（电子科学与技术专业论文）车载数据采集与通信装置的设计与实现.pdf

硕i ：学位论文 a b s t r a c t t h eu s eo fl a r g er o a dm a i n t e n a n c em a c h i n ei st h e s i g no fm o d e r n i z a t i o n ， s p e c i a l i z a t i o na n dm e c h a n i z a t i o no fr a i l w a yc o n s t r u c t i o n a st h ei n c r e a s i n gs p e e do f t r a i n ，t h er a i l w a ym a i n t e n a n c eb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o 九a n ta n da l s ob r i n gu st h e h i g h e rr e q u e s tt os p e e d i n e s s ，h i g he f f - e c ta n da c c u r a t e l yo fr o a dm a i n t e n a n c em a c h i n e a so n eo ft h ei m p o r t a n tr o a dm a i n t e n a n c em a c h i n e ， t h e 1 e v e l i n g l i f t i n g 1 i n i n g t a m p i n gm a c h i n ea l s of a c e sab i gc h a l l e n g e t h et a m p i n gm a c h i n ei sac o m p l i c a t e d s y s t e mi n c o r p o r a t em a c h i n e ，e l e c t r i c i t ya n dl i q u i d ，w i t hl a r g ea m o u n to fw o r k i n g p a r a m e t e r sa n dt h eb a dw o r ke n v i r o n m e n t ，i ti sd i f 矗c u l tt oc h e c kt h eh ig hr a t eo f m a l f u n c t i o n s ，t h e r e f o r et h el o c o m o t i v em o n i t o r i n gs y s t e mh a sb e c o m et h ee s s e n t i a l p a r to ft a m p i n gm a c h i n e t h ee l e c t r i cc o n t r o ls y s t e mo fr a i l r o a dt a m p i n gm a c h i n e u s e di nt h eh o m e l a n da t p r e s e n ta r eb a s i c a l l ya n a l o gc i r c u i t ，w h i c hi sc o m p l i c a t e d w i t hh i g hm a l f u n c t i o nr a t e s ，a l s oi t i sd i f f i c u l tt ou p g r a d eo nl i n ea n dh a r dt ob e m a i n t a i n e d t h e r e f o r e ，t h ed e m a n do fd i g i t i z a t i o nr e f o r mi su r g e n t t h es y s t e md e s ig n o b j e c t i v ei st h a tt h eo r i g i n a is t a n d i n gc i r c u i tb o a r dc o n t r o l ss t r u c t u r et ob er e p l a c e db y e m b e d d e d s y s t e m ， w h i c hr e a l i z e s t h e d i g i t i z a t i o n ， m o d u l a r i z a t i o n a n d n e t w o r k r i z a t i o no ft a m p i n gm a c h i n ep r o g r a m m i n gc o n t r o ls y s t e m a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n ts i t u a t i o no fd o m e s t i cl a r g er o a dm a i n t e n a n c em a c h i n e ， n l i sp a p e rt r i e st o a p p l ye m b e d d e ds y s t e ma st h ec o r eo fe l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m w h i c hh a r m o n i z et h ea c to fs y s t e ma n dc o n t r o l i tb a s eo ns o m el o g i c a lp “n c i p l e a l s o d e s i g n e dt h eh a r d w a r es y s t e m ，s o f t w a r es y s t e ma n di n t e r f a c e b a s e do nt r a d i t i o n c h e c k i n gs y s t e m ，w ea p p l yt h el a t e - m o d e lm 2 2 as e r i e sa r mi n d u s t r i a lc o n t r o l m o d u l em i n i a r m 9 0 8 0f o rc a r r y i n go u ts c e n er e a lt i m e s u p e r v i s o r yo nt a m p i n g m a c h i n e ，w h i c hu p l o a d st h er e a lt i m ew o r k i n gc o n d i t i o na n dt h eg p sd a t at os e r v e r ， d i s p l a yl o c o m o t i v ew o r k i n gs t a t eb yt h ew i r e l e s sn e t w o r k ，w a r n i n gt ot h ea b n o r m i t y ， a n da c c o m p i i s hh i s t o r yr e p l a y i n gf i u n c t i o n m a n i p u l a t o rc a nk n o w a n yp a r to p e r a t i o n s t a t eo ft a m p i n gm a c h i n ea ta n yt i m eb a s e do ns c e n ec o n d i t i o n ，d i s c o v e r i n gt h eh i d d e n t r o u b l ei nt i m e ，a n da v o i dt h eh a p p e n i n go fm a lf u n c t i o n a tl a s t ，s u m m a r i z et h ep a p e rw o r ka n ds o m es u g g e s t i o n sa r ep o s e df o rf u t u r e r e s e a r c h k e yw o r d s ：m i n i a r m ；p c o s - i i ；t a m p i n gm a c h i n e ；l o c o m o t i v em o n i t o r i n gs y s t e m 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：龙问私日期：纱产r 月罗口日 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“”) 作者签名： 导师签名： 日期：加夕年5 月1 7 矿日 日期：砌c 7 年s 月? 9 日 硕 j 学位论文 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 随着国民经济的快速发展，铁路运输起着越来越重要的作用。然而，铁路线 路长时间的运行和自然条件的作用，会不可避免的发生变形或损坏，出现线路水 平方向和垂直方向发生错位的现象，影响行车安全。为确保列车安全、平稳、快 速的运行，消除或减少轨道的不良变化，要对铁路线路进行养护和维修，使线路 设备经常保持良好状态。抄平起拨道捣固车( 业界简称捣固车) 就是一种用于铁 路线路自动化养护的大型养路机械，通过对轨道线路进行拨道、起道超平、石渣 捣鼓以及夯实作业，使轨道线路方向、左右水平和前后高低均达到线路设计标准 或维修规则的要求，保证列车的运行速度与行车安全n 1 。 现有捣固车能较好的养护铁路线路，为铁路运行提供保障。但是在现场实际 中，也发现了一些需要完善的方面心1 ： 1 ) 捣固车不能是一个独立的实体，应该与外界交换信息。捣固车在运行状态 下与其它机械连挂进入工作区域，到达工地点后即开展工作。经过捣固车的复杂 作业后，需要将捣固车作业后线路的状态参数反馈给铁路有关部门，以便分析评 估捣固车作业质量，同时也应当接收铁路有关部门发送的有关线路参数信息。这 都要求捣固车不能是一个独立的实体，应该与外界保持必要的信息通信。 2 ) 捣固车工作的特殊性，给操作人员的舒适度带来很大影响。 例如常规0 8 3 2 型捣固车的作业方式为“定点式”捣固，即一次捣固循环周期 为：主机运行一主机制动一捣固镐振动下插一捣镐枕下夹实一捣镐提升主机运 行，共五个环节。捣固车的频繁制动运行、捣固搞频繁下插提起、捣镐枕频繁下 夹实，使捣固车持续工作在颠簸状态下，恶化了操作人员的工作环境。因此可以 通过远程测控系统，技术人员无须亲临现场而远程监视并控制捣固车工作，实现 远端的无人或少人值守，达到减员增效的目的。 3 ) 工作环境的恶劣以及频繁的振动，使部件更易发生损坏。因此需要对捣固 车的关键部件进行实时监控，根据现场发送的实时数据，随时了解捣固车运行状 态，及时发现捣固车隐患，避免发生故障。 4 ) 捣固车电气控制系统的数字化改造问题。我国现有0 8 、0 9 系列捣固车的 作业控制系统大多采用模拟电路，结构复杂、故障率高，往往影响现场工作，因 此采用新技术对其改造，势在必行。 随着我国铁路的提速、重载和高密度的发展，在列车问隙时间，使用小型机 车进行线路维修己属小可能，大型养路机械维修必将是工务维修的发展方向。只 下载数据采集j 通信裟置的设计i 实现 有加快机械化施工进程，才能提高劳动生产率、降低作业人员的劳动强度。 增加维护设备的能力是提高施工效率的保证。为了提高车辆的维修质量、提 高车辆检修的效率，必需推行经济高效、先进合理的状态维修。状态维修，即预 知维修制，它科学地分析并测试设备初始状态的好坏和运行条件的差别，通过采 用新的检测设备与高新诊断技术来监督设备状态，以充分发挥设备的优势。它集 机械、电子及计算机信息处理等新技术为一体，已显示出广阔的应用f j f 景，并给 传统的铁路维修制度带来了一场新的变革凹3 。 铁路大型养路车在线监控系统的实质是将目前的定期、定型和分解型的维修 方式改变为实时、在线式的状态监测。通过对车辆的技术诊断，随时掌握设备出 现的故障及运转工况，有效地确立以功能为中心和非分解型的设备维修方式，确 定需要维修的设备则立即施修，无需修理的则免维修，去掉了维修中的盲目性。 大型养路车在线监控系统的设计溶合了g p s 卫星导航全球定位技术、g i s 地理信息 技术以及g p r s 移动通信技术，将该监控系统运用于我国的铁路运输行业，可以大 大提高铁路运输的安全性、可靠性，同时也可以改善服务质量和提高运输管理水 平，因此具有重要的现实意义。 综上所述，采用科技手段管理铁路大型养路车既贯彻了铁道部“集中配置， 统一管理”的大型机械化设备的管理要求，又保证了设备安全，解决了施工与运 输的矛盾。当今如何使铁路大型养路车辆的管理科学化、提高车辆的运营安全、 保障铁路维修质量，己成为一个亟待解决的重大课题。 1 2 国内外研究现状 欧洲铁路维护使用大型养路机械已有三四十年的历史，线路维修作业和检测 全由大型机械捣固车完成，机械化程度很高，随着轨道结构的现代化，施工作业 的机械化，检测和管理的科学化，施工机械大型化、高科技化将成为铁路线路养 护的主要发展趋势。大型养路机械群体己在实施线路各种修程、既有线提速改造 和高速铁路建设等领域广泛应用，对确保安全提高线路质量，发挥作业效率，提 效扩能起到决定性作用。 我国铁路养路机械化的发展已经有近三十年的历史n 1 ，8 0 年代中期以后开始 引进少量国外先进的大型养路机械试用，在取得一定使用经验和效果后，引进国 外先进的大型养路机械技术，在消化吸收的基础上实现了自行生产，比如0 8 3 2 型、0 9 3 2 型自动抄平起拨道捣固车，r m s o 清筛机，动力稳定车，配碴整形车， 钢轨探伤车，钢轨打磨车，道岔捣固车等产品，并装备了1 9 个大型养路机械化线 路段，基本形成了综合生产能力。进入8 0 年代后期，随着我国铁路运输密度加大， 繁忙干线的维修工作采用传统的施工手段己不能满足要求，同时，轨道结构的现 代化也向养路机械的作业质量提出了更高的要求。经过几年的考察组织，对采用 2 硕l j 学位论文 高效、大型养路机械开“天窗 进行线路作业达成共识，从而拉开了我国大型养 路机械的发展序幕。 现在生产捣固车的世界著名公司有奥地利的普拉塞一陶依尔公司 ( p l a s s e r & t h e u r e r ) 、瑞士的马蒂沙公司、美国的坦博公司等1 ，他们生产的 捣固车类型较多，功能齐全。但出口给中国的只是相对落后的型号与淘汰品。目 前国内能自主生产的大型铁路养路机械大多采用模拟控制系统，系统中为了实现 计算功能采用了大量的模拟运放。铁路养路机械工作在恶劣的环境下，易受外界 条件影响，且始终无法克服零漂。同时系统利用大量的电位器来调节各个控制环 节上的增益和零点，这使系统调试相当复杂。并且模拟系统本身很难实现比较复 杂的控制算法。 大型养路机械需要控制的信号繁多，其电气控制系统采用的是模拟系统，很 难实现比较复杂的控制算法，且无法克服零漂，布线工作量大，不仅带来了生产 上的困难，且系统抗干扰能力差，稳健性与可靠性差。要解决以上问题，将电气 控制系统数字化、模块化、网络化已经成为技术发展的关键点。 铁道部在“铁路九五计划和2 0 1 0 年发展规划中己明确提出呻1 ：“加速 实现养路机械化，完成繁忙干线设备大型养路机械的目标，特殊困难地区发展专 用养路机械，使大型高效养路机械的大修覆盖面达到正线的1 2 ，线路面貌有较 大改善。发展高技术大型养路机械己被确定为表征我国铁路技术进步的一项重 要标志，我国铁路大型养路机械己进入高技术持续、规范发展的新阶段。 1 3 项目开发简介及作者承担的研究工作 1 3 1 项目开发简介 本文选题来源于导师主持的校企( 湖南长沙万联科技有限公司) 合作项目“大 型养路机械设备状态及作业质量在线监控系统开发 。至2 0 0 7 年7 月，项目已经基 本完成一期规划的各项工作，并于2 0 0 7 年7 月至8 月在湘乡完成首台该在线监控项 目的车载机安装调试，机车车号d g l3 ，0 8 3 2 型抄平起拨道捣固车，完成了c s ( c l i e n t s e r v e r ) 模式开发，并为满足分斫i 性要求、开发维护和使用简单性的要求 开展了部分b s ( b r o w s e r s e r v e r ) 模式开发，取得了阶段性成果。2 0 0 7 年10 月项 目组在一期研究开发的基础上正式启动二期的研发工作，并于2 0 0 8 年8 月至1 1 月间 完成清筛d g9 号0 8 3 2 型抄平起拨道捣固车车载设备安装调试及设备升级调试工 作，完成通信服务器、b s ( b r o w s e r s e r v e r ) 浏览模式开发，针对一期开发中存 在的不足，实现了项目整体体系结构的优化及功能的增强和完善，基本达到了二 期开发的各项技术指标。 印载数据采集j 通信装置的设汁j 实现 1 3 2 作者主要研究工作 该项目是由湖南长沙万联科技有限公司提出，由作者在导师吴桂清和万联公 司的刘运松工程师的负责指导下，并配合项目组其它成员共同努力下完成的。作 者在该项目中负责的任务是完成大型养路机械设备状态及作业质量在线监控系统 中车载机主控模块的设计及研发工作，承担的主要研究工作如下： 1 ) 分析了项目实施的可行性，确定了项目的整体体系结构及车载机主控模块 的总体设计方案。 2 1 设计了车载机主控模块的内部模块组织结构，并完成了主控硬件底板设计 开发各项工作。 3 ) 完成车载机主控模块的主程序，g p s 数据采集处理程序，i c a n 模块驱动 及数据采集处理程序，以及配置表设计等程序的编写。 4 1 完成与本地显示控制终端及远程通信服务器的通讯协议的设计，设计相应 控制算法实现g p r s 无线通讯的可靠性处理。 1 4 本文的结构和主要内容 本文的结构和主要内容安排如下： 第1 章，绪论。主要论述了课题的选题背景及项目有实际应用价值，分析了国 内外当前大型养路机械设备的研究现状和发展趋势，介绍了项目的具体开发情况 及本人所做的研究内容。 第2 章，车载监控系统总体设计。简单介绍大型养路车载监控系统的整体结构 框架及各个部分在系统中所起的作用。给出车载嵌入式数据采集装置的常规指标 并阐述其整体框架和部分功能单元相应的作用。 第3 章，车载嵌入式数据采集装置开发平台。详细介绍m i n i a r m 9 0 8 0 n 2 0 嵌 入式工控模块的硬件结构，操作系统平台，应用软件开发模式及系统提供的各类 a p i 函数。最后简要介绍整个系统软件开发环境的搭建过程和注意事项。 第4 章，车载监控终端硬件设计与实现。具体介绍车载监控终端系统硬件设计 和实现方案。详细阐述各硬件模块设计方案和工作原理，重点介绍系统电源管理 模块，各种通信接口电路以及各个功能模块的设计与实现。 第5 章，车载监控终端软件设计与实现。主要介绍车载监控终端的软件设计部 分，分别对程序的主体部分设计、通信协议及配置表的设计、i c a n 功能模块协议 及驱动程序设计以及无线通信的可靠性程序设计等问题进行深入的探讨。 4 硕f ：学位论文 第2 章车载监控系统总体设计 一个大型的远程监控系统，通常由监控终端、服务器、控制终端等几大部分 组成。系统设计在需求分析的基础上，结合考虑系统功能、功耗、成本及可靠性 稳定性等因素，完成系统的总体设计。本章首先从整个系统的整体出发简单介绍 系统各组成部分的功能及其在系统中的作用，然后着重介绍车载机主控模块的功 能需求，实现方式，使读者对整个系统的工作原理及作者在本文将要重点讨论的 车载机主控模块的作用和设计概要有一个初步的认识。 2 1 系统整体概述 大型养路车载监控系统从物理拓扑结构上看来是一个相对庞大的系统，该系 统是由下位机的车载终端系统、服务器系统和上位机的监控终端系统三大部分组 成。下位机车载终端系统负责数据采集、数据处理、数据上传及现场监控显示； 上位机负责数据处理、数据分析和数据显示；服务器负责连接上下终端的数据传 送，数据存储等 1 。 下位机车载终端系统分布在各个移动的车载单元( 即通常所说的捣固车) 上， 它主要负责接收g p s 定位信息和全面地采集车载单元的各个状态参数，及时反映 捣固车各部件的工作状况。各类实时数据经过封装打包后通过符合标准的无线 g p r s 模块发送到通讯服务器，并通过车载显示终端提供现场的作业状况指示，给 现场的施工人员提供作业指导，方便工作人员现场施工作业哺1 。下位机车载终端 系统在物理上由显示终端人机交互单元和车载机m i n i a r m 主控单元两大功能单 元组成。 服务器系统是整个系统的枢纽，主要包括通讯服务器、数据库服务器和w e b 服务器，在物理上通讯服务器和数据库服务器是一体的。服务器的通信安全性和 传输可靠性直接关系到数据的实时性和有效性。它一方面将接收到的各个车载单 元数据经过预处理后上传给监控终端，另一方面还负责下达监控终端的控制命令。 同时还要实现历史数据的存储和回放功能1 。 监控终端系统根据通讯协议为车载数据解包，将数据分为g p s 信息和车况信 息。监控终端系统将g p s 信息与g i s 地图进行数据匹配，并在地图上动态显示坐标 的正确位置，这样监控终端就可以直接实时地掌握车载单元的动态信息( 经纬度、 速度、方向角、g p s 时间) 。同时监控终端系统还要根据车况数据实现在线监测、 实时报警、报警处理和车况控制等监控功能引。本系统中我们采用b s 和c s 两种模 式实现监控终端的功能，我们既可以通过功能完善客户端软件实现各种功能，也 三墼鍪堡耋堡至堡堡篓茎塑塞生皇塞些 可以通过上网的方式用浏览器来实现各种客户端功能。 从功能结构上来看，该系统主要分为四个大的功能单元：1 1 显示终端人机交 互单元，负责捣固车现场监控，为现场作业人员提供图形化的工作参数数据参考： 2 ) 车载机m i n i a r m 主控单元，负责现场实时数据的采集、处理和传输，并为显 示终端与服务器的通讯提供桥梁：3 ) 服务器单元，通常包括通信服务器、数据库 服务器及w e b 服务器，具备远程网络、w e b 服务、关系数据库和实时数据库等 功能；4 ) 远程监控终端单元，通过b s 和c s 两种方式为广州铁路集团数据监控中 心提供捣固车工作状态远程监控的功能。系统整体的拓扑结构图如图2l 所示： 图2 1捣固车监控系统功能拓扑结构 2 2 车载机主控模块需求分析 车载机主控模块是整个系统的基础，通过对捣固车各种工作状态参数的采集、 处理和传输，车载终端系统实现了对整车的即时监控。车载机主控模块的功能需 求包含了硬件功能需求和软件功能需求。在实现其相应功能的基础上也对各项性 能指标提出了相应的要求。 2 2 1 车载机主控模块的硬件功能需求 1 ) 车载嵌入式数据采集装置全面地采集机车的各种状态参数和工作参数具 有实时数据采集和故障警告功能，给现场工作人员提供一定的作业指导和维护指 导。 2 ) 车载嵌入式数据采集装置利用无线网络及全球卫星定位技术向工务机械 段监控中心远程实时传递大型养路车辆的所在地点、车速、车辆重要部件工作状 态等。 3 ) 能对目标车载单元全天候监测，在养路车作业时，耍对机器的各种状态参 炒一炒眇炒一 竺 甲早黧 u疋剐彳烈两 嚣一翼一 c 一 一、j舻舭酊 硕1 j 学位论文 数进行监测。即使停机时间，监控中心也能监测到该车载的状态和所处位置。 4 ) 数据采集包括：n 路模拟量、m 路开关量、l 路脉冲量、可扩展的j 路图象 数据的采集、1 路g p s 数据的采集。其中模拟量、开光量和频率量为c a n 总线接口 ( 或者4 8 5 总线接口) ；图象为网口；g p s 为串口。 5 ) 本地u p s 蓄电池管理功能( 充放电、电压低报警管理) 。 6 ) 对外部监测的信号具有可扩展性，要方便扩展，扩展信号后只需在配制软 件中配制参数，新加的信号就能加入到数据包中，传送给上位机的通讯服务器。 7 ) 养路车上电开机直接进入到工作程序的运行，让用户的操作尽可能的简单 方便。系统具有看门狗复位功能，机器死机后自动重新启动。同时可通过面板上 的工作指示灯判断系统的工作工作状态。 2 2 2 车载机主控模块的软件功能需求 1 ) 系统数据配制主要功能：配置工况数据采集点数，模拟量与数字量的点数 与结构；上传数据报的结构取决于配置表；系统配置表生成的控制命令决定下位 机的一些工作参数如：采集频率、上传周期和报警次数。 2 ) 数据采集主要功能：工况数据采集分模拟数据采集、数字信号采集以及脉 冲信号采集；根据配置参数的情况对信号数据点数增加或删除。另外还需采集有 效的g p s 信号，并提取出有用的g p s 信息。 3 ) 数据通信主要功能：将双向通信做成一个相对独立的通信调度模块；把采 集处理后的工况数据和g p s 数据打包上传；接受上位机和现场监控终端传来的信 息：如控制命令、配置命令。同时作为服务器与现场监控终端通信的桥梁。 4 ) 数据存储与管理主要功能：把经过处理有效的工况数据、g p s 数据按时间 索引保存在下位机的临时数据库中。 5 ) 数据处理与自动报警功能：( 数据处理有：数据解析打包、数据工程量变 换、运行里程计算、发动机工作时间累计、报警限的比较等) 。检测到报警后自 动到报警信道进行报警。 6 ) c a n 的驱动及接口能够自动检测c a n 的即插即用，报告检测与冲突，正常 则生成拓扑图与空的配置表。 7 ) 程序功能模块化设计，采用主控+ 驱动的结构，主控相对稳定且可移植， 体系结构做到：配置不同的驱动，数采的c a n 模块、g p s 、开关量输出的模块型 号可更换。 2 2 3 车载机主控模块性能要求 时间特性要求 不问断运行时间7 2 4 小时； 服务时间9 5 ： 7 下较数据采集0 通竹裟胃的设计j 实现 操作响应时间1 秒。 灵活性要求 说明对该软件的灵活性的要求，即当需求发生某些变化时，该软件对这些变 化的适应能力，提供扩充接口，能够对外提供数据； 允许灵活设置车辆数据上报频率，数据保存时间。 输入输出要求 系统通过c a n 总线采集机车的工况数据信息与输出控制信号； 从g p s 获取的信息包括：标准时间、经度、纬度、速度、方位角等； 系统通过网口与本地显示器( 人机接口模块) 进行人机交互； 系统通过g p r s 短信语音信道与服务器进行交互。 数据管理能力要求 本地历史数据的保存及供本地与远程下载； 存储管理各类数据，包括位置信息、车辆基本信息、车辆历史工况状态信息、 报警信息、调度信息等。 2 3 车载嵌入式数据采集装置简介 车载嵌入式数据采集装置是集现代嵌入式技术、c a n - b u s 总线数据采集技术、 全球卫星定位系统( g p s ) 和现代无线通信技术( g p r s ) 于一体的系统，它采用新型 的m 2 2 a 系列a r m 嵌入式工控模块m i n i a r m 9 0 8 0 作为系统的控制核心，还包括 c a n 数据采集结点、g p s 天线、g p r s 无线通讯模块、通信接口和控制底板、以 太网交换机、以太网c a n 转换器、u p s 蓄电池等功能部件，实现c a n 数据采集、 g p s 数据接收、实时作业数据的处理、存储和查询及数据通讯等功能n 。车载 m i n i a r m 主控模块的硬件结构如图2 2 所示。 其中虚线部分电路构成系统通信与控制底板，安装在m i n i a r m 主控箱内， 他主要以嵌入式工控模块m i n i a r m 9 0 8 0 为核心，包括串行接口，网络接口、c a n 总线接口等接口电路，还包括电源管理模块，g p r s 无线通讯模块，扩展的数据 存储模块等，这里我们设计相应的电路将这些模块集成到一块大的印刷电路板， 提高了系统的稳定性，同时也便于整个系统的安装；监控设备c a n b u s 结点安 装在捣固车各个分散的电气电路箱内，采集捣固车各个部件的工作参数和状态参 数；源控制模块控制系统在捣固车工作时给蓄电池充电，在非工作状态下由蓄电 池给整个系统供电，同时关闭不必要的电气设备。车载监控系统m i n i a r m 主控 模块通过网络接口与车载平板电脑监控终端相连，进行相应数据和命令的传输， 通过电源管理模块来控制平板电脑监控终端的开关。车载嵌入式数据采集装置和 平板电脑监控终端构成了整个系统的下位机车载终端系统。 8 硕i ：学位论文 莆电池 备用电源 模拟量c a n 模块( n 路) 脉冲量c a n 模块( l 路) 开关量c a n 模块( m 路) 2 4 本章小结 车载平板电脑 监控终端 ! i 电源控制ll 网络接口电路 模块 蛰 脚 丁 蝼 躜 z o m i n i a r m 9 0 8 0 工控模块 骜 脚 口 辎 妊 哥 图2 2车载m i n i a r m 主控模块的硬件结构 赛 掣 c ，) 正 o _ _ _ _ 一 g 擎 ( ，) 叱 n o 数据存储 电路 本章首先简单介绍了大型养路车载监控系统的整体结构框架，分别从物理结 构上和功能结构上给出了相应的构成原理，并简单阐述各个部分在系统中所起的 作用和系统整体实现的功能，以及具体所用到的相关设备。在第二部分给出了作 者所负责的车载嵌入式数据采集装置其常规的技术设计指标和性能指标，这也是 项目初期进行系统需求分析时所提出的各项要求。最后简单地给出了车载嵌入式 数据采集装置的整体框架和部分功能单元相应的作用，这也是本文后面的章节中 将要重点讨论的。 9 车载数据采集j 通竹狄胃的设计。j 实现 第3 章车载嵌入式数据采集装置开发平台 车载嵌入式数据采集装置是集现代嵌入式技术、c a n b u s 总线数据采集技术、 全球卫星定位系统( g p s ) 和现代无线通信技术( g p r s ) 于一体的系统。由于其工作 环境的恶劣性及其工作需求的特殊性，因此对整个系统的实时性、可靠性、稳定 性及抗干扰性等方面提出了较高的工业级要求。选择一套好的开发平台对整个系 统的开发效益、开发质量及运行质量都起着重要的作用。嵌入式处理器是整个系 统的硬件核心部件，其性能的好坏直接决定整个系统的运行效果。现在嵌入式技 术的发展对系统平台处理能力的要求提出更高的要求，3 2 位高性能处理器辅于一 个多任务操作系统的综合平台已成为现代嵌入式技术发展的标志，选择一个合理 的操作系统对整个系统的软件开发，合理充分利用有限的硬件资源等都起着重要 的作用纠。本章主要对系统所选择的开发平台作相关的介绍，包括平台的硬件资 源，软件开发等。 3 。1 嵌入式硬件开发平台 硬件平台主要就是嵌入式处理器及其控制所需要的相关外设。就目前来看， 3 2 位处理器是嵌入式处理器的主流，主频通常在4 0 m h z 以上，也有超过5 0 0 m h z 甚至更高的高端处理器引。i c 设计技术不断进步，现在面向嵌入式应用的处理器 种类很多，它们基本都是r i s c 体系结构。以a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ，高 级精简指令集计算机) 为核心的处理器平台，因其使用广泛，软件支持性好，包括 l i n u x ，“c o s i i 在内的很多嵌入式操作系统都有成熟的针对a r m 的移植版本n 4 l 。 目前a r m 已经成为手机、p d a 及工业控制领域内的标准处理器，是嵌入式处理 器中的最有代表性的体系结构n5 j 。因此我们选择以a r m 为核心的硬件平台作为 整个系统的嵌入式硬件开发平台。 3 1 1m i n i a r m 嵌入式工控模块概述 m i n i a r m 嵌入式工控模块是一款可以客户订制的用于工业控制领域的单板 控制器，它以小巧的尺寸将先进a r m 嵌入式硬件、m i n i i s a 扩展i o 技术、多 种自主现场总线控制技术和文件管理技术创造性地有机结合在一起。创新的解决 了“c o s i ir e a l t i m e k e r n e l ( 实时内核) 没有f a t 文件管理系统、主流工业通信 协议栈等技术难题，同时在e m c ( 电磁兼容) 方面进行了一定深度的研究( 主要 包含e f t 与e s d ) ，以保证该项目产品的稳定性n 引。 m i n i a r m 嵌入式工控模块同时支持c a n - b u s 、u a r t 、以太网等强大的工业 1 0 硕i j 学位论文 现场总线接口，嵌入式软件采用广州致远电子有限公司自主知识产权的 z l g m o d b u sr t u 、z l g t c p i p 、z l g i c a n 、z l g u s b h o s t 协议栈，z l g f a t 文件管理系统，以上技术不仅填补了国内嵌入式软件技术的空白，而且各项技术 指标达到国内领先水平。用户可以借助该产品开发各种分布式工业控制节点或者 主控器，可灵活构筑f c s ( f i e l db u sc o n t r o ls y s t e m ) 现场总线控制系统。m i n i a r m 嵌入式工控模块具有软件结构完善、稳定性高、可维护性好的特点，是符合我国 国情、有广泛推广前景的高新技术产品。 m i n i a r m 嵌入式工控模块属可二次开发工控计算机设备，支持以太网( 工 业级) 、2 路c a n 通信、c f 卡接口、u 盘、板载电子硬盘f o b ( f l a s ho nb o a r d ) 、 a d 转换、低功耗l h c 等功能。致力于推动新一代的f c s 现场总线控制设备进 一步在国内普及，也可应用于远程网络控制、通信网关等。从开始选型到最后调 试完成，如果用户完全自主开发，一般至少需要一年以上的时间，采用m i n i a r m 嵌入式工控模块进行二次开发一般系统集成时间在l 3 个月就可以完成。这样用 户可以在短时间内完成一个典型应用系统的开发，达到产品可靠稳定、技术起点 高、开发时间短、投放市场快的目的n7 1 。图3 1 为采用m i n i a r m 工控平台进行 产品开发的标准模式。 忑= 焉1 _ 蒸1 ， 正版c o s i i 实时操作系统 l c 戳j 底层驱动库 i 巴一二一 图3 1 m i n i a r m 工控平台产品开发模式 本系统采用的m i n i a r m 9 0 8 0 n 2 0 嵌入式工控模块是m i n i a r m 嵌入式工控 模块的一个子系列产品，它以3 2 位飞利浦a r m 芯片l p c 2 2 9 0 作为核心主控芯 片，将a r m 最小系统、以太网控制器、低功耗r t c 及海量存储设备高度集成于 一块尺寸仅为7 0 m m 5 0 m m 的p c b 板上，结合同样可以定制的底板，可以灵活 的配置i o 和各种通讯口，例如模拟量输入、模拟量输出、开关量输入和输出， r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、c a n b u s 和以太网等，具有很强的网络接入能力，可满足众多数 据采集系统、远程监控系统的开发需求。 车载数据采集j 通信装冒的设计0 实现 3 1 2m i n i a r m 9 0 8 0 嵌入式工控模块功能特点 m i n i a r m 9 0 8 0 n 2 0 嵌入式工控模块是m i n i a r m 系列中的一种，它内部配置 8 m b 内存，集成有l p c 2 2 9 0 微控制器最小系统以及1 0 m 以太网通信芯片。产品 提供总路线保护设计，使核心板在e m c 性能及稳定性方面具有良好的表现。模 块配套l p c 2 2 9 0 标准化驱动，并固化嵌入式协议栈，调用a p i 函数即可实现 t c p i p 、c a n 通信、c f 卡读写功能，特别适合同时需要国际互联和长达l0 k m 的c a n - b u s ( 控制器局域网) 网络的可靠应用场合n 8 。用户程序可实现在线升 级，不但使产品更快投放市场，而且现场升级简单可靠，明显增强产品的市场竞 争力。 m i n i a r m 9 0 8 0 n 2 0 嵌入式工控模块支持目前主流各类存储介质和通信方式， 覆盖大部分嵌入式应用所需要的功能，并提供各类协议栈和标准化驱动支持。使 我们不需要研究a r m 芯片内部功能部件和寄存器细节，通过编写相应的c 语言 代码就可以开发出功能强大的基于m i n i a r m 的嵌入式工控系统乜0 1 。 m i n i a r m 9 0 8 0 嵌入式工控模块功能特点如下： 内嵌“c o s i i 正版实时操作系统，开发者无需解决版权问题； 内置t c p i p 协议、r ”3 2 文件管理系统； 8 m b 内存，2 m bn o rf l a s h 程序存储器，支持c f 卡、u 盘、s d 卡及板 载2 5 6 m b 电子硬盘，存储数据方便快捷； 工业级l o m 以太网控制器、工业级2 路c a n 控制器、工业级u s bh o s t 控制器； 1 个3 2 位定时器( 外部事件计数器) 带1 路捕获和平1 路比较通道； 总线可扩展开关量i o ，a d c ，d a c ，多串口芯片； 内置带2 5 6 be 2 p r o m 和看门狗的复位监控电路；1 个可校准的低功耗外置 r t c 实时时钟( p c f 8 5 6 3 ) ； 1 路p w m 输出、2 路u a i 汀、1 路高速1 2 c 总线、1 路高速s p i 通信接口； 4 路1 0 位a d 转换器，单通道转换时间低至2 4 4 “s ； 2 0 路l v c m o s 电平g p i o ，可承受5 v 电压输入，2 路边沿电平触发外部 中断输入； 支持2 4 位地址和1 6 位数据总线扩展； 6 层p c b 工艺，尺寸7 0 m mx5 0 m m ；电压：3 3 v 士5 ，5 o v 士5 。 3 1 3m i n i a r m 9 0 8 0 嵌入式工控模块硬件结构概述 m i n i a r m 9 0 8 0 n 2 0 嵌入式工控模块主要由l p c 2 2 9 0 ( a r m 7 t d m i ) 微控制 器、程序存储器、数据存储器、工业级以太网控制器c s 8 9 0 0 a 组成。总线通过缓 冲保护电路与底板接口以保证微控制器总线运行不受外界的干扰。产品标配可校 1 2 硕i ：学位论文 准的实时时钟和带2 5 6 b y t e s e 2 p r o m 的复位监控电路。m i n i a r m 9 0 8 0 n 2 0 嵌入式 工控模块的硬件结构图如图3 2 所示。为系统开发人员提供的外部接口有： u a r t 0 、u a r t l 、s p i 、1 2 c 、c a n l 2 ，以太网接口以及总线接口等。 图3 2m i n i a r m 9 0 8 0 n 2 0 硬件结构图 m i n i a r m 9 0 8 0 n 2 0 嵌入式工控模块内置1 8 v l d o ，需输入电源3 3 v 士5 、 5 0 v 士5 ，在用工控模块进行产品开发时需要为核心板提供3 3 v 5 v 系统电源和 p c f 8 5 6 3 低功耗r t c 电源，i 汀c 电源范围为1 8 v 5 5 v 。 m i n i a r m 9 0 8 0 - n 2 0 嵌入式工控模块上总线器件的地址分配如表3 1 所示，其 它的地址空间属于保留空间，系统开发人员不可对其操作。也可以扩展外部总线 器件，可供开发人员使用的外部总线地址空间为：o x 8 2 0 00 0 0 0 0 x 8 2 f ff f f f 。 表3 1 工控模块总线地址分配 总线器件地址分配 n o rf l a s h 片外p s r a m 以太网 1 2 c o x 8 0 0 00 0 0 0 0 x 8 01ff f f f ( 2 mb y t e ) 0 x 8 1 0 00 0 0 0 一o x 8 ll ff f f f ( 2 mb y t e ) 0 x 8 3 0 00 0 0 0 o x 8 3 f ff f f f o x 8 0 ，0 x a o ，0 x a 2 3 1 4m i n i a r m 9 0 8 0 嵌入式工控模块用户资源列表 m i n i a r m 9 0 8 0 n 2 0 嵌入式工控模块将l p c 2 2 9 0 引脚功能进行了重定义，规范 每个引脚为固定功能，以配合m i n i a r m 产品标准驱动的开发。在进行产品开发时 必须注意l p c 2 2 9 0 部分中断输入、p 1 口均属核心板保留资源2 。m i n i a r m 9 0 8 0 n 2 0 嵌入式工控模块可供系统开发人员使用的资源列表如表3 2 所示。 车载数据采集j 通信装置的设计j 实现 i r q 中断优先级 3 1 5 c p u 硬件接口 用户g p i o a 用户g p i o b 用户g p i o c f l a s h r a m 空间 1 2 c 接口 s p i 接口 u a r o u a r l o 一