（电子科学与技术专业论文）嵌入式以太网在轮毂跳动量测量仪中的应用研究.pdf

a b s t r a c t i nt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft o d a y si tt e c h n o l o g y , t h ei n t e g r a t i o no fe m b e d d e ds y s t e m s a n de t h e m e th a sb e c o m ean e c e s s i t yi nt h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e m s i nt h i si s s u e ， t h em a i n 矗i mi st oi n t r o d u c et h ed e s i g no faw h e e lh u br u n o u tm e a s u r i n gi n s t r u m e n tw i t h e t h e m ai n t e r f a c e i nt h i sp a p e r ，t h ed e s i g no fw h e e lh u br u n o u tm e a s u r i n gi n s t r u m e n ti sb a s e do nn s 3 2 b i te m b e d d e dp r o c e s s o rl p c 2 3 6 8w h i c hb a s e do na r m 7 t d m i sc o t e ，t h ec o n t r o lo f r e m o t ei n f o r m a t i o ne x c h a n g eb e t w e e ne m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o rl p c 2 3 6 8a n dt h ec e n t r a l c o n t r 0 1r o o mi st h r o u g ht h ee t h e m e t e t h e m e th a r d w a r ei n t e r f a c ei sm a d eo ft h ee t h e m e t c o n t r o l l e ra n dp h y s i c a ll a y e rt r a n s c e i v e r ( d p 8 38 4 8 ) ，s e t t i n gl p c 2 3 6 8o n c h i p e t h e r n e t c o n t r o l l e rm o d u l e si n t e m a lr e g i s t e r sa n dt h ep h y s i c a ll a y e rt r a n s c e i v e rc a l lr e c e i v ea n ds e n d t l l ee t h e m e tf r a m et oa c h i e v en e t w o r kd a t at r a n s m i s s i o n e m b e d d e dt c p i pp r o t o c o ls t a c k i sr e a l i z e db yt h et r a n s f o r m e da n do p t i m i z e dl w l e k e yw o r d s ：e m b e d d e de t h e r n e t w h e e lh u bm e a s u r i n gi n s t r u m e n tt c p i p l p c 2 3 6 8 p r o c e s s o r 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，嵌入式以太网在轮毂跳动量测量仪中的 应用研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已 经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己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。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：丝立：坐至羔f ! 年立月盟日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使 用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀搏硕士学位论 文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件 和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编学位论文。 作者签名：氇l 堡i 业年立月谭日 指导导师签名： 年立月业日 1 1 课题的来源 第一章绪论弟一旱三；酉记 本课题来源于秦皇岛市戴卡轮毂制造有限公司与长春理工大学签订的生产线改造 项目一车轮轮毂跳动量全自动测量仪。该测量仪是一台用于在线测量各种机动车辆轮 毂轴向、径向跳动的自动检测设备，主要由高精度的主轴、简捷快速的自动装卡和定 位机械以及数字化的测量平台、中央控制室控制系统等组成。 1 2 研究的目的和意义 轮毂作为汽车上最重要的安全部件之一，不仅承受着汽车和载物质量的压力，还 承受着车辆在起动和制动时动态扭矩作用到轮毂上的压力，以及汽车在行驶过程中凹 凸路面、路面障碍物、转弯等来自不同方向动态载荷产生的不规则交变力。轮毂的内 在质量和可靠性不仅关系着车辆和车上人员物资的安全性，还影响到车辆行驶中的平 稳性、舒适性等性能，这就要求轮毂的尺寸和形状精度高、动平衡好、疲劳强度高”1 。 因此，需要有高质量的轮毂检测技术。 轮毂测量仪是一种智能化、自动化的检测设备，可完成轮毂轮辋外侧的轴向跳动、 径向跳动、直径检测以及谐波分析等功能，适用于各种规格尺寸，各种幅条形状以及 不同测量基准的轮毂检测。轮毂在测量轴上的定位误差，测量轴在旋转时的轴向窜动、 径向晃动；测头在移动后的重复定位误差，测头移动机构中的滚珠丝杆、光电编码器 和光栅尺的制造误差都会影响测量结果的精确性m 1 。因此，我们设计出一种全自动轮 毂跳动量测量仪，不仅保证轮毂检测结果正确有效，还可通过软件消除系统性误差。 当轮毂跳动量测量仪具有网络接入功能时，人们就可以随时随地浏览该设备的实 时状态信息，并可在远程对该轮毂测量设备进行监视、诊断、控制、测试等操作。使 用串口线对现场设备进行监控时，不仅传输速率较低、传输距离有限，而且由于接口 的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，同时接口使用一根信号线和一根信号返 回线，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。由此可见，若采用嵌 入式以太网，只需将嵌入式设备同以太网相连接，就能很方便的实现监控功能。其意 义如下【5 】： ( 1 ) 集网络服务器、信号转换、采样及t c p i p 通信功能于一体的监控设备，不仅结 构简单，而且体积微小，所以系统性价比更高； ( 2 ) 采用t c p i p 等网络协议，不仅可以高速传输大量数据，还可以传递声音以及图 像信息，可使控制更加人性化； ( 3 ) 协议公开统一，使用现成的网络资源，任意一种w e b 浏览器均可读取监控信息， 方便快捷。 1 3 国内外研究现状 我国是轮毂生产大国，戴卡轮毂制造有限公司n 2 0 世纪8 0 年代末诞生以来，年生 产能力可达1 5 0 万件，其产品不仅畅销国内市场，还出口至美，欧，日本等十几个国家 和地区。而与此同时，美，欧，日本等轮毂制造业也在蓬勃发展当中，轮毂也正在向 大直径、高强度、轻量化、美观化等方向发展。 在这种形势下，轮毂检测机也就拥有了举足轻重的地位。然而，目前只有美、日、 德等少数国家能够生产自动装卡的高精度轮毂跳动量测量仪，但是价格昂贵。如日本 的k o k u s a i 检测机，德国的m a k r a 检测机。国内的轮毂检测设备大多以半自动控制 为主，不具备数据自动处理功能，且测量精度一般为几十微米。 轮毂检测机是检测轮毂出厂质量的设备，其控制形式上，现在国内外一般都采用 “工业控制计算机+ 测控微处理器( m c u 、d s p 、p l c 等) ”的主从结构。其中，工业控制 计算机负责人机交互，提供友好的操作界面；测控微处理器则作为整测控系统的核心， 负责数据的采集，并将数据传送给上位机。 在以前的轮毂测量机中，工业控制计算机与测控微处理器之间通信几乎都采用串 口；而随着嵌入式以太网在工业控制的应用越来越广泛，嵌入式以太网以其传输数据 量大，传输距离远，抗干扰能力强等优点代替串口负责中央控制室与测控微处理器间 的通信便成为可能。 嵌入式以太网实质上是使得嵌入式系统实现网络化，即接入以太网，实现网络通 信协议。实际上，将嵌入式系统实现网络化的想法由来已久，但是当时以太网在确定 性以及速度等方面都有很大的欠缺，满足不了工业通信网络的要求；而且，各种网络 通信协议对嵌入式系统的运算速度以及存储器容量等要求都比较高。国外对嵌入式以 太网的研究已经到了开发阶段。在工业控制领域，如美国o p t 2 2 公司研制开发的“以太 网i o 系统l s n a pi o 系统，就是采用嵌入式以太网技术，通过以太网远程访问现 场的i o 设备，并对其进行监控1 6 1 。目前，随着嵌入式设备的广泛应用以及i n t e r n e t 的日 益普及，二者的互联己成为当今国内研究的热点，具有非常广阔的应用前景和巨大的 市场潜力。 1 4 本课题的主要内容 本课题源于一个实际的工程项目，主要研究内容是将嵌入式以太网应用在全自动 2 轮毂跳动量测量仪中。在分析了嵌入式以太网工作原理以及t c p i p 协议的基础上，采 用l p c 2 3 6 8 ( a r m 7 处理器) + d p 8 3 8 4 8 c ( p h y 以太网物理层接口芯片) 的嵌入式接口 方案，以软硬件相结合的方法，实现对轮毂微位移信号的采集、处理、传输以及与远 程监控平台即中央控制室的通信，从而更好的实现对轮毂生产质量的远程实时监控功 能。 第二章轮毂跳动量测量仪的硬件设计 2 1 轮毂跳动量测量仪的技术指标 轮毂是一种关系到车辆高速行驶安全性和舒适性的关键部件，目前应用市场对其 质量要求越来越高。只有配备高效率的智能化测量设备才能实现轮毂的自动检测，并 减少人为干扰的影响，保证测量结果的精确性。 智能型轮毂跳动量测量仪能一次完成轮毂轮辋外侧的轴向跳动、径向跳动、直径 检测以及谐波分析等功能。为了使检测精度达到微米级，特别是要保证轮毂直径测量 精度在误差允许范围内，必须尽量消除测量轴上轮毂定位误差，测量轴旋转时的径向 晃动误差和轴向窜动误差，以及测头移动后的重复定位误差，同时还要通过软件消除 系统性误差1 2 j 。因此，该轮毂跳动量测量仪的控制系统采用了后面的设计方案，并要 求达到的技术指标如下： 1 、被检测的轮毂要能自动装卡，定位，测量，并能将合格与不合格的轮毂分别送 到不同的生产线，整个过程不需人为调整； 2 、实现基于i n t e r n e t 的远程数据采集以及自动监控功能。对测量数据进行自动采集 与处理，可计算轮毂端面的轴向跳动量、径向跳动量、直径检测以及谐波分析； 3 、可对测量结果进行分析，包括最大值，最小值，以及平均值等，自动查找出现 最大或最小跳动量的相对位置，自动判断检测结果是否超出误差范围； 4 、采用现代智能控制技术，根据测头重复定位所得到的参数，进行实时预处理， 并且选择相应的补偿系数。 2 2 嵌入式微处理器选型 2 2 1 嵌入式微处理器概述 嵌入式微处理器是由通用计算机中的c p u 演变而来的。但与计算机处理器不同的 是，在实际的嵌入式应用中，只是保留与嵌入式应用紧密相关的功能硬件，并且配上 必要的外围扩展电路，如存储器、i o 电路等，以最低功耗和资源来满足嵌入式应用的 特殊需求。虽然嵌入式微控制器与标准处理器在功能上基本相同，但在工作温度、抗 电磁干扰、可靠性等方面一般都做了增强。嵌入式微处理器与工业控制计算机相比， 具有成本低、体积小、重量轻、可靠性高等优点。目前主要的嵌入式微处理器类型有 k 1 a r m 、p o w e r p c 、m i p s 、a m l8 6 8 8 、3 8 6 e x 、6 8 0 0 0 系列等h 。 2 2 2 嵌入式微处理器选型 4 在该轮毂跳动量测量仪系统中，嵌入式微处理器不仅要完成整个监测系统的测控 任务，还要完成以太网通信功能。为确保系统可靠运行，必须要求处理器运行速度快， 而且要有大容量的r o m 和r a m 。在查阅了大量有关以太网原理和嵌入式网络应用的文 献资料后，对t c p i p 协议原理有了系统深入的了解，并通过对几个典型的嵌入式以太 网应用案例对比分析，考虑到轮毂跳动量测量仪对嵌入式处理器资源的实际需求，本 系统最终采用n x p 公司( 原p h i l i p s ) 的基于a r m 7 t d m i s 核的3 2 位嵌入式微处理器 l p c 2 3 6 8 。 r n l 2 2 3l p c 2 3 6 8 微处理器介绍州 l p c 2 3 6 8 微处理器基于一个支持实时仿真的1 6 位3 2 位a r m 7 t d m i s 的处理器内 核，并带有5 1 2 k b 嵌入的高速f l a s h 存储器。1 2 8 位宽的存储器接口和独特的加速器结构 使3 2 位代码能够在最大时钟速率下运行。在对性能有严格要求的中断服务程序和d s p 算法中，这种特性使器件的性能与在t h u m b 模式下相比提高了3 0 。对代码规模有严格 控制的应用，可使用1 6 4 r t h u m b 模式将代码规模降低超过3 0 ，而性能的损失却很小。 l p c 2 3 6 8 微处理器特别适用于多种用途的串行通信应用。它集成了1 0 1 0 0 以太网媒 体访问控制器( m a c ) 、带4 k b 终端r a m 的u s b 全速( 1 2 m b p s ) 设备、4 个u a r t 、2 路c a n 通道、1 个s p i 接口、2 个同步串行端e l ( s s p ) 、3 4 i 2c 接口以及1 个i2 s 接e l 。 这种串行通信接口还带有片上4 m h z 内部振荡器，共有3 2 k bs r a m ，1 6 k bs r a m 用于 以太网，8 k bs r a m 用于u s b 和其它用途，以及由电池供电的2 k bs r a m ，使这些器 件最适用于通信网关和协议转换器。它还带有多个3 2 位的定时器、1 个增强型的1 0 位 a d c 、1 0 位d a c 转换器、1 个p w m 单元、1 4 l c a n 控制单元和多达7 0 个高速g p i o ，具 有1 2 个边沿或电平触发的外部中断管脚和一个i r c 振荡器，还带有可供选择的s d 存储 卡接口，1 0 0 a j i 脚l q f p 封装( 1 4m m x l 4l l r l l _ x 1 4 m m ) ，使l p c 2 3 6 8 特别适用于工业控制 和医疗系统等应用场合。 2 3 轮毂跳动量测量仪硬件总体设计 根据轮毂跳动量测量仪的技术指标以及生产线等实际情况，本课题设计的基于以 太网的轮毂跳动量测量仪总体构架如下图2 1 所示。 图2 - 1 基于咀太网的轮毅跳动量测量仪总体框图 2 3 i 系统工作原理及过程 轮毂跳动量狈4 量仪能够一次完成轮毂轮辋外侧的轴向跳动、径向跳动、直径检测 以及谐波分析等功能。径向跳动量是指垂直于测量主轴轴线的任一测量平面内的半径 之差，且圆心在舰4 量主轴轴线上的两个同心圆之间。轴向跳动量指的是被测的实际端 面在给定半径上各点相对于测量主轴轴线的最大距离与最小距离之差。因此，可以将4 个高精度的微位移传感器( 即光栅尺) 安装在测头上，见图2 - 2 所示，井在测量时定位 到待测轮毂相应位置上，并使轮毂匀速回转一周，各微位移传感器采集到的最大差值 即为相应的跳动值。 图2 - 2 轮毂跳动量测量仪光栅尺安装 基本的检测过程是：当动力马达带动轨道将待测轮彀传送到检测平台的入口处时 可由机械手根据整个系统当前的工作状态决定是否将其推入检测平台( 图2 3 ) ：当待测 轮毂进入检测平台后，由控制二维测量平台的伺服电机带动测头移动；待测轮毂在测 量轴上定位夹紧后，主轴电机带动待测轮毂旋转，测头移动平台在闭环系统控制下， 由微位移传感器在轮毂转过一个特定角度后，采集该点的数值。轮毂旋转一周可采样 多个点，需对各个采样点数据进行均值处理。由于受到主轴电机内置增量编码器控制 每旋转一圈采样点数以及采样点位置相同，所以可以采用对待测轮毂多圈采样的方法 提高测量精度。 图2 - 3 乾毂输入平台及机械手 由此可见，我们可以将整个控制系统分成主处理器模块，电机模块，传感器模块， 人机交互模块，以太网接口模块等。 2 3 2 系统各模块功能概述 2 3 2 1 主处理器模块 采用l p c 2 3 6 8 作为主处理器，在一次轮毅检测当中，l p c 2 3 6 8 嵌入式微处理器要完 成以下功能： 1 、轮毂的全自动传送、装卡及定位测量 ( i ) l p c 2 3 6 8 控制三个传送马达，使得待测轮毂在轮毂传送轨道上可全自动传送到 智能轮鞍跳动量检测系统的三个位置，并且在每一位置均要对其进行定位，我们考虑 用六组汽缸带动联动机械装置控制待测轮毂的定位，并且每组2 个对称结构的汽缸可由 一个电磁阀控制其相应动作。 ( 2 ) l p c 2 3 6 8 控制主轴电机带动待测轮毂做匀速转动，并采用多圈重复采样方式， 由主轴电机内置的增量式编码器对采样点进行精确计算，完成对轮毂测量点的位置检 测功能。 ( 3 ) l p c 2 3 6 8 控制伺服电机带动二维测量平台( 上下及水平位置的测量平台) ，根据微 位移传感器和限位或基准开关的反馈信号，实现精确启停给进退出，从而移动到 指定位置处，配合主轴电机完成相应的测量工作。 2 、数据接收与传送 l p c 2 3 6 8 微处理器接收光栅数显表的微位移测量数据，同时将其通过以太网模块 传送给中央控制室，供其分析处理。由此可见，该微处理器实时性和抗干扰能力等都 要特别强。 3 、测控系统的综合调试 为便于系统的测控调试，在没有中央控制室远程监控的情况下，我们需采用s p i 接 口的l c d 显示以及矩阵式键盘。由键盘输入位置或速度值，经l p c 2 3 6 8 微处理器处理 后，转成相应的脉冲信号传送到电机驱动器，驱动伺服电机动作；同时，l p c 2 3 6 8 微 处理器接收传感器的反馈脉冲信号，实现对伺服电机运行位置或速度的检测控制。在 这过程中，由l c d 实时显示相应的动作名称以及反馈信号的变化过程等。 综上所述，同时参考l p c 2 3 6 8 的内部结构及其工作原理，l p c 2 3 6 8 的外围工作电路 包括l c d 、键盘、各种电机控制模块、汽缸控制电路、稳压模块以及以太网接口模块 等，微处理器l p c 2 3 6 8 对各模块的引脚分配可参见表2 1 。 ，表2 1 微处理器l p c 2 3 6 8 的引脚分配表 功能 i o 端1 2 1 主轴电机和编码器 控* 5 - 维平台的伺服电机 传送轨道的动力马达 汽缸控制模块 光栅尺数显表 l c d 液晶显示模块 4 4 矩阵键盘 霍尔接近开关接口 光电开关 以太网接口 p w m l 4 ，c a p 0 0 ，c a p 0 1 ，p 0 1 4 p w m l 1 ，p 、7 l 巾“1 2 ，p 、删1 3 p 0 0 ，p 0 1 ，p 0 4 ，p 0 5 p 1 2 4 ，p 1 2 5 ，p 1 2 8 ，p 1 2 9 t x d ，r x d ( p 0 2 ，p 0 3 1 p 0 6 p 0 9 p 0 2 0 - p 0 2 3 p 0 16 p 0 19 p 0 1 2 一p 0 1 3 p 2 4 p 2 1 0 e n e t - t x d 0 ，e n e t - t x d 1 ，e n e t - t x _ e n ( 等) 2 3 2 2 电机模块 该轮毂跳动量测量仪要能够一次性完成轮毂的全自动传送、装卡、测头移动以及 采样点定位测量，这些过程都离不开电机的精确定位，主要分为主轴电机，二维测量 平台的伺服电机以及轮毂传送轨道的动力马达三部分。 1 、主轴电机 主轴电机采用长春禹衡机电有限公司的y s d b 系列全数字式交流伺服驱动器及 s m 系列交流永磁同步伺服电机，并且内置增量式编码器，适用于本课题提出的高精度 轮毂跳动量测量仪。 主轴电机主要是待测轮毂在测量轴上自动定位夹紧后，带动待测轮毂旋转。以供 微位移传感器测量数据。主轴电机每旋转一周，其内置的增量式编码器将产生2 5 0 0 个 脉冲，因此只要从零位脉冲开始，每5 个脉冲采集一次数据，则可以得到5 0 0 个采样 点。即测量轴每旋转o 7 2 度，就要采集一次数据。为了提高测量精度，需要采用多圈 重复采样数据的模式。 8 2 、二维测量平台的伺服电机 该轮毂跳动量测量仪的二维测量平台的伺服电机采用松下a 4 系列驱动器 m b d d t 2 2 1 0 0 0 3 以及交流伺服电机m h m d 0 4 2 p i u 。 二维测量平台，即上下、水平测量平台，其上的电机主要是带动测量该轮毂跳动 量的微位移传感器移动到微处理器l p c 2 3 6 8 指定的位置。具体来说就是当待测轮毂被 传送到测量平台后，微处理器l p c 2 3 6 8 读入其位置参数，并向二维测量平台的电机驱 动器发出命令信号，伺服电机开始工作，带动滚珠丝杆转动，微位移传感器测头便跟 着移动；每当移动到一个补偿位置时，将实际距离与理论值进行比较，采用增量式补 偿方法消除丝杆螺距误差。测头升降定位精度实际上并不影响系统检测精度，微处理 器l p c 2 3 6 8 需根据反馈信号来驱动电机，将测头移动到指定位置。 3 、传送电机 这三个电机均采用浙江大速的y 27 1 m 2 4 三相异步电机，需要与浙江正泰的 c j x 2 0 9 1 0 接触器配合使用，同时使用减速器将浙江大速的y z 7 1 m 2 4 三相异步电机转 速减少到原来的1 3 0 ，而交流接触器的通断可以用固体继电器来控制。 三个位置传送电机分别位于轮毂输入平台，轮毂跳动量测量系统测试平台，以及 轮毂传送输出平台上。这三个传送电机的开启与停止可由l p c 2 3 6 8 的g p i o 口经光耦 隔离后，控制继电器的通断来实现，并且当接收到停止命令时，电动机在减速器的作 用下可瞬间停止动作。 2 3 2 3 传感器模块 l 、光电开关 光电开关是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电开关在 一般情况下，有三部分构成，它们分为：发射器，接收器和检测电路。光电开关工作 原理图见图2 4 所示。 图2 - 4 光电开关工作原理图 光电开关在本系统中主要是检测轮毂的有无。在轮毂全自动传送、装卡、测量过 程中均无处不在，需要将检测到的高低电平信号反馈给l p c 2 3 6 8 微处理器，而l p c 2 3 6 8 则根据反馈信号执行相应的操作，达到全自动检测的目的。 9 2 、铁磁传感器 铁磁传感器又称作铁磁接近开关，包括涡流式接近开关、电容式接近开关、光电 式接近开关、霍尔接近开关、热释电式接近开关，本设计采用的是霍尔接近开关，如 图2 - 5 所示。 圈2 - 5 霍尔接近开关 轮毂跳动量测量仪的升降托盘可分为2 层，上层直接与待测轮毂相接触并可旋转， 下层与升降气缸相连，带动整个托盘沿测量主轴作上下移动。铁磁传感器即霍尔接近 开关主要是用来控制升降台的，当操作人员启动测量信号后，升降托盘要向下移动， 直到测量轴基准端面与待测轮毁基准平面贴合。完成一个轮毂跳动量测量后，要将升 降托盘上升到最高位置，准各下一个待测轮毂的检测。本设计该霍尔接近开关的工作 示意图如2 6 所示。 h 光电耦台器一l p c 2 3 6 8 c p u 图2 - 6 霍尔接近开关工作示意圈 3 、光栅尺 本课题前面所述安装在测头上的微位移传感器，即光栅尺，由对主光栅( 即标 尺光栅) 和副光栅( 即指示光栅) 进行相对位移时，在光的干涉与衍射的共同作用下， 产生的黑白相间( 或明暗相间) 的规则条纹图形莫尔条纹。而后，首先经过光电 器件，使黑白( 或明暗) 相间的莫尔条纹转换成以正弦波的形式变化的电信号再经 过放大器、整形电路后，就可以得到两路相差为9 0 度的正弦波或方波，最后送入到光 栅数显表计数并显示，如图2 - 7 所示。 嗡勺 了 圈2 7 光栅数显表 在该轮毂检测系统中，控制二维钡4 量平台的伺服电机一共需要带动两组测头( 四 组光栅尺) ，当测头靠近待测轮毂进行定位时，需要将光栅数据采集信号实时反馈给微 处理器l p c 2 3 6 8 来控制伺服电机的运动，定位成功后，测头上的四组光栅尺同时对旋 转的待测轮毂进行轴向和径向跳动量数据采集，再通过数据采集微处理器l p c 2 3 6 8 反 馈给上位机控制系统。 该测量系统的检测精度需要光栅尺来保证，但光栅尺读数误差受安装和环境温度 的影响。首先要确保光栅尺的安装与运动的铡头平行；其次就是要减少环境温度对最 后测量的影响，尽量在允许的环境条件下运行该轮毂测量系统。 2 3 2 4 人机交互模块 人机交互模块包括显示和键盘两部分，l c d 显示采用r t l 2 8 6 4 m 汉字图形点阵液 晶显示模块，键盘采用一个4 x 4 的矩阵按键形式。 l c d 显示采用s p i 高速同步串行输入输出口( 见图2 - 8 ) ，其通信速率及数据长度均 是可编程的，可用于该检测系统液晶显示模块的接口，并能够实时显示控制各电机速 度位置的脉冲个数，上下以及水平测头的运动方向与启停状态，各汽缸的控制状态 所采集的增量式编码器输出脉冲个数以及光栅尺的采样点数据等等。 刍愁m 2 8 6 4 m 图2 - 8l c d 与l p c 2 3 6 8 的电路连接图 作为外部输入设备的4 4 矩阵键盘，主要通过微处理器l p c 2 3 6 8 对其进行数据采 集与处理，各按键均有相应的操作功能。键盘与l c d 液晶显示模块的配台，可有助于 我们更好的完成对整个测控系统的调试。 2 3 2 5 以太网接口模块 轮毂跳动量测量仪要想实现以太网接入功能，以太网控制器则是必不可少的。一 般情况下，以太网控制器包括以太网媒体访问控制器( m a c ) 和物理收发器( p h y ) 两部 分，以太网m a c 与p h y 可分别实现o s i 开放系统互联模型中的数据链路层和物理层 功能。但由于两者内部功能都比较复杂，所以一般情况下，仅把m a c 集成在微处理器 芯片中。 本课题所采用的微处理器l p c 2 3 6 8 就是内部仅集成一个以太网媒体访问控制器 ( m a c ) ，而没有提供物理层接口，需要外接芯片( p h v ) 来实现以太网的物理层接入通道。 l p c 2 3 6 8 片内m a c 只可通过r m i i 方式访问p h y 。p h y 工作速率可为1 0 m b p s ( 曼彻斯 r 1 特编码) 和1 0 0 m b p s ( 4 b 5 b 编码) ”。微处理器l p c 2 3 6 8 以太网m a c 与外接p h y 内部 结构及之间的关系见下图2 - 9 。本设计采用嵌入式微处理器l p c 2 3 6 8 加p h y 芯片方式 将轮毂跳动量测量仪系统接入到以太网中，可实现与中央控制室的远程实时通信。将 在下一章对嵌入式以太网接口模块进行详细说明。 图2 - 9 以太网m a c 与外接p h y 内部结构及之间的关系 1 2 3 1 以太网技术概述 第三章嵌入式以太网接口设计 美国施乐公司的p a l o a l m 研究中心于1 9 7 5 年研制的以太网( e t h e m e t ) ，是一种计 算机局域网组网技术。其总线采用无源电缆形式来传送数据帧，并以曾经表示电磁波 传播介质的以太( e t h e r ) 对其命名。而后，施乐、数字装备以及英特尔三家公司联手， 提出了以太网规范( e t h e 8 0 ) ，这是世界上第一个局域网产品规范，也是i e e e 8 0 2 3 r ，1 标准的基础h 。 以太网作为当今局域网最通用的通信协议标准，很大程度上取代了其他局域网标 准，如令牌环、a r c n e t 、f d d i 以及c d d i 等等。历经上世纪末1 0 0 m 以太网的飞速 发展后，目前，千兆以太网、1 g 以太网甚至1 0 g 以太网也在不断拓展其应用领域。 以太网协议是一组由i e e e8 0 2 3 标准定义的局域网协议集。在以太网标准中，有 f 1 半双工和全双工两种操作模式h 。由单根电缆线连接的两台或者更多台计算机间可用 以太网传送数据包。但是在同一时间，单根电缆线上只能存在一种数据包，因此以太 网局域网要确保这些互联计算机能够共享一根电缆线来发送和接收以太网数据包，这 就要遵循c s m a c d 协议即具有冲突检测的载波侦听多路访问的数据传输协议p j 。 3 1 1c s m c d 协议 c s m a c d 协议即载波监听多路访问冲突检测方法作为一种争用型的介质访问控 制协议，有很高的介质利用率。逻辑上可分为两大块：媒体访问控制子层( m a c ) 和 物理层，二者结合可完成o s i 模式的数据链路层功能。 c s m a c d 协议其基本工作过程是：网中的各个节点都能独立地发送与接收数据 帧。每个节点在发送数据帧之前，首先要监听信道；如果信道空闲就发送数据帧，并 要继续监听；如果在数据帧发送过程中监听到有冲突发生，则立刻停止数据帧的发送， 并在等待一段随机时间后，重新发送该数据帧。其工作流程图如3 1 所示，这也是以 太网的工作过程。 图3 1c s m a c d 工作流程图 c s m c d 协议的工作过程通常也可以概括为”先听后发、边听边发、冲突停发、 随机重发t - 【1 0 1 。 3 1 2 以太网帧格式 以太网有两种工作模式，在半双工模式下，控制器支持c s m a c d 协议；在全双 工模式下，支持i e e e 8 0 2 3m a c 控制层协议。历史上以太网帧格式有五种，目前通用 的以太网帧格式则是在1 9 9 7 年开发的，如图3 - 2 所示【1 0 1 。 l 前导码帧开始符目的地址 源地址 长度类型数据帧校验序列 7 字节1 字节6 字节6 字节2 字节4 6 1 5 0 0 字节7 字节 图3 - 2i e e e 8 0 2 3 以太网帧的格式( 1 9 9 7 ) 3 1 3 嵌入式以太网 嵌入式以太网是利用嵌入式技术在微控制器或微处理器以及以太网控制器上实现 r 1 的以太网，其技术核心是在嵌入式系统中部分或完整地实现t c p i p 协议”。同传统以 太网一样，遵循i e e e 8 0 2 3 标准以及采用t c p i p 协议族。但传统以太网需要p c 机或 工作站的软硬件环境的支持，并且网络协议要内嵌在u n i x 等操作系统中，在工业控 制应用领域受到一定限制；而嵌入式以太网则不然，需要微控制器或者微处理器的软 硬件环境的支持，使用的t c p i p 网络协议族则内嵌在实时操作系统( r 1 d s ) 之中， r 1 可被广泛而方便地应用于工业控制领域中“。 本课题的轮毂跳动量测量仪检测系统采用的就是嵌入式以太网技术，并且在其良 好的实时性以及可靠性的支持下，实现了远程监控系统与l p c 2 3 6 8 微处理器之间的数 据通信。该嵌入式以太网应用系统一共包括物理层接口、t c p i p 网络协议族、l p c 2 3 6 8 微处理器和轮毂跳动量测量仪检测系统应用模块4 部分。下面将对嵌入式以太网接口 进行重点设计。 1 4 3 2 嵌入式以太网接口设计 本课题以3 2 位a r m 微处理器l p c 2 3 6 8 为主控芯片，虽然l p c 2 3 6 8 内嵌了一个 以太网控制器，支持媒体独立接口r m i i 和带缓冲的d m a 接口，并且可以在半双工和 全双工模式下提供1 0 m 1 0 0 m b p s 的以太网接入，但并没有提供物理层接口，因此需要 外接芯片来实现以太网的物理层接入通道。本课题选用的以太网物理层接口芯片为 n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 公司的d p 8 3 8 4 8 c ，此芯片提供了m i u r m i i s n i 接口，能很方 便地与l p c 2 3 6 8 相连接。轮毂跳动量测量仪的嵌入式以太网接口见下图3 3 ： 主控e 鞠 t h 2 4 - - r - 囊噘f 。意 鲇筋赣头一内台璃始 r m i i 珏鹭2 3 褥 麓壳e 一“ 、d 雾0 3 弘8 e, , - - - - - nj o e l i d 2 l b 、| ，一、r 器 图3 - 3 嵌入式以太网接口框图 从框图可知，嵌入式以太网接口包括d p 8 3 8 4 8 c 与a r m 微处理器l p c 2 3 6 8 的接 口连接以及d p 8 3 8 4 8 c 与r j 4 5 水晶头的连接，但是d p 8 3 8 4 8 c 的发送信号( t x ) 必须 经过网络变压器变换后才能与此水晶头连接到网线上。本设计采用内含网络变压器的 1 l 1 4 5 接头j 0 0 1 1 d 2 1 b ，具有高集成度、性能稳定、传输数据准确、抗干扰能力强等优 点。本章将重点介绍d p 8 3 8 4 8 c 与l p c 2 3 6 8 的接口设计。+ 3 2 1 物理层接口d p 8 3 8 4 8 c 的介绍 在本系统中，嵌入式以太网的p h y 芯片采用的是n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 公司的 d p 8 3 8 4 8 c ，主要性能指标如下j ： ( 1 ) 采用低功耗3 3 v ，0 1 8 a n c m o s 技术； ( 2 ) 通常低功耗在2 7 0 m w 以下； ( 3 ) 具有3 3 v m a c 接口； ( 4 ) 1 0 1 0 0 m b s 的自动m d i x ： ( 5 ) 能耗检测模式； ( 6 ) 2 5 m h z 的时钟输出； ( 7 ) s n i 接口( 可配置) ； ( 8 ) r m i ir e v 1 2 接口( 可配置) ； ( 9 ) m i i 串行管理接口( m d c 及m d i o ) ； ( 1 0 ) i e e e8 0 2 3 u m i i ； ( 1 1 ) i e e e8 0 2 3 u 自动协商和并行检测； ( 1 2 ) i e e e8 0 2 3 ue n d e c 、1 0 b a s e t 收发器和筛选器： ( 1 3 ) i e e e8 0 2 3 up c s 、1 0 0 b a s et x 收发器和筛选器； ( 1 4 ) 集成了a n s ix 3 2 6 3 兼容带有自适应均衡和比较基准漂移补偿的t p p m d 物 理子层； ( 1 5 ) 可编程的l e d 支持链接、1 0 1 0 0 m b s 模式，活动以及冲突检测； ( 1 6 ) 单寄存器访问完整物理层状态； ( 1 7 ) 1 0 1 0 0 m b s 数据包b i s t ( 生成自我测试) ； ( 18 ) 4 8 引脚l q f p 封装( 7 m m ) x ( 7 m m ) 。 由此技术指标可知，d p 8 3 8 4 8 c 支持多种智能降功耗模式，提高产品整体可靠性， 是一个1 0 1 0 0 m b p s 单端低功耗物理层器件。3 3 v 的m a c 接口包括一个2 5 m h z 的时 钟，很容易通过一个外接变压器与双绞线媒体进行接口。为确保设计的灵活性，支持 两种i e e e8 0 2 3 um i i 和r m i ir e v l 2 。集成的子层同时支持1 0 b a s e t 和1 0 0 b a s e t x 以太网协议，以确保基于以太网解决方案的所有其他标准的兼容性和互操作性。4 8 引 脚的l q f p 封装，体积微小。d p 8 3 8 4 8 c 是一种以太网物理层收发器，在高端外围设备、 工业控制和工厂自动化操作、通用嵌入式领域广泛应用p 川。 3 2 2p h y 芯片d p 8 3 8 4 8 c 接口方式选择 r 1 以太网物理层接口芯片d p 8 3 8 4 8 c 可以支持三种m a c 接口方式p 引： 1 、m i i - 媒体独立接口，符合i e e e8 0 2 3 u 标准，该接口可用于在1 0 1 0 0 m b s 的 系统中接物理层设备与m a c 接口的连接。 2 、r m i h 简化媒体独立接口，此接口可用于在l o l o o m b s 的系统中接物理层设 备与m a c 接口的连接，同时使用的引脚数目可减少。在这种模式下，数据传输为每次 2 位，并且在发送和接收时均使用5 0 m h z 的r m i ir e f 时钟。 3 、s n hl o m b 串行网络接口，只对l o m b 设备提供一个简单的串行数据接口，虽 然也可称为7 线接口，但该接口没有定义标准，而且基于早期l o m b 物理层设备。数 据在频率1 0 m h z 下被串行计时，并且使用不同的发送和接收通道。 比较以上三种接口方式，同时由于l p c 2 3 6 8 内嵌的以太网控制器支持媒体独立接 口r m i i ，本课题选用r m i i 接口方式，通过m a c 接口就可以对p h y 设备进行正确的 配置，如表3 1 所示”“。 1 6 表3 1m a c 接口方式选择 m i im o d e 引脚s n im o d e 引脚 m a c 的接口模式 ox 媒体独立接口模式 l0 简化媒体独立接口模式 11 串行网络接口模式 由表3 1 可以看出，通过设置芯片d p 8 3 8 4 8 c 的引脚p i n 3 9 ( m i im o d e ) 和 p i n 6 ( s n i 就可以确定数据接口的操作模式。在 接口方式下，可以m o d e ) m a c r m i i 将p i n 3 9 引脚设置成高电平，p i n 6 引脚设置成低电平。这两个引脚均有芯片内部下拉电 阻，缺省状态值为o ，即工作在m i i 方式，所以要使微处理器l p c 2 3 6 8 与p h y 芯片 d p 8 3 8 4 8 c 通过r m i i 接口方式连接，则只需要将引脚p i n 3 9 外接一个上拉电阻到3 3 v 高电平即可。 3 2 3r m i i 模式介绍 微处理器l p c 2 3 6 8 与以太网物理层接口芯片d p 8 3 8 4 8 c 通过r m i i 接口连接，则 它们之间可使用比较少的引脚数就能完成连接。于是在保证同样功能的情况下，可使 电路布线更加简单，从而大大减小设计时的出错率。且其数据传送频率为5 0 m h z ，故 系统中需要一个5 0 m h z 的晶体振荡器。在r m i i 接口方式下，主要使用到的引脚有： 1 、串行管理： m d c ( p i n 3 1 ) ：管理数据的时钟引脚，管理数据输入输出串行接口的同步时钟， 该接口能够异步于发送和接收时钟。最大的时钟速率是2 5 m h z ，没有最低时钟速率。 m d i o ( p i n 3 0 ) - 管理数据i o 引脚，双向管理指令数据信号，源于站管理实体或 物理层。此端口要求有1 5 k o 的上拉电阻。 2 、m a c 数据： i xe n ( p i n 2 ) ：发送使能引脚( r m i i 接1 2 1 方式) ，高电平表示t x d 1 ：o 中数据有 效。 t x d i ：0 】( p i n 4 ，p i n 3 ) ：发送数据输入引脚( r m h 接口方式) ，t x d i ：0 ，即接 收数据同步于5 0 m h z 参考时钟。 r xe r ( p i n 4 1 ) ：接收错误引脚( r m i i 接1 2 1 方式) ，一旦侦测到媒体错误时该引 脚为高电平，并且r x d v 是在1 0 0 m b s 模式下被断言。 c r sd v ( p i n 4 0 ) ：载波侦听接收数据有效引脚( r m i i 接口方式) ，该信号结合 了r m i i 载体和接收数据有效标志。 r x d i ：0 】( p i n 4 4 ，p i n 4 3 ) ：接收数据信号引脚( r m ! i 接e l 方式) ，r x d i ：0 ，由 5 0 m h z 的x 1 时钟同步驱动。 3 、时钟： x 1 ( p i n 3 4 ) ：晶体振荡器输入引脚，作为d p 8 3 8 4 8 c 的主时钟参考输入，必须连接 到2 5 m h z0 0 0 5 ( + 5 0 p p m ) 的时钟源。该d p 8 3 8 4 8 c 芯片既支持任何一个通过引脚x 1 和x 2 连接的外部晶体谐振器，还支持只连接到脚x 1 的外部c m o s 有源振荡器。 在r m i i 接口方式下为主时钟参考输入引脚，并且必须连接到一个5 0 m h z 0 0 0 5 ( + 5 0 p p m ) c m o s 有源振荡器。 x 2 ( p i n 3 3 ) ：晶体输出引脚，作为连接到外部2 5 m h z 晶体谐振器设备的主时钟基准 输出。如果外部c m o s 振荡器时钟源被使