括运行操作系统，界面 控制，网络控制和d s p 数据处理控制等；d s p 子系统则主要用来实现各种数据 的高效处理【l 引。 此类方案自体系结构层面突破了原有的模型，提高对了硬件设计的要求， 能够从根本上提高系统工作效率和性能，并且对于通过底层驱动彻底屏蔽了 d s p 和a r m 双核之间交互的过程，使得软件开发人员不必关心具体硬件细节， 4 西华大学硕士学位论文 通过对数据流的操作便可编写高效的代码；但缺陷是目前软件技术尚未成熟， 操作系统移植工作量和难度极大，并且系统可移植性差，“双核”之间通信效率 也成为系统整体性能瓶颈1 1 卜1 4 j 。 国外微电子技术、计算机技术、测控技术和数字通信技术的飞速发展，使 国外瞬态数据采集分析技术已经较初期有了很大的发展。主要的发展可以概括 为功能多样，体积减小和使用方便等三个方面。国外的瞬态数据采集分析仪存 储容量大，它既是一台瞬态数据采集仪，又是一台功能较全的机器状态分析仪， 不仅有常用的时域分析和频域f f t 分析，而且还可以做倒谱、细化、包络谱和 时频域分析等功能，元器件高度集成化，并减轻机器的重量；采用防水、防撞 击的密封外壳，能适应恶劣的工业环境。运行平台以及编程软件已经由最初的 使用汇编语言对单片机编程过渡到在嵌入式操作系统上使用高级文本编程语言 和图形化编程语言编程，并且国外嵌入式操作系统也已经从简单走向成熟，主 要有v x w o r k s 操作系统，l i n u x 操作系统以及w i n d o w sc e 操作系统等。 在我国；瞬态数据采集分析仪的发展水平与国外相比，在技术上仍然存在 着一定的差距，国内瞬态数据采集分析仪的内存不够大，瞬态数据采集分析仪 本身的信号处理功能不强，在现场只能做一些简单诊断，精密诊断需要离线到 计算机上去做，现场精密诊断功能较弱。国内大部分的软件开发公司已经使用 嵌入式平台开发瞬态数据采集分析仪器，使用的嵌入式操作系统主要有两种， 一种是以嵌入式l i n u x 作为操作系统。另一种是微软公司推出的w i n d o w sc e 操作系统，使用大家熟悉的v c + + 环境，由于w i n d o w sc e 拥有多线程、多任 务、确定性的实时、完全抢先式优先级的操作系统环境，专门面向只有有限资 源的硬件系统。同时它的模块化设计方式使得系统开发人员和应用开发人员能 够为多种多样的产品来定制它，使w i n d o w sc e 操作系统逐渐的被更多用户所 接受。 在嵌入式l i n u x 与w i n d o w sc e 两种嵌入式操作系统下，编写瞬态数据采集 分析仪器应用程序的工具软件主要有c c + + 、e v c 、j a 、，a 等文本编辑语言与 l a b v i e w 等图形化编程语言。文本式的编程语言编程的速度远远不及l a b v i e w 等图形化编程语言的速度，更没有l a b v i e w 等图形化编程语言的编程界面直 观，国外很多高级实验室与项目都是用l a b v l e w 等图形化编程语言来实现的， 西华大学硕士学位论文 文本编程开发工具由于缺乏固有的语义结构而不能实现并行，但是图形化代码 可以处理并行任务，并且效率很高。嵌入式平台的开发工具都在朝图形化方向 转变，完全的图形化编程语言具有足够的灵活性和功能，图形化编程是嵌入式 市场需要的一种革命性的转变。在未来随着设计工具的不断发展与更新换代， 高水平的图形化开发工具将用于嵌入式系统的算法设计和仿真、快速的原型设 计和定制实现。 嵌入式平台与图形化编程语言相结合来设计瞬态数据记录分析仪的应用程 序，能够大大的缩短整个设计的时间，使新产品能更快的面世，获得更大的经 济效益。在嵌入式平台上更加高效的开发高精度、高速、低功耗、功能全面、 便携式、网络化的瞬态数据记录分析仪成为未来发展的趋势。 1 3 课题的意义 在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性是十分显著的。它是计算机 与外部物理世界连接的桥梁。它在现代信息领域发挥着重要作用，是信息产品 不可或缺的重要组成部分。 由于瞬态数据记录分析仪应用范围越来越广泛，对计算速度、采集精度、 功耗、可移动性都提出了更高的要求，所以很多瞬态数据记录分析已经由单片 机转向了嵌入式平台。嵌入式系统具有成本低、功耗低、软件代码小、高度自 动化、响应速度快等特点，可以满足对瞬态数据记录分析仪的更高要求，同时 配合使用拥有多线程、多任务、确定性的实时、完全抢先式优先级的w i n d o w s c e 作为嵌入式的操作系统，通过系统开发人员和应用开发人员对w i n d o w sc e 操作系统的裁剪定制，使瞬态数据记录分析仪在嵌入式操作系统上的运算速度 更快，实现更复杂的功能。 在嵌入式仪器上开发应用程序，使用图形化编程语言能够大大缩短产品的 开发周期，l a b v i e w 图形化编程软件软件具有直观简便的编程方式、众多的源 码级的设备驱动程序、支持多种多样的分析和表达功能等特点，使用l a b v i e w 软件编写程序的速度一般是文本编程开发工具的数倍，能够快捷地构筑所需要 的仪器系统，可以大大缩短嵌入式仪器的开发周期。 西华大学硕士学位论文 1 4 本文的主要工作内容与论文结构 通过本课题的研究，其目的就是使用l a b v i e w 软件，在w i n d o w sc e 操作 系统上，快速有效的设计一种基于嵌入式的瞬态数据记录分析软件。根据用户 设定的采样率、采样时长等采样参数，能够实时的显示数据的波形、频谱与功 率谱，还能将采集到的数据进行存储；设定系统待机时间实现低功耗；利用网 络接口实现p c 机对瞬态数据记录分析仪的网络化程控。 1 4 1 本文的主要工作内容 ( 1 ) 在嵌入式平台硬件资源有限的条件下，使用l a b v i e w 软件编写人机 交互界面，通过调用l a b v i e w 软件提供的外部接1 5 1 ，实现了软件与硬件的连 接，并使用l a b v i e w 自带的信号分析功能、文件操作以及网络通信等模块对 数据进行分析、存储与传输等操作。程序结构采用摩尔状态机结构与c a s e 结 构相结合的方式，不但实现了主界面与各个子界面的跳转，也解决了屏幕刷新 的问题，克服了硬件资源有限的弊端。 ( 2 ) 在p c 机上编写客户端人机交互界面，通过事件结构、主从结构以及 状态机结构的使用，实现了多波形显示、主副窗显示、特征值分析、下拉式菜 单等功能的设计，使程序能够多线程高速运行，提高了c p u 的工作效率。 ( 3 ) 使用l a b v i e w 软件的t c p f l p 通信模块函数，根据设定的网络传输 协议，用更少的程序代码，简明的程序结构，解决了p c 机客户端对嵌入式服 务器端的控制以及数据传递，实现了基于以太网的远程控制采集。 ( 4 ) 根据设计要求对仪器进行调试和测试，针对调试和测试中出现的问题， 提出了一些实际的解决措施。最后的测试结果基本达到了设计要求，并给出了 主要的测试结果。 1 4 2 论文结构 论文的文章结构为： 第一章：绪论：本章主要介绍了本课题相关领域的背景知识，发展现状以 及课题的内容和意义，将理论基础与实际应用联系起来。 7 西华大学硕士学位论文 第二章：嵌入式瞬态记录分析仪的系统设计：本章从宏观角度，研究了该 系统的整体架构，模块划分以及软硬件的选型，分析了本方案的软硬件相关设 计架构，介绍了嵌入式瞬态记录分析仪的硬件构成，其中包括嵌入式平台的硬 件构成与数据采集卡的硬件构成。 第三章：嵌入式瞬态记录分析仪的软件设计：本章着重介绍了在嵌入式平 台上的软件设计，从软件的总体结构、各个功能模块的设计以及软件与硬件的 接口问题。 第四章：客户端软件设计：本章介绍了在p c 机平台上编写客户端程序， 由于嵌入式平台与p c 机平台硬件资源的不同，着重介绍了客户端程序对数据 的显示、分析等操作，通过多曲线、多窗口显示模式，对数据特征值的计算等 功能，使数据分析更加透彻。在程序的结构方面，主要由主从结构、事件结构、 状态机结构组成，实现了多线程高速运行，提高了c p u 的工作效率，避免了轮 询导致的c p u 浪费，避免丢失事件。 第五章：网络程控程序设计：本章使用t c p i p 协议，使服务器端与客户端 建立连接，通过发送接收命令，传输数据等功能，实现客户端对服务器端的远 程控制。 第六章：测试与调试：针对软件设计实现时发现的问题，进行了研究与解 决，最后使软件的功能达到了预期的效果。 第七章：总结与展望：本章对本课题以及论文进行了归纳性的总结，指明 了软件的可扩展性，同时也对这一研究方向进行了展望。 8 西华大学硕士学位论文 2 基于以太网的嵌入式瞬态记录分析仪的系统设计 本课题从系统整体架构的角度，研究分析了基于以太网的嵌入式瞬态记录 分析仪系统的软硬件组织结构。整个系统的构成如图2 - 1 所示，包括了两个部 分：第一部分，嵌入式瞬态记录分析仪，即可以单独工作，对待测物理量进行 采集、显示、分析及保存，第二部分是p c 机网络程控软件，网络程控软件通 过以太网发送命令对嵌入式采集器进行远程控制，实现对待测物理量的采集与 传输，使用更专业的数据分析软件进行分析。 、j | | 黛 待测物理量= 二：7l _ ，l 、 jl ：i 兰l j 、f 、_ i - 一 禽：勾 f i g u r e 2 - 1 t h eo v e r a l lc o m p o s i t i o no f e m h d d e d w a n s i e n tr e c o r d i n g a n a l y z e rs y s t e mb a s e d o n e t h e r e c t 图2 - 1 基于以太网的嵌入式瞬态记录分析仪系统整体组成 21 嵌入式瞬态记录分析仪总体概述 作为一代比较成熟的嵌入式数据采集系统，a r m + 数据采集器的系统目前 正作为主流出现在各个应用现场。它既使用了操作系统，实现了真正“系统”的 意义，弥补了单片机结构所带来的各种缺陷，满足了应用的需求，又克服了硬 件结构过于复杂引起的大工作量开发，并通过实践验证，是目前比较合理的一 种架构方案。以下是本课题所使用的硬件结构，如图2 - 2 所示： 西华大学硕士学位论文 以太网接口 面板按键 卜 勺 精 八 。 入 简 数据采集卡 苫 p c i 0 4 总线精简i s a 总。一、 历 嵌入式模块 a 线转接板 e m 9 0 0 0 叫 总 总 线 线 卜、 y 电源管理模块 h 、 l c d y f i g u r e2 2 s k e t c hm a po fe m b e d d e dh a r d w a r es t r u c t u r e 图2 - 2 嵌入式硬件结构示意图 该设计方案按物理结构分为硬件与软件两部分，但按功能模块划分，则可 大致分为系统主板、数据采集卡、总线转接板、底层软件、操作系统以及应用 程序几个大类。 本设计所采用的设计方案是以英创信息技术有限公司的e m 9 0 0 0 嵌入式模 块为基础，并对其进行修改和剪裁，挂接数据采集卡、总线转接板、电源管理 模块、以太网接口等模块，最终形成符合应用需求的系统板i i 弘川j 。 2 2e m 9 0 0 0 嵌入式模块硬件结构组成 e m 9 0 0 0 是一款面向工业自动化领域的高端嵌入式模块，其内核c p u 为 2 0 0 m h z 的a r m 9 2 0 t ，模块已预装正版w i n d o wc e5 0 实时多任务操作系统， 可直接使用m i c r o s o f t 提供的著名免费软件开发工具e v c ( + s p 4 ) ，在e m 9 0 0 0 上开发自己的应用程序。为了使仪器达到防水、防撞击，能适应恶劣的工业环 境，本课题没有使用外接鼠标，只通过六个按键对仪器进行操作。 e m 9 0 0 0 嵌入式模块的主要特点如下： ( 1 ) 人机界面：e m 9 0 0 0 带有l c d 专用接口，可直接与大多数数字t f tl c d 显示屏相接，支持6 4 0 x 4 8 0 、8 0 0 x 6 0 0 、1 0 2 4 x 7 6 8 等典型显示格式，针对终端 类型的应用，e m 9 0 0 0 提供了矩阵键盘、触摸屏、u s b 鼠标三种接口；而在软 1 0 西华大学硕士学位论文 件方面，与桌面w i n d o w s 操作系统一样w i n c e 也提供了强大的窗口图形功能， 应用程序可非常方便的实现包括汉字在内的各种字体显示、各种图形的操作。 总之e m 9 0 0 0 非常适合作为工业彩色智能终端的核心平台。 ( 2 ) 网络通讯：e m 9 0 0 0 带有一个1 0 0 m 以太网接口、4 个异步串口以及2 个h o s t 模式的u s b 接口，c a n 总线接口是e m 9 0 0 0 的可选功能。英创公司 为这些通讯接口固化了完整的标准低层接口驱动程序，用户可在w i n c e 平台 上通过标准的接口函数a p i 来操作各个接口的数据输入输出，其方便性如同在 标准w i n d o w s 环境中一样。 ( 3 ) 操作系统：e m 9 0 0 0 预装了微软的w i n d o w sc e 操作系统，w i n d o w sc e 是当前市场上最流行的实时多任务操作系统之一，用户可在e v c 集成开发环境 中，实现多线程的程序结构，同时在e v c 环境中，还可利用通过微软的远程调 试工具来了解程序在e m 9 0 0 0 的运行情况。 ( 4 ) 数据处理：e m 9 0 0 0 的c p u 为c i r r u sl o g i c 的e p 9 3 1 5 ，芯片内部实现 有硬件数学协处理器，因而具有较其他同类c p u 更强的数据处理能力，可完全 满足工控领域的常规处理需求。 ( 5 ) 数据存储：e m 9 0 0 0 为应用程序保留8 m b 板载f l a s h 空间，可满足 大多数应用的需求，对需要大容量数据存储要求的应用，e m 9 0 0 0 提供了固定 式的d o c 2 0 0 0 电子盘和可移动的u 盘两种数据存储方案。 ( 6 ) 扩展总线：具有可配置的精简i s a 总线。即e m 9 0 0 0 扩展总线的管脚， 可根据需要配置成完全的i s a 扩展总线；或完全的数字1 0 ；或总线和g p i o 混 合。通过这种柔性配置，使e m 9 0 0 0 的引出管脚能得到充分利用，从而帮助降 低用户系统的成本。 e m 9 0 0 0 的使用是以i c 器件的方式，插在用户的应用底板上，从而构成整 个应用系统的。与i c 器件类似，e m 9 0 0 0 的所有输入输出以及电源供电都是通 过在模块两侧的2 个i d c 4 0 双排插针( c n l 、c n 2 ) 和一个z i f 4 0 软带线插座 引出( c n 4 ) 。c n l 主要系统的通讯接口( 如以太网、异步串口、u s b 等) 和 矩阵键盘；c n 2 主要包括精简i s a 扩展总线、g p i o 以及+ 5 v 电源供电：c n 4 则主要是t f tl