（电子科学与技术专业论文）基于windows+ce车载监控系统及数据处理算法研究.pdf

基于w i n d m 、r sc e 下投雌控系统及数据处理算法研究 a b s t r a c t r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m m a i n l yr e a l i z e s r e a l - t i m ed a t ac o l l e c t i n ga n df a s t c e n t r a l i z i n g ，w h i c hp r o v i d et h em a t e r i a lb a s i sf o rf a u l td i a g n o s i st e c h n o l o g y w i t h d e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e m ，i n f o r m a t i o ni sp r o c e s s e di nl o c a l n o to n l ys y s t e m e f f i c i e n c yc a nb ep r o m o t e d ，b u ta l s om o n i t o r i n gq u a l i t ya n dr a n g ec a nb ei m p r o v e d f i r s t ，t h ep a p e rs t u d i e st h ee l e c t r i cc o n t r o ls y s t e mo fl a r g et r a c km a in t e n a n c e m a c h i n e r ya n dt h et e c h n o l o g yo fg p s ，g p r s ，c a n b u s c o m b i n i n gw i t ht a m p i n g m a c h i n e s w o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h eo v e r a l l d e s i g n o f l o c o m o t i v em o n i t o r i n gs y s t e m i nt h i ss y s t e m ，c a n b u si s a d o p t e dt oc o m m u n i c a t e w i t hd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e o p e r a t i n gd a t aa n dg p sd a t aa r ec o l l e c t e da n d p r o c e s s e d i nl o c a la n ds e n tt oc o m m u n i c a t i o n ss e r v e r t h r o u g hg p r sw i r e l e s sn e t w o r k t h e s y s t e ms e n d sd a t aa n dr e s p o n d st ot h ei n s t r u c t i o no fc o m m u n i c a t i o n ss e r v e r 。o p e r a t o r c a nr e m o t e l yc h e c kt h es t a t eo fd y n a m i c s ，w o r k i n ga c c u r a c y ，s a f e t y l o c k i n ga n d m a n a g et h ed e v i c e s w i n d o w sc ee m b e d d e dr e a l t i m eo si sp r u n e da n dc o n f i g u r e df o r t h e c o m p u t e r a st h ew i n d o w sc es t a r t su p ，t h ep r o g r a m m ea l s ol a u n c h e s a u t o m a t i c a l l y s o f t w a r e i s p r o g r a m m e db ye v c ，a n dm u l t i t h r e a dt e c h n o l o g yi s a d o p t e dt oi m p r o v et h er e a l t i m eo ft h es y s t e m m e a n w h i l e ，as i n a i ld a t a b a s ei sb u i l tt o s t o r et h ed a t ai no r d e rt oc o n t i n u et r a n s f e r r i n gd a t at oc o m m u n i c a t i o n ss e r v e ra f t e rt h e w i r e l e s sn e t w o r kr e s t o r e d a c c o r d i n gt r a c kl i n i n ga n dl i f t i n gl e v e l i n gt h e o r y , t h ep a p e rb u i l d st h em a t h m o d e lo ft h r e e p o i n tt r a c kl i n i n ga n dt r i a n g l eh o l e t h i sa l g o r i t h mi sf u l f i l l e db y s o f t w a r e c u r v e sw h i c hs h o wt h ec o n t r a s tb e t w e e nt h e o r ya n da c t u a lv a l u ec a ng u i d e w o r k ，s a v et i m ea n dc h e c ko u tt h eq u a l i t yo fw o r k ，s oc r e d i b l ed a t ai sp r o v i d e df o r t r a c ks e c u r i t y t h em o d e lo ft h r e e - p o i n tt r a c kl i n i n g r e p l a c e sa n ds u r p a s s e st h e r e c o r d e r ，b r i n g i n ge c o n o m i ca n dt e m p o r a lb e n e f i t a s s o c i a t e dd e b u g g i n gi sd o n eb ys i m u l a t i n gt h er e a ls i g n a lo ft a m p i n gm a c h i n e a f t e rt h es y s t e mw a sa c c o m p l i s h e d h a v i n gb e e nt e s t e di nf i e l d ，t h es y s t e mi si m p r o v e d a n da l lk i n d so ff u n c t i o n sa r er e a l i z e d t h r o u g hl o n g t i m es t e a d i l yr u n n i n g ，i t sp r o v e d t h a tt h ef l i mi sr e a c h e d k e y 7 0 r d s ：l o c o m o t i v em o n i t o r i n gs y s t e m ；t h r e e p o i n tt r a c kl i n g ；g p r s ；c a n b u s ； w i nc e ； i i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。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后果由本人承担。 作者签名：倘鳓 刚刁杉胁日 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。本人授权湖南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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：以凰也锡 日期： 导师签名：潲 日期： 年歹月弓习e 1 年【月如日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 近年来我国铁路发展从以往慢吞吞小步蹒跚转变为跨步前行，前后六次大的 提速是适应我国当前经济发展形势的必然举措。因此，列车对线路的质量提出更 高的要求，大型养路机械车便应运而生。机械化维修列车一般由捣固车与石渣回 填整型车、动力稳定车配套作业组成，简称m d z 机组。使用m d z 机组进行线路 维修作业可以较大提高线路质量，加快作业速度。该类机械作业1 小时，相当于 1 8 0 名养护工人一天的手工作业量。作业后线路的容许机车速度可以有较大提高， 同时可以减少列车慢行次数。 由于m d z 机组必须封闭线路施工，并且在规定时间内完成作业，及时离开封 锁线路区间，否则将导致线路上其它列车晚点，继而造成巨大经济损失和不良影 响，因此迫切需要车载监控系统实时监控机车的设备状态，检查车辆动力作业精 度，安全锁定等设备状态，及时发现隐藏的问题，防止传动系统受到损害，节省 设备维护费用，避免在作业中发生故障，延误作业时间。利用监控系统在m d z 机 组中推行经济高效、先进合理的状态维修，达到提高车辆的维修质量、提高车辆 检修效率的目标。不仅如此，监控系统还可以在作业的同时利用自主研发的专业 测量算法实时绘制作业曲线，并可与预先绘制的理论曲线相比较，不仅可以指导作 业、检验作业质量、提高作业效率、缩短作业时间还可以节省记录仪等设备，节 约设备采购费用。 随着铁路的发展，m d z 车组逐步走出局与局、地域与地域的限制，进行大规 模的集中修，实现了大型养路机械车跨局施工。系统通过g p r s 无线网络实时上 传的车况数据和g p s 数据，使得管理人员可以远程掌握m d z 机组的作业情况与所 处线路位置，有利于对远在外局的机车设备和工作质量进行管理。 综上所叙，车载监控系统具有指导操作、查找故障功能，有效节省了设备故 障处理、线路返工时间，提高了天窗利用率，产生明显时间、质量效益。系统的 远程上传功能实现了对设备和工作质量进行远程管理。监控中心可以集中监控、 集中管理、集中维护。系统解决了施工与运输的矛盾，保障了列车的安全快速施 工，促进大型养路机械车的科学管理，为推进铁路技术进步及改革发挥了重要作 用。 基于w i n d o w sc e 车载监控系统及数据处理算法研究 1 2 课题的技术概况 随着移动通信网络技术与嵌入式系统的飞跃式发展，二者的结合催化出远程 监控系统的突飞猛进，在各个领域得到广泛的应用。它的发展给各种车载监控系 统运行、监视、控制提供了新的技术手段。本文从嵌入式系统的设计出发，把嵌 入式的基本原理、方法应用到车载终端监控系统中来，结合g p r s 、g p s 、c a n b u s 技术，保证了数据采集和传输的实时性，最终开发出具有良好扩展性和便于移植 的车载监控系统。 嵌入式系统的软件一般由操作系统和应用软件组成。但这并不意味着所有的 嵌入式系统都必须使用操作系统平台，是否需要嵌入式操作系统必须根据实际需 求确定，因为可以代替嵌入式操作系统调度任务及分配资源的方法还有许多。从 一般意义上讲，嵌入式系统的软件是指系统中协助硬件完成任务、实现系统功能 的所有程序的集合；在嵌入式系统中软件与硬件间的关系是非常密切的，甚至在 使用嵌入式操作系统后仍是这样。嵌入式系统应用中经常会遇到实时、多任务要 求，为了满足这些要求产生了实时嵌入式操作系统川。 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式应用的操作系统软件，它是嵌入式系统( 包 括软、硬件系统) 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、图形界面及标准化浏览器等。嵌入式操作 系统具有通用操作系统的基本特点，如能有效管理越来越复杂的系统资源；能够 把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来；能够提 供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。与通用操作系统相比较，嵌入式操 作系统在系统实时高效性、硬件相关依赖性、软件固态化以及应用专用性等方面 具有较为突出的特点。系统采用的w i n d o w sc e 是一种针对小容量、移动式、智 能化、3 2 位、连接设备的模块化实时嵌入式操作系统。它针对掌上设备、无线设 备的动态应用程序和服务提供了一种功能丰富的操作系统平台。由于其w i n d o w s 背景，界面比较统一，大多数w i n d o w s 应用程序经过移植后就可以运行在w i n d o w s c e 平台上【2 1 。 控制器局部网( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ，简称c a n ) 是一种有效支持分布式 控制或实时控制的串行通信网络。它是一种多主总线系统，实时性好，具有很强 的纠错能力，可在抗高噪声干扰的环境中使用，因此，在自动电子领域的汽车发 动机控制部件、传感器、抗滑系统、信号传输等方面得到广泛应用。同时也是所 有现场总线中价格比较便宜、开发手段比较简便的一种现场总线技术【3 1 。 通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，简称g p r s ) 是在现有g s m 网络上发展出来的种新的分组交换数据应用业务，与传统的g s m 电路拨号交换 相比，g p r s 在资源利用效率、交换容量和性能上都有一个质的飞跃。目前中国移 2 硕士学位论文 动的g p r s 覆盖范围在中心城市几乎达到了1 0 0 ，在边远地区也达到了8 0 以上， 实际应用带宽大约在2 0 - - 4 0 k b p s ，特别适合像金融交易、远程监测等行业各种中 低速率的突发通信需求，取代过去传统的有线m o d e m 、x 2 5 、数传电台、短信等 通信方式。g p r s 无线网络具有数据传输速率高、“永远在线 和费用低等特点。 全球卫星定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，简称g p s ) 可以为全球各地 固定式移动用户提供移动点的二维坐标( 即经度、纬度) ，还可以提供速度和时间 信息，具有全球性、全天候、精度高、连续、准时等特点。最初用于导航、收集 情报等军事领域。随着科学技术的飞速发展，g p s 广泛应用于对移动目标的定位， 现已推广到大气探测、环境遥感监测、地图测绘、特殊车辆监控等民用领域【4 1 。 1 3 本文的主要内容 本文研究的内容主要包括以下五个方面： ( 1 ) 车载监控系统整体框架的设计。车载监控系统的设计开发工作主要包括系 统总体结构的设计，数据采集总线的选择，硬件模块的选择。 ( 2 ) 嵌入式操作系统w i n d o w sc e 的定制。嵌入式操作系统的定制包括内核文 件n k 的定制，自制平台s d k 的导出和应用程序的自启动。 ( 3 ) 车载系统与通信服务器的通信。与通信服务器的通信主要包括通信协议的 制定，数据包的封装与解析，与g p r s 模块的通信以及与服务器通信出现故障后 的处理。 ( 4 ) 数据采集与处理算法研究与软件实现。数据采集与处理算法包括基于实时 性和有效性的可变速率数据采集与传输算法，三点式拨道算法，三角坑检测的算 法。前者对节约流量，加快数据发送效率具有显著影响，而后两者对指导工作人员 作业，检验作业质量具有重要意义。 ( 5 ) 操作界面的设计。操作界面实现人机交互功能。人性化的界面能减少不必 要的操作，让操作人员迅速上手。用户可以选择在车载电脑上输入参数，也可以 选择从u 盘读取预先在通用机上输好的参数。界面上除了显示工况数据、作业曲 线的理论值，还显示g p s 信息，例如经度、纬度、速度等，并以曲线的形式将运 用三点拨道算法计算出的理论值和实际作业值对比，在超出安全值和出现三角坑 时提醒操作人及时返工，加快作业速度。 矍圭兰：尘兰! ! 圣彗些堡量堑兰鍪量竺呈量童望些 第2 章系统总体方案设计 2 1 系统的总体框架 g p 旺星，l i 二一 。 终端 丁 终端 ： 终端 图2 1 系统整体框架图 车载监控系统主要由负责运算和主控的平板电脑、c a n 模块、g p s 模块、g p r s 模块等部分组成，其采集的数据经由通信服务器实时分发至各终端，实现终端对 车载机的远程监控，如图21 所示。作为车载系统控制核心的平板电脑与c a n 适 爹 篙 配器、c a n 数据采集模块组网实现数据采集功能，其结构如图22 所示。平板电 幢 以太网 c a n 总线 耋：f 4 、 从站 p 小 从站 图2 2 c a n 总线系统图 脑通过c a n 适配器完成t c p i p 与c a n b u s 之问的协议转换，然后通过c a n b u s 与各个c a n 模块建立连接后便可以实时采集机车的电源、机油压力、正矢量、水 平量、作业里程等各种模拟量、开关量和脉冲量，同时可以向各个c a n 模块发出 控制指令。平板电脑在通过c a n 总线采集工况数据的同时，还利用串口获取g p s 模块接收来自g p s 卫星的时间、机车所处的经纬度、机车行驶速度等信息。平板 电脑将所有采集的数据进行融合和处理后，以文字、图形、曲线等各种形式将工 况数据、g p s 数据及报警信息实时显示在触摸屏上。机车当前的状态、作业质量 g p r s 模块 图23 无线组网拓扑图 通信服务器 震 酸夕 眵一 錾 创一划 基于w i n d o w s c e 载境女镕处理算* 研究 曲线与理论曲线的差别以及出现的问题、故障等都一目了然。操作人员可凭借触 摸屏进行人机交流，方便直接地操作。g p r s 模块是车载电脑与通信服务器之间的 纽带，平板电脑通过串口定时将处理好的数据从g p r s 模块发送至通服务器，并 及时响应通信服务器的指令。在实际运行中，多套车载系统通过g p r s 模块访问 g p r s 无线网络，然后进入i n t e r a c t 与通信服务器构成分布式数据采集系统，其拓 扑图如图23 所示。 鉴于铁路大型养路机车作业环境恶劣，因此选用研华的抗震性，抗干扰能力 俱佳的车载平板电脑t r e k 7 5 6 作为运算和主控设备，如图2 4 所示。它具有体积 图2 4 平板电脑 小、低功耗、高性能、高可靠、高防震性等特点，适应宽温环境下工作，集成i n t e l u l vc e l e r o nm6 0 0m h z 处理嚣，采用无风扇设计符合v e s a 标准，可适应多 种电源，如：1 2 、2 4 和4 8 v d c 电源( a c 电源可选) ，可以将用于无线通讯的 w l a n 、g p s 、g p r s 等模块集成到电脑中，适用于实时的数据交换和通信，支持 嵌入式操作系统( w i n c en e t5 0 w i n x pe m b e d d e d ，l i n u x ) 。在机器顶部集成了天 线接口，可以外接天线。它的触摸屏便于人机交互，不需要安装键盘鼠标，节省 了车上本已局促的空间。平板电脑外围包含丰富的接口便于以后的功能扩展通 过u s b 接口可快速便捷更新程序与配置文件等，并且内置微硬盘，便于存储历史 数据1 5 1 。 2 2 基于c a n 总线的数据采集系统 2 2 1c a n 总线技术 c a n 属于现场总线的范畴，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通 信网络。它是一种多主总线系统，理论上，单元数目是无限的，实际的单元总数 受限于延迟时间或者总线的电气负载。c a n 的应用范围遍及从高速网络到低成本 的多线路网络。c a n 的基本设计规范要求有较高的位速率、高抗电磁干扰性，而 且能够检测出网络中产生的任何错误。c a n 通信速率最高可达1 m b p s 此时最长 通信距离为4 0 米；当信号传输距离达到l o g a n 时，仍可提供高达5 0 k b i t s 的数据 硕卜学位论文 传输速率。c a n 总线的通信实时性强，它的数据传输速率可高达1 m b p s ，并且各 节点使用相同的位速率。因此，在自动电子领域的汽车发动机控制部件、传感器、 抗滑系统、信号传输等方面得到广泛应用【6 ，7 1 。 c a n 总线的通信介质可以是双绞线、同轴电缆或者光导纤维，最常用的双绞 线，通过标准的插接件能够方便的连接。信号使用差分电压传送，两条信号线被 称为“c a nh ”和“c a nl ，静态时均是2 5 v 左右，此时状态表示为逻辑“1 ”， 也可以叫做“隐性 。用c a nh 比c a nl 高表示逻辑“0 ”，称为“显形， 此时，通常电压值为：c a nh = 3 5 v 和c a nl = i 5 v 。 由于c a n 采用了许多新技术及独特的设计，与一般的通信总线相比，c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。 2 2 2c a n 总线特点 c a n 总线的特点可以概括如下： ( 1 ) c a n 为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻向网络上的其它节 点发送信息，而不分主从，通信方式灵活。利用这一特点可方便构成多机备份系 统。 ( 2 ) c a n 采用非破坏性总线仲裁技术，将网络上的信息分成不同的优先级，当 多个节点同时向总线上发送信息时，优先级较低的节点会主动退出发送，而高优 先级的节点可以不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间， 尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况。 ( 3 ) c a n 只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方 式传送接收数据，无需专门的“调度 。 ( 4 ) c a n 上的节点数可达11 0 个，报文标识符可达2 0 3 2 种( c a n 2 0 a ) ，而扩展 标准( c a n 2 0 b ) 的报文标识符几乎不受限制。 ( 5 ) 采用短帧结构传输时间短，受干扰概率低，具有很好的纠错效果。每帧字 节数最多为8 个，可满足通常工业领域中的控制命令、工作状态及测试数据的一 般要求。同时，也不会占用过长的总线时间，从而保证了通信的实时性。 ( 6 ) c a n 的每帧信息都采用c r c 校验及其它检错措施有效地降低了数据的出 错率。 ( 7 ) c a n 总线通信接1 ：3 中集成了c a n 协议的物理层和数据链路层功能，可完 成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判 别等多项工作。 ( 8 ) c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能以使总线上其它节 点的操作不受影响【8 1 。 7 基于w i n d o 啪c e 乍辊n 控系境及敷据* m 算法研究 2 2 3c a n 总线系统的构成 c a n 主要由主控平板电脑，c a n 适配器( 型号为c a n n e t ) 和若干c a n 模 块组成。其中c a n 模块采用单电源供电，供电电压为+ 1 0 v 一+ 3 0 v d c ，电源具有极 性反接保护功能。c a n 控制器采用p h i l i p ss j a l 0 0 ，c a n 收发器采用p h l i p s p c a 8 2 c 2 5 l ，通信协议符合c a n 协议规范v 20 版，功能模块示意图如图25 所示。 匪2 5c a n 数据采集模块示意田( 实倒为i e a n 4 0 5 0 ) c a n 功能模块主要分为以下三种： ( 1 ) 脉冲量采集模块( 型号为i c a n 7 4 0 8 ) 用于外部脉冲计数，具有4 路3 2 位脉 冲计数嚣和4 路计数器使能控制。计数脉冲最小宽度为5 0j _ t s ，支持计数值定时循 环传送及计数器溢出报警。定时循环传送时间间隔最小为1 0 m s 最大为25 s 。其 额外的8 通道数字量输出通道类型为集电极开漏输出最大负载电压+ 3 0 v ，最大 负载电流3 0 m a ，既可作为指示计数器溢出标志也可由用户自行控制。模块工作时 周期性低采集输入通道的电平值，经过跳变判决及滤波转换为脉冲数目通过c a n 总线通讯将计数值传回至网络中的主控设备，印本系统中的平板电脑。该模块所 采集的信号为车轮转动时传感器所采集到的光电脉冲。 ( 2 ) 模拟量采集模块( 型号为l e a n 4 0 1 7 ) 用于采集模拟虽输入信号具有8 路 模拟量输入通道，1 6 位a d 转换分辨率，转换速率为2 次每秒，每次8 通道。输 入信号的范围为：1 0 v ( 默认) 、5 v 、25 v 、l v 、5 0 0 m y 、1 5 0 m v 。模块对 输入信号采取低通滤波、过压保护。模块在工作时将输入的电压信号或者电流信 号经多路开关、a d 转换后经光耦隔离模块送入单片机，通过c a n 总线将输入的 模拟量信号状态传回至网络中的主控设备。该模块所采集的信号主要包括电源信 号、作业的指标参数，如起道量、拔道偏移量、捣固深度给定等。 ( 3 ) 开关量采集模块( 型号为i c a n 4 0 5 0 ) 用于采集开关量输入信号，并提供开 关量输出信号，具有8 路开关量输入通道和8 路开关量输出通道。开关量输入信 号的高电平范围：+ 3 5 v - 一- 3 0 v ，低电平范围为：+ l v 。开关量输出信号为集电极 开漏输出最大负载电压为+ 3 0 v ，电流3 0 m a 。模块在工作时，将输入的电压型开 关量信号或者无源触电信号经过调理后，传输至单片机进行处理，通过c a n 总线 将输入的开关量信号传回至主控设备。该模块所采集的信号包括：机车行进方向、 作业装置未到位报警、滤油器堵塞、发动机故障等。 c a n n e t 是实现平板电脑与c a n 总线系统连接的接口，内部集成了c a n b u s 接口、e t h e f n e t 接口以及t c p i p 协议栈，可以轻松完成c a n b u s 与e t h e r n e t 的 互联互通，拓展c a n b u s 刚络的应用范围，其示意图如26 所示。它采用3 2 位 a r m 7c p u ，集成1 0 0 m 以太网接口。以太网端采用l5 v 电磁隔离。c a n b u s 最 大波特率为1 0 0 0 k b p s ，从速率与稳定性上考虑系统采用5 0 0 k b p s 。它的功率低， 输入电压为3 0 1 2 v d c ，最大工作电流7 5 m a 。支持t c p i p 协议包括：e t h e r n e t 、 a r p 、i p 、i c m p 、u d p 、p h c p 。采用u d p 工作模式，转换速率非常高，c a n b u s 收发可达到4 0 0 0 帧每秒以上的速度， 图26c a n n e t 示意图 带c a n 适配器的平扳电脑在c a n 总线中相当于一个网络节点，而一般的 c a n 节点都是由微控制器系统组成的。根据节点的功能，分别完成某一节点的任 务如将传感器数据上传到总线上，或将网络中传来的控制数据输出到执行器来 控制该执行器的动作。c a n 是多主发送的网络结构，从c a n 的角度来看，无所 谓主节点和从节点的概念，但是在某些具体的应用中，为了系统的可靠性阻及整 体设计的考虑还是分主节点和从节点。和多数应用系统一样，平板电脑一般作为 系统的主节点。这种系统的原理是：主机负责监控各个从机，向从机发布命令， 并接受、处理从机传来的检测数据；从机执行主机的命令，输出开关量或向主机 传送监钡4 数据；c a n 接口电路负责各节点问的串行通信，两只1 2 0 欧的电阻作为 c a n 线路的匹配电阻。 2 3g p s 技术在本系统中的应用 2 3 1g p s 撅述 全球卫星定位系统最初主要用于军事领域。该系统是以卫星为基础的无线电 卫星导航系统，具有全球性、全能性( 陆地、海洋、航空与航天) 、全天候性、 连续性和实时性导航、定位以及授时的功能，为各类用户提供精密的三维坐标、 速度和时间，还可以用于情报搜集、核爆炸监测，应急通信和确定卫星位置等军 基于w i n d o w sc e 车载监控系统及数据处理算法研究 事目的。随着科学技术与经济的发展，g p s 目前已经广泛应用于军事领域和民用 领域，进入实用阶段。现代g p s 由三大子系统构成：空间卫星系统、地面监控系 统、用户接收系统【9 , 1 0 】。 2 3 2g p s 的基本组成 1 、空间卫星系统 空间卫星系统由均匀分布在6 个轨道平面上的2 4 颗( 2 1 颗工作卫星，3 颗备 用卫星) 高轨道工作卫星构成。g p s 卫星工作组网以保障全球任一时刻、任一地 点都可对4 颗以上的卫星进行观测( 最多可达1 1 颗) ，实现连续、实时地导航和 定位。 g p s 是单向测距系统，用户设备只要接收导航卫星发出的导航电文即可进行 测距定位，因此可容纳无限多用户。这种全球定位是3 维的，可以测你的位置、 高度和速度。 2 、地面监控系统 地面监控系统包括括主控站，监控站和注入站，主要负责对空间卫星系统进 行监测、控制，并向每颗卫星注入更新的导航电文。 3 、用户接收系统 用户接收系统主要由以无线电传感技术和计算机技术支撑的g p s 卫星接收机 和g p s 数据处理软件构成。 g p s 接收机：g p s 卫星接收机的基本结构是天线单元和接收单元两部分。天 线单元的主要作用是：当g p s 卫星从地平线上升起时，能捕获、跟踪卫星，接收 放大g p s 信号。接收单元的主要作用是：记录g p s 信号并对信号进行解调和滤波 处理，还原出g p s 卫星发送的导航电文，计算出信号在站星间的传播时间和载波 相位差，实时地获得导航定位数据或采用测后处理的方式，获得定位、测速、定 时等数据【1 1 , 1 2 】。 2 3 3g p s 在本系统中的应用 系统选用的是h o l u x 公司的g r 8 7 模块，如图2 7 所示。它采用s i r fs t a ri i l p 芯片解决方案，内建w a s s e g n o s 解调器，使用1 9 2 0 次频率的相关器，提升接 收传送和搜寻卫星信号能力，内置可充电备用锂电池存储历史信息，减少初次定 位时间，冷开机暖开机热开机的时间分别达到4 5 s 3 5 s 8 s ，可以同时追踪2 0 个卫 星信道。g r 8 7 模块改良了以往模块的计算理论，提升不良环境下的信号接收能 力和定位准确度。由于其使用b g a 封装，具有高性能、低功耗、小尺寸容易集成 到便携设备中的特点。它支持标准的n e m a 0 1 8 3a s ci i 码协议。平板电脑通过串 口与g p s 模块连接后，便可源源不断地从协议中提取出位置、日期、时间、速度、 方向角等信息。g p s 信息平均每秒更新一次。 1 0 图27g r 8 7g p s 模块 由于g r 一8 7 模块输出为t t l 电平，需要经过电平转换才能与平板电脑的串口 进行通信，其电路图如图2 8 所示。 图28g r 一8 7 与串口连接的电路图 g r 一8 7 利用初始数据，例如上次存储的位置、日期、时间和卫星轨道数据来 加快获取g p s 信息的速度。如果初始数据不够精确，或者上次存储的数据过于陈 旧，则g r - 8 7 模块需要更长的时间来捕获导航信息。一般情况下，模块不需要主 机干预，自动获取导航信息可以在以下情况下，最好还是需要主机初始化模块： 距离上次启动的位置超过5 0 0 公里； 由于电池失效，导致存储的数据出错。 2 4g p r s 技术在本系统中的应用 2 4 1g p r s 概述 g p r s 是g s m 移动电话用户可用的一种移动数据业务。它通过利用g s m 网 络中未使用的t d m a 信道，提供中速的数据传递。g p r s 突破了g s m 网只能提供 电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分 改造来实现分组交换，这种改造的投入相对来说并不算大，但得到的用户数据速 率却相当可观。g p r s 和以往连续在频道传输的方式不同，采用数据分组交换技术， 以封包( p a c k e t ) 的方式来传输，每个用户可同时占用多个信道，同一无线信道又可 以有多个用户共享，资源被有效的利用。因此使用者所负担的费用是以其传输资 摹十w l n d o 岬c e f # 控簸据n 理算研究 料单位计算，并非使用其整个频道，理论匕较为便宜】。g p r s 主要是在移动用户 和远端的数据网络( 如支持t c p i p 、x2 5 等网络) 之间提供一种连接从而给移 动用户提供高速无线i p 和无线x2 5 业务。 利用g p r s 进行数据传输具有如下的优点： ( 1 ) 接入范围广。g p r s 是在现有的g s m 网的基础上进行升级，可充分利用现 有全国范围的g s m 网络，可以方便、快速、低成本的为用户数据终端提供远程接 入网络的服务。 ( 2 ) 高速传输传输速率高，数据传输速度最高理论值可达1 7 12 k b p s ，是g s m 网络中电路数据交换业务速度的十几倍，最新的g p r s 业务的速度甚至可以达到 3 8 4 k b p s ，完全可以满足用户应用需求。 ( 3 ) 接入g p r s 网络的等待时间短、可快速建立连接，平均耗时两秒。 ( 4 ) 永远在线提供实时在线功能。“实时在线”或“永远在线”即用户随时与 网络保持联系，即使没有数据传送，终端也一直与网络保持联系，这将使访问服 务变得非常简单、快速。 ( 5 ) 切换自如。用户在进行数据传送时不影响语音信号的接收，数据业务和 语音业务的切换有两种方式：自动和手动，具体形式依据不同终端而定【i ”。 2 4 2g p r s 在本系统中的应用 系统的g p r s 模块选用是s a r o 公司的3 1 5 0 e p g p r s ，如图2 9 所示。它采用 低功耗高性能r i s c 嵌 式处理器，以实时操作系统为软件支撑平台，内嵌 e g s m 9 0 0 ，g s m l 8 0 0 无线网络模块，具备了通过g p r s 自动上线接入i n t e r n e t 的拨 号机制与自动上线注册机制。因此可以直接连接任何的带有串行接口的终端设备， 完成透明数据传输。现场的各种数据通过g p r s 模块上传给通信服务器。另外， 选用这款模块一个重要原因是其支持多服务中心的模式，可以同时向多台服务器 发送数据，便于数据备份、测试和调试。 围2 9g p r s 模块 车载系统与通信服务器之问的通信模式采用客户机服务器模式即c s 模式。 g p r s 模块相当于客户机，通信服务器自然是服务器。对于服务器来说，一台服务 器可以同时与多个客户端进行通信如图21 0 所示。通信服务器实时监听车载系 硕上学位论文 统发出的连接请求，通过三路握手方式建立连接。这时，二者就可以进行数据传 输，当完成数据传输后释放连接。因为在数据传输过程中，会进行数据的验证工 作，所以面向连接的服务能够保证传输数据的正确性。 图2 1 0c l i e n t s e r v e r 模型图 需要注意的是，在车载系统与通信服务器通信前需要设置好g p r s 模块，尤 其是心跳包的时间设置值得认真考虑。如果长时间没有数据通信，那么移动网关 将断开g p r s 模块与数据中心的连接。为了方便、快捷地访问网络，同时为了保 证与通信服务器进行实时通信，g p r s 模块应该保持永久在线模式，通常采取上电 自动拨号、定时向数据中心发送心跳包；支持断线自动重连、自动重拨号这些功 能，使得g p r s 模块具备永久在线功能。采用心跳包保持永久在线时，存在一个 心跳包时间设置为多少比较合适的问题。如果心跳包时间太短了，那么由g p r s 模块发送的心跳包由于网络延迟，数据中心没有及时接收并反馈心跳包，则g p r s 模块就会判断连接断开，从而自动重连；相反心跳包时间设置太长，而这时没有 数据传输，那么移动网关将断开g p r s 模块与数据中心的连接。 最大时间间隔 图2 1 1 数据包分割图 g p r s 模块上电以后会根据设置的通信服务器i p 和端口号会主动去连接通信 服务器，一旦t c p 链路建立成功，g p r s 模块将即首次发送注册包，其中包含了 g p r s 模块的基本信息。当g p r s 模块与通信服务器在通信过程中，发生异常需要 自动重新拨号，也会重新连接通信服务器再发送注册包。通信服务器接收到注册 基于w i n d o w sc e 车载l 监控系统及数据处理算法研究 包后，就可以得到g p r s 模块所设置的i d 号、s 1 m 卡号、电信服务商分配的i p 地址。只有当通信服务器接收、分析完注册包后，才可以确认g p r s 模块与通信 服务器建立通信连接，接下来就可以进行稳定的、可靠地数据传输。 g p r s 模块的数据包长度的设置也颇为关键。在串口收到一个字节数据后，如 果在设定的帧间隔时间内没有收到新的数据，那么该字节之前的串口数据作为一 个数据包，下一字节数据作为下一个数据包的开始，如图2 1 1 所示。在g p r s 网 络中过大的数据包会增加传输延时，并且容易丢失，过短则浪费流量，所以应该 设置合理的数据包最大长度【5 】。经过反复试验、测试，数据包长度设置为5 1 2 个字 节比较合理。 1 4 硕十学位论文 第3 章w i n d o w sc e 平台定制 3 1w i n d o w sc e 概述 3 1 1w i n d o w sc e 简介 m i c r o s o f tw i n d o w sc e 是一个开放的、可裁剪的、3 2 位多任务硬实时嵌入式 窗口操作系统。和其他桌面版窗口操作系统相比，它具有可靠性好、实时性高、 内核体积小的特点。它是微软专门为信息设备、移动应用、嵌入式应用等设计的 基于w i n 3 2a p i 与处理器无关的嵌入式操作系统，具有丰富的通信协议及硬件支 持，对众多数字和模拟系统的连接性和互操作性也有良好的支持。另外，还包括 图形用户界面、w e b 浏览器以及用于通用和专用的其他服务。因此被广泛用于各 种嵌入式智能设备的开发、工业控制、信息家电、移动通信、汽车电子、个人电 子消费品等各个领域【1 6 ，1 7 1 。 典型的w i n d o w sc e 设备只有8 3 2 m 的r o m ，而w i n d o w sc e 的最小内核 只有5 0 0 k ，最小内核不仅可以处理进程、线程、同步对象等操作系统对象，而且 也可以读写文件、注册表和系统数据库，符合嵌入式设备有限资源( r a m 、r o m 、 存储器和处理能力) 的限制。并且w i n d o w sc e 被设计成为一种高度模块化的操 作系统，以适应不同类型智能设备对于操作系统映像大小的不同需求，系统设计 者可以根据设备的性质只选择那些必要的模块或模块中的组件包含进操作系统映 像。w i n d o w sc e 主要包括四个主要模块：内核( k e r n e l l 、图形窗口事件子系统 ( g w e s ) 、文件系统( f i l e s y s ) 和通信( c o m m u n i c a t i o n ) 模块。一个最小的w i n d o w sc e 系统至少由内核和文件系统模块组成。每个模块进一步划分为更小的组件，每个 组件代表模块的一种特征。当定制一个w i n d o w sc e 操作系统映像时，可以选择 每个模块中的组件【2 1 。 3 1 2w i n d o w sc e 的特点 w i n d o w sc e 具有以下特点： ( 1 ) 具有可靠的稳定性。w i n d o w sc e 可靠的操作系统服务保证系统可靠和持 久，有效地保护用户应用和数据。 ( 2 ) 支持嵌套中断。允许更高优先级别的中断首先得到响应，而不是等待低级 别的i s r 完成。当采用i s r 直接处理时，延时非常短，较长的延时通常发生在采 用i s t 方式处理中断事务的情况，调度系统保证在此种情况下的延时不超过1 0 0 h s 。 这w i n d o w sc e 具有嵌入式操作系统所要求的实时性。据g m p t g ( g e n e r a lm o r o r s p o w e rt r a i ng r o u p ) 的调查研究：l m s 定时周期的误差约为1 0 0 j _ t s ，在2 0 0 m h z 的 基于w i n d o w sc e 车载监控系统及数据处理算法研究 x 8 6 系统下可以期望达到5 0 i _ t s 。 ( 2 ) 应用程序内存限制比较严格。嵌入式设备的内存通常较小，用户可以调整 存储用的物理内存大小，也可以调整程序使用的内存的大小。当可用内存容量在 某一水平以下时，操作系统会要求应用程序释放它的一部分内存。因此，程序代 码应优化到尽可能少，程序越大，它所需要的加载时间就越长。较少的代码不仅 意味着更快