（检测技术与自动化装置专业论文）铁路放线车综合检测系统——基于armlinux的主控部分设计.pdf

c ， 一 一 膏 p fl 一、； ； 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技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所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 论文使用授权 加f o 年6 月5 - e t 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：经本锪导师签名：盔终 日期：勿。届年石月乡日 一 。 p _ ， f ， k ， k 摘要 摘要 铁路放线车是电气化铁路接触网施工的重要设备，接触网是否恒张力，会影 响到机车供电的稳定性和接触网本身的寿命，而目前国内设计的放线车通常没有 数字化检测设备来测量张力，接触网施工是否为恒张力，主要靠操作人员的经验 来判断。因此太原机车厂和本课题组合作，设计出了一套数字化检测系统，对放 线车作业进行实时在线检测。 现阶段，本课题组已完成基于x 8 6 架构的检测系统设计，系统功能基本正常， 达到预期目标。然后客户提出在现有检测指标不变的情况下，缩小现有检测系统 的体积，同时降低成本，以便安装到其生产的小型放线车上。基于此，本课题提 出基于a r m 和l i n u x 来设计小型化嵌入式检测系统的主控部分，配合现有的 a d t 4 0 1 采集板来构成小型系统。课题主要包含以下内容： 1 完成主控部分硬件的构建。选择$ 3 c 2 4 4 0 作为核心控制器，分析其内部资 源情况和铁路放线系统对硬件的需求，并分析需要保存的数据量，外扩s d 卡作存 储器。基于s 3 c 2 4 4 0 自带的l c d 控制器，扩展液晶触摸屏显示； 2 针对主控部分硬件平台的特点，修改u - b o o t 中关于n o r f l a s h 和n a n df l a s h 及d m 9 0 0 0 等的代码，最终实现u - b o o t 的移植。完成了l i n u x 内核镜像的剪裁和 交叉编译，文件系统和b u s y b o x 的配置及编译，s d 卡的底层驱动架构分析； 3 分析了p c 1 0 4 总线的时序，针对$ 3 c 2 4 4 0 的内部a h b 总线特点，开发了 p c 1 0 4 总线轮询驱动程序和中断驱动程序，并在l i n u x 2 6 2 2 内核中得以验证，设 计了采用d m a 驱动p c 1 0 4 总线的时序； 4 分析了在主控部分中采用液晶触摸屏的优势，并对比了常用触摸屏的优缺 点，分析并移植触摸屏校正程序，对比常见的嵌入式图形界面，选择q t e m b d e d d e d 开发适合课题需求的嵌入式图形界面： 5 针对嵌入式平台的特点，分析并选择s q l i t e 作为课题的数据库，实际配置 和交叉编译s q l i t e 并移植到目标系统，并测试分析数据库文件的大小，根据测试 的情况修改数据库表的结构； 关键字：放线车，a r m ，l i n u x ，p c 1 0 4 ，s q l i t e l 一 ， ， j 龟 a b s t r a c t a b s t r a c t r a i l w a ys t r i n g i n gc a ri s a l li m p o r t a n t e q u i p m e n tf o rr a i l w a yc o n s t r u c t i o n ，t h e c a t e n a r g sc o n s t a n tt e n s i o nw i l la f f e c tt h es t a b i l i t yo fl o c o m o t i v ep o w e ra n de a t e n a r y 。s o w nl i f e t i m e ，d i g i t a lt e s t i n ge q u i p m e n tf o rm e a s u r i n gt e n s i o no f t e nd on o ti n c l u d e di n p r e s e n tr a i l w a ys t r i n g i n gc a rd e s i g n e dd o m e s t i c l y , w h e t h e ri t i sc o n s t a n tt e n s i o n c o n s t r u c t i o ni sj u d g e db yo p e r a t o r s ot a i y u a nl o c o m o t i v ef a c t o r ya n do u rr e s e a r c h g r o u pc o l l a b o r a t et od e s i g na s e to fd i g i t a lm e a s u r e m e n ts y s t e mt od e t e c to p e r a t i o ni n r e a lt i m eo nl i n e f o rn o w , o u rg r o u ph a sc o m p l e t e dt h ed e s i g no fd e t e c t i o ns y s t e mb a s e do nx 8 6 a r c h i t e c m r e ，s y s t e mw o r kw e l l ，w h i c hh a v ea c h i e v e dt h ed e s i r e dg o a l t h e nt h e c u s t o m e rh o p ew ec a l lr e d u c et h es i z eo ft h ee x i s t i n gd e t e c t i n gs y s t e m ，w h i l er e d u c i n g c o s t sf o ri n s t a l l a t i o nt oi t ss m a l lr a i l w a ys t r i n g i n gc a ru n d e rt h ec o n d i t i o no fu n c h a n g e d t h ee x i s t i n gn o r m b a s e do nt h i s ，t h et h e s i sp r o p o s e dd e s i g n sas m a l ls y s t e m ，w h i c hi s m a k eu pb yt h em a i nc o n t r o lo ft h ed e t e c t i o ns y s t e m ，b a s e do na r ma n de m b e d d e d l i n u x ，t o g e t h e r 、) l ，i t l lt h ee x i s t i n g a d t 4 01 a c q u i s i t i o nb o a r d t h em a i nt o p i c s c o m p o n e n tt h et h e s i sa r e ： 1 ac o m p l e t es y s t e mh a r d w a r ec o n s t r u c t i o nw a sf i n i s h e d ，w h i c hi sb a s e do n $ 3 c 2 4 4 0c o r ec o n t r o l l e r t h e ns dc a r dw a se m p l o y e di nt h es y s t e ms i n c et h es t o r a g e r e s o u r c eo f $ 3 c 2 4 4 0w a sn o ts u f f i c i e n t ，t h es t o r a g i n gd a t av o l u m ew a sc a l c u l a t ed u et o t h en u m b e ro fs e n s o n l c dt o u c hs c r e e i lw a se m p l o y e ds i n c et h es 3 c 2 4 4 0c o n t a i nt h e l c dc o n t r o l l e r 2 t h ec o d ei nu - b o o tc o n c e r n i n gn o rf l a s h ，n a n df l a s ha n dd m 9 0 0 0w a s m o d i f i e dt ot h eh a r d w a r e ，f i n a l l yf i n i s h i n gt h et r a n s p l a n to fu - b o o t a l s ot h el i n u x k e r n e lt a i l o r i n ga n dc r o s sc o m p i l a t i o nw a sf i n i s h e d ，a sw e l la sf i l es y s t e ma n db u s y b o x t h eu n d e r l y i n gd r i v e rs t r u c t u r ew a sa l s oa n a l y s i s e di nt h et h e s i s 3 d e v e l o p i n gp c 10 4b u sd r i v e ra n di n t e r r u p tp o l l i n gd r i v e ra c c o r d i n gt ot i m i n g s e q u e n c ea n dt h ef e a t u r eo fi n t e r n a la i - i bb u si ns 3 c 2 4 4 0 i tw a st e s t e da n dv e r i f e di n l i n u xk e r n e lo f2 6 2 2 t h et i m i n gs e q u e n c eo fe m p l o y i n gd m a d r i v e r i n gp c 10 4w a s a l s od e s i g n e di nt h i st h e s i s 、， a b s t r a ( 了r 4 t h ea d v a n t a g e so fu s i n gt o u c hs c r e e ni nt h em a i nc o n t r o l l e ri sa n a l y z e d ，r e s i s t i v e t o u c hs c r e e i lw a st h ec o n c l u s i v ec h o i c e ，b a s eo nc o m p a r i n gr e l a t i v em e r i t so fl d n d so f c o m n l o nt o u c hs c r e e n ，t h e nc h o o s eq t e m b d e d d e da st h ee m b e d d e ds y s t e mg r a p h i c a l u s e ri n t e r f a c e ( g u i ) a f t e rc o m p a r i n gh a c k n e y e dg u i 5 s q l i t ew a st h ef i n a ld a t a b a s eo ft h i st h e s i so w i n g t oc h a r a c t e r i s t i co fe m b e d d e d s y s t e m t h et h e s i sh a sc o n f i g u r a t e d a n da n dc r o s sc o m p i l e dd a t a b a s et ot a r g e ts y s t e m ， t h e nd e m o n s t r a t e dt h em e t h o ds q l i t e u s i n g i n t h e s y s t e m a n d t e s t i n gd a t a s t o r e d c h a n g e dt h es t r u c t u r eo f t a b l e so f d a t a b a s ea c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l t k e y w o r d s ：s t r i n g i n gc a r , a r m ，l i n u x ，p c 10 4 ，s q l i t e i i i 目录 目一录 第一章绪论l 1 1 研究背景1 1 2 国内外研究概况2 1 3 课题主要完成工作5 第二章放线车的需求分析及主控部分硬件设计6 2 1 张力放线车的组成6 2 2 检测系统的需求分析7 2 2 1 检测指标7 2 2 2 张力检测需求分析7 2 2 3 功能需求8 2 3a r m 主控板与x 8 6 工控机比较8 2 4 基于a r m 的主控部分硬件设计1 0 2 5 主控部分与a d t 4 0 1 采集板的连接1 3 2 5 1p c 1 0 4 总线规范1 3 、2 5 2p c 1 0 4 总线控制时序1 6 2 6 本章小结1 8 第三章l i n u x 系统下底层驱动设计1 9 3 1 开发环境的建立1 9 3 2b o o t l o a d e r 移植2 1 3 2 1 配置u - b o o t 。2 1 3 2 2 编译及烧写u - b o o t 2 2 3 3 文件系统。2 3 3 4s d 卡驱动2 6 3 4 1s d 卡的特点及物理结构。2 6 3 4 2s d 卡在l i n u x 系统下的驱动设计2 8 3 5p c 1 0 4 总线的驱动3 1 3 5 3 轮询方式的驱动3 2 3 5 4 中断方式的驱动3 4 i v 目录 3 6 本章小结3 5 第四章嵌入式图形界面的设计。3 6 4 1 嵌入式g u i ：。3 6 4 1 1 嵌入式g u i 的种类3 7 4 1 2 触摸屏在g u i 中的应用3 7 4 2q t o p i a 在放线车项目中的应用3 8 4 2 1q t o p i a 开发方法3 8 4 2 2 放线车检测系统的界面设计4 0 4 2 3 库移植及交叉编译4 2 4 2 4 触摸屏的校正4 3 4 3 本章小结4 5 第五章嵌入式数据库4 6 5 1 采集数据量4 6 5 2 嵌入式数据库的选择4 7 5 3s q l i t e 的移植及开发4 8 5 4 本章小结5l 第六章调试及性能优化5 2 6 1 非操作系统下调试目标板5 2 6 2 在l i n u x 下的调试5 5 6 2 1 模块化加载方法5 5 6 2 2 性能测试5 6 6 3 系统性能优化一：。5 8 6 4 本章小结5 9 第七章总结与展望6 0 7 1 总结6 0 7 2 展望6 0 致谢二6 2 参考文献一6 3 硕士研究生期间取得的研究成果6 5 附图6 6 v 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 中国的改革开放，随之而来的经济的快速发展。使得中国铁路建设的落后得 以呈现出来，铁路建设明显滞后于经济的发展速度而逐渐成为了经济进一步提速 的制约条件。在这样的情况下，中国开始加快铁路的建设步伐，而目前国内的大 部分已建铁路和待建铁路都为电气化铁路。在电气化铁路中，除了轨道外，接触 网是构成电气化运行的重要部分，它在保证整个电气化铁路的良好运行方面起着 重要作用。电气化铁路的快速建设，需要接触网放线设备能够高效率、优质的作 业，恒张力是接触网放线的一个重要指标，也成为了衡量铁路放线车作业质量的 一个重要指标。 接触网放线车根据其牵引力的来源分为独立牵引和自走两种类型，前者需要 有一辆动力车来牵引放线车组作业，这在结构设计上，更为方便，缺点是占用更 多空间；后者把牵引车和放线车整合为一辆车，使得放线操作更为灵活方便，缺 点是结构设计复杂。铁路放线车设计的基本要求是放线设备随着牵引力的起、停 和制动时，保持放线架上的张力恒定，且不对线缆产生损伤；能够根据线缆的不 同设定放线张力，根据线缆的不同调整放线的方式；能够实现流水线作业；剩余 尾线控制到最短。 根据其功能的不同，铁路放线车可分为张力设定、张力产生、张力检测和张 力调节四个部分。张力设定是指用户根据放线线缆的不同而设定不同的张力；张 力产生功能由放线车上的张力增加盘实现，一般是通过线缆在张力增加盘和制动 盘上缠绕若干圈实现；张力检测在模拟调节控制的放线车上一般是模拟量的测量 方式，即随着张力大小的改变，反馈发生同样变化；张力调节一般是机械制动装 置，制动力的大小与张力设定和检测张力的差值成一定比例关系，使得实际张力 超过设定时加快出线速度，反之则减小出线速度。整套装置还要求不对放线线缆 产生损伤，在一个锚段放线完毕后，可根据需要落锚或是做其他处理【。整个放线 系统应该是一套闭环自动调节系统，并带有张力超限报警功能及复位能力。 铁路放线车性能的进一步提高，则需要张力检测水平的进一步提高。铁路放 线车检测系统作为测量放线车是否为恒张力放线作业的检测系统，其检测的实时 电子科技大学硕士学位论文 性、准确性对于衡量放线车指标有着决定作用，因此设计出一套具有反应速度快， 精确度高的检测系统具有十分重要的意义。 而现完成的检测系统是基于x 8 6 工控机的系统，需要独立监控室来安装。而 在实际应用中，客户提出针对某些小型的铁路放线车，设计出体积小巧，低成本 的检测系统。在这样的情况下，本课题针对铁路放线车的基本检测指标要求，配 合原有的a d t 4 0 1 采集板，设计出嵌入式检测系统的主控部分。 目前的检测系统向着两个方向发展，一是向着智能模块化方向发展【2 】，二是向 小型化方向发展 3 】。模块化的思想是同一产品适用于不同场合，可以降低产品生产 成本。如采用基于总线的方式，各检测传感器均为智能传感器，通过总线方式连 接到系统的控制中心，由控制中心对各传感器数据进行分析、存储、生成报表和 打印等。这对于加快产品的调试速度，快速增加产品功能都提供了方便。而小型 化则是针对不同场合，对性能要求的不同而有针对的设计出检测系统，该检测系 统充分利用最新的技术，做n 4 , 型化从而可以很方便地嵌入在作业车上，同时它 的低成本对于设备的升级和更新换代也提供了有利条件。模块化的设计方法对于 大批量生产十分有利，而对于小批量的量产，则不能突出其优点；而小型化则在 控n 4 , 批量生产成本和设计难度上都有突出表现，这也是未来所有检测系统的一 个发展方向。 本课题即根据铁路放线车对于检测的需求，提出一套基于嵌入式a r m 和 l i n u x 操作系统的嵌入式检测方案，从而在铁路放线车的检测设备上，提供了另外 一种可选的小型化检测系统。 1 2 国内外研究概况 由于国内铁路建设的长期落后，因此在铁路放线车的设计开发方面，国内技 术距离国外的水平还有一段差距。 国外设计生产铁路放线车的厂家主要有奥地利的普拉塞，意大利的吉斯玛， 欧玛克、钛斯米克、德国的杰科【l 】。德国做为一个工业强国，其接触网的发展现状， 在一定程度上代表了国外的放线车的水平。德国开发的放线车一般都可以实现自 动化操作，其性能更稳定，放线效率更高，表现在牵引停止后再启动不会急加速 而损伤线缆。某些放线车还配备遥控装置，以获得更好的操作体验和更高的作业 效率。 国外的进口放线车由于是针对该国地理环境来开发设计的，虽然有精度较高， 2 第一章绪论 性能较好，自动化程度高等优点，但是却普遍存在造价高，系统结构复杂，维护 成本高的缺点。引入国内后，有许多设计不适用于国内，同时，国外的放线张力 检测装置的管理及操作方法同样跟国内的实际情况不匹配，基于此，国内一些机 车部门早些年便开始进行关于铁路放线车的研究。如西安铁路局科学技术研究所， 北车集团太原机车厂、襄樊金鹰轨道车辆有限公司近年来先后自主研发了不同规 格的小张力和恒张力放线车。中铁宝鸡工程车辆有限公司和中铁昆明车辆有限公 司也研发出了质量更高的铁路放线设备，国内正期盼着有更多的具有自主知识产 权的铁路放线车的开发，以逐步替代性能指标落后的放线车，满足我国高标准铁 路接触网的放线要求。 国内设计开发的铁路放线车普遍存在的一些问题为： ( 1 ) 没有统一标准，各厂家按照自己的标准来设计开发，使得产品没有通用性并降 低了开发效率； ( 2 ) 小型张力放线车存在放线张力不恒定、放线质量差、会对线产生损伤等问题； ( 3 ) 线缆张力保护措施不够完善，当出现张力过大情况时，不能紧急调节； ( 4 ) 不能够自动适应各种不同的线缆，当更换放线线缆时，需要手动更换放线部件； ( 5 ) 大部分张力控制系统还停留在模拟调节控制阶段，未能进入全数字化。 针对以上情况，国内要设计出规格统一，数字化的全自动闭环恒张力放线控 制系统，是一件任重道远的事。而随着国家对铁路建设投资的增长，设计开发出 高性能的检测系统己成为迫切需要解决的问题，计算机技术的快速发展正好为此 提供了条件。 目前设计检测系统可以选择功能强大的x 8 6 处理器，或是选择功耗低的嵌入 式处理器，本课题组开发完成的铁路放线车检测系统即选用x 8 6 处理器的工控机， 该系统运行良好，这样的情况下，客户进一步提出，在基本检测指标不变的情况 下，设计出小型嵌入式系统，以满足某些小型放线车的需求。 在小型化嵌入式领域中，一款功耗低、性能高和外围接口丰富的处理器显得 尤为重要。在嵌入式领域中常见的处理器有p o w e rp c 、m i p s 、a r m s t r o n g h r m 系列等，而涉及领域最广、提供常用接口最多、配套工具及开发资料最全的是a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 系列，发展至今，其产品已经遍布嵌入控制、消费 教育类多媒体和移动式应用等各个领域。在全部的3 2 位r i s c 微处理器领域，a r m 占据了7 5 以上的市场份额，这足以证明其技术的优势。将设计资源丰富，相关 软件齐全的a r m 处理器用于铁路放线车检测系统中，对于设计开发和维护都将会 个良好的开端。 电子科技大学硕士学位论文 由于嵌入式处理器资源有限，必然需要嵌入式操作系统与之配套，而嵌入式 操作系统又分为实时操作系统和非实时操作系统。实时操作系统在处理对实时性 要求较高的数据方面性能表现更好，大部分性能稳定的嵌入式实时操作系统均己 商业化。如w i n d r i v e r 和n u c l e a r 国外产品，及国内的科银( c o r e t e k ) 公司的 d e l t a s y s t e m ，中科院的“女娲h o p e n ”等。在手持设备领域，考虑成本的因素， 操作系统一般选择为基于非实时操作系统的改进版本，如l i n u x 这样的系统，它能 够满足普通的系统应用，而且全部代码开源，在维护性和升级性能方面，更具有 优势。 l i n u x 系统于1 9 9 1 年被设计出来，它的开发者是芬兰赫尔辛基大学的l i n u s t o r v a l d s ，1 9 9 4 年有了1 0 版本，类似于u n i x 操作系统。由于其开源性，l i n u x 得到了众多使用者的支持，其发展速度也因此大大加快，其方向逐渐分为桌面领 域和嵌入式领域。桌面领域针对家用p c 机和服务器；嵌入式领域有针对实时控制 的和手持设备的。实时性较强的嵌入式l i n u x 一般为公司所开发然后遵循 l g p l ( l e s s e rg e n e r a lp u b l i cl i c e n s e ) 条款发布，在某些方面，依然是需要收费的， 而且，通常情况下，实时l i n u x 系统会去掉图形界面显示等响应较慢的设备。而针 对手持设备的l i n u x 虽然不具备完全实时性能，但是在改进其实时性之后，其外设 响应速度已经可以满足需求，本课题即基于这样的l i n u x 系统来进行开发的。 在嵌入式操作系统中运行的软件通常称为嵌入式软件。通常嵌入式系统存储 空间有限，运算能力有限，因此在设计嵌入式软件时，不仅仅要求代码紧凑，可 靠性好等，在某些情况下，还需要测试，以确定编写的代码是时间优先还是空间 优先，以便有针对性的改进。通常情况下，嵌入式系统的软件是与硬件相关的， 因此在代码编写方面，既需要熟悉所选择的嵌入式操作系统，熟悉代码编写规范， 还要熟悉硬件平台本身的可用资源，这可以充分发挥特定的硬件平台效率而又不 会使系统满负荷的运行【4 j 。 在检测系统中，采用总线方式来进行数据采集，便于采集板与核心系统的分 开设计，对于采集板的升级也十分方便。i s a ，p c i ，p c i e 都是计算机内部的总线， 其速度从低到高，是渐渐发展起来的，i s a 的速率只有8 m b s ，p c ie x p r e s s 还处于 发展之中，目前其稳定的传输速率已经达到了5 g b s 5 1 。而在实际的数据采集系统 设计中，并不是速率越快表现越好，而是根据系统实际带宽需要和现场的复杂情 况来选择一种总线，i s a 以其稳定的工作性能，简单的设计方法使得在现代的很多 采集系统里，依旧被采用【6 】。在嵌入式系统里的i s a 总线需要满足工业现场的条件， 于是其结构被改变并重命名为p c 1 0 4 总线，其连接形式更加可靠、灵活，模板工 4 第一章绪论 作温度范围加宽，电源要求更简单。采用p c 1 0 4 总线的采集板具有堆叠能力，通 过硬件地址区分各板卡，对于系统扩展更为方便。 检测设备离不开图形界面显示g u i ( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ) ，这是最直观的检 测结果显示装置。在嵌入式系统中使用的g u i 都为嵌入式g u i ，而嵌入式g u i 具 有下面几个方面的基本要求：轻型、占用资源少、高性能、高可靠性、便于移植、 可配置等特点。q t o p i a 就是这样一种g u i ，它采用面向对象编程，拥有良好的体 系架构和编程模式，技术支持广泛，其自由版的开源性良好。国内已经有铁路设 备的相关机构研究机构采用o t 来设计铁路线上的g u i ，并取得了积极的成果【_ 7 1 。 基于以上的分析和选择，本课题设计开发测量精度高，性能稳定的测量显示 系统，以进一步提高放线车的性能，实现放线车的数字化。 1 3 课题主要完成工作 现有的铁路放线车检测系统，是与太原机车厂合作的项目，该项目的硬件是 由基于x 8 6 控制核心的工控机和针对该项目设计的a d t 4 0 1 采集板组成，操作系 统为w i n d o w s2 0 0 0 桌面系统，运行软件为s q l2 0 0 5 数据库和c v i 界面显示，显 示界面为1 5 寸液晶屏，并配上标准1 0 4 键盘和鼠标，由于部件较多，需要操作台 来安装该系统。 根据客户的需求，即系统基本检测功能和指标不变，同时考虑现有采集板运 行良好的实际情况，课题提出设计检测系统的主控部分，以代替现有系统的工控 机部分。设计出的主控部分以a r m 处理器为核心，并使用总线方式与采集板连接， 搭配3 5 寸触摸屏，省掉了体积较大的1 5 寸液晶屏和标准键盘及鼠标，从而完成 了系统的小型化、低成本方案设计。由于更换了使用精简指令集的a r m 控制核心， 基于复杂指令集的w i n d o w s 操作系统不能在本课题中使用，于是相应的图形界面 系统，数据库都需要配合。基于以上思想，本课题完成了以下工作： 1 系统主控部分的设计； 2 嵌入式l i n u x 系统的剪裁和移植，嵌入式文件系统的移植； 3 p c 1 0 4 总线在l i n u x 系统下的驱动设计： 4 嵌入式图形界面( g u i ) 的选择及界面设计； 主控部分设计的难点在于，a r m 控制器要求能够驱动原来运行在x 8 6 平台上 的a d t 4 0 1 采集板，系统的界面显示变量较多时会对系统带来很大的负荷压力， 数据库要求消耗极少内存，并且所有软件均要求为开源免费，尽可能降低成本。 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章放线车的需求分析及主控部分硬件设计 2 1 张力放线车的组成 常见的铁路放线车一般是由牵引车和放线作业车两节车厢组成的。牵引车除 提供牵引力之外，还对放线作业车提供电力。作业车主要组成部分有液压制动， 放线拉伸气缸，放线盘，张力增加盘，放线线缆等，如图2 1 所示。 图2 一l 放线车组成不葸图 整个系统是一套模拟闭合自动调节系统，带有油压和气压模拟显示表，但是 精度不高。检测系统的张力传感器安装在放线线缆上；拉力传感器安装在气缸的 拉杆上；线盘制动油压传感器和张力盘制动油压传感器串入油压管道检测；进气 压力传感器串接在气路系统中；大气压力传感器裸露在室外。 现完成的检测系统是基于x 8 6 工控机的，由于发热量较大不能密闭，同时显 示液晶屏需要固定支架，所以用一个独立的操作台安装工控机，液晶显示屏，鼠 标键盘及风扇等，整个操作台还需要一个监控室以避免遭到光晒和雨淋，在大型 铁路放线车上，设立独立的监控室会使得整套系统各个部分功能更明确，而对于 小型放线车来说，却会有一些困难，因此客户提出设计小型检测系统的需求。 6 第二章放线车的需求分析及主控部分硬件设计 2 2 检测系统的需求分析 整套铁路放线车检测系统要求安装在铁路放线车上，能够在线实时测量并保 存放线线缆张力、放线速度、气压、液压等变量，整套系统为数字化测量，能提 供主要变量如放线张力值的现场显示。 2 2 1 检测指标 ( 1 ) 张力测量指标 测量张力范围：5 - 一3 0k n ；测量精度误差：1 f s ；测量分辨率：0 1 f s 。 ( 2 ) 放线速度 测量范围：0 2 0k m h ，测量精度：l f s ： ( 3 ) 气压和液压 气压测量范围：0 1m p a ，测量精度：1 f s ： 液压测量范围：0 - - - 1 0 v p a ，测量精度：1 f s 。 2 2 2 张力检测需求分析 ( 1 ) 张力测量指标分析 测量直径关系到传感器的选型；测量张力范围、精度和误差，涉及传感器的 精度及前端信号调理电路，同时也跟a d 采集的位数和张力显示精度有关。干分 之一的精度要求a d 至少1 0 位以上，而考虑一些余量，则应该选择1 2 位的a d ， 以保持采样精度。 ( 2 ) 放线速度指标分析 放线速度涉及所使用的定时计数器位数，放线速度的脉冲探测器被安置在张 力放线盘上，总共3 个，以放线盘为中心，3 个探测器互相形成6 0 度的角。最高 速度2 0 k m h 约合6 m s ( 实际为5 6 ，使用进一法得6 ) ，根据放线盘的实际物理结构 特点，即放线盘半径约1 米，则探测器发出探测脉冲最快速度为6 个每秒，按1 的测量精度和计数基准源为1 0 0 k h z 计算，需要的计数器位数最低为2 1 位，这是 放线最快的情况；而最慢情况本课题拟合0 3 3 m s 计算，因为放线车以低于这个速 度作业时，脉冲探测器需要超过3 s 才会检测到一个脉冲，然后才进行实时显示更 新，这在视觉上是最低限，低于这个速度则认为放线近似停止了。在这种情况下， 定时计数器最低要求计数位数为2 3 位，考虑余量及计数器的位数问题，定时计数 7 电子科技大学硕士学位论文 器设定为2 4 位。 ( 3 ) 气压和液压指标分析 该部分情况和张力测量类似，需要1 2 位以上精度的a d 采集。 2 2 3 功能需求 ( 1 ) 完成检测系统对线缆张力、气压、液压等的测量。其中张力值能够在液晶屏上 显示，其余变量根据操作模式决定是否显示。 ( 2 ) 能够完成放速度的测量并显示在液晶屏上。 ( 3 ) 液晶屏能够接受现场操作输入，能根据需要提供两种操作模式：客户模式和工 程师模式。其中，客户模式只提供系统主要检测变量的显示，如张力值，放线速 度；而工程师模式则可以显示全部的测量变量的值，以提供系统校正参考等。 ( 4 ) 全部测量得到的数据都能够存入数据库。 而结合放线车的实际情况，得出需要检测的各传感器如表2 1 所示： 表2 1 放线车安装的全部传感器 张力 实际 线盘张力盘基准 位移 总进气 基准 名称 设定张力制动油压制动油压 气压 信号 压力 电压 数量 22222211 据此，传感器通道容量选定为1 6 通道，每一路通道数据位数为1 6 位。在放 线作业中，程序设定每秒实现3 次轮询测量，每秒更新l c d 显示数据3 次，保存 所有测量数据。同时需要考虑到检测系统的三点要求： ( 1 ) 系统要有显示接口； ( 2 ) 系统要有便携存储卡接口，如s d 卡接口或c f 卡接口等； ( 3 ) 系统要能在工业级温度范围内正常工作。 2 3a r m 主控板与x 8 6 工控机比较 根据客户需求，要使系统小型化并且能降低成本，使用嵌入式处理器来设计 主控部分，以代替工控机是比较好且方便的选择。嵌入式处理器与x 8 6 处理器各 有优缺点。 常见的嵌入式处理器有a r m ，m i p s 和p o w e r p c 系列，它们各有特色和专长， m i p s 专注于制造高性能、高档次的嵌入式处理器；p o w e r p c 则具有架构可伸缩性 好，方便灵活的特点；a r m 则专注于设计高性能、廉价、耗能低的r i s c 处理器， 第二章放线车的需求分析及主控部分硬件设计 如$ 3 c 2 4 4 0 就是一款高性能，低功耗，而价格又极具优势的处理器。综合考虑造 价问题和系统对硬件的需求，本课题最终选择该处理器来设计控制核心。设计出 来的主控系统与原x 8 6 工控机的性能比较如表2 2 所示。 表2 2a r m 主控部分与原工控机对比 比较项a r m 主控部务现有x 8 61 二控机系统 支持操作系统嵌入式l i n u x 、t a c o s 等w i n d o w s 等 系统功能 堕一 很多 设计开发周期 稍长 稍短 成本较低较高 功耗较低较高 体积小大 软件版权可选免费开源版本需要购买版权 从上表分析可看出，使用a r m 设计出来的主控部分，通过搭配合适的操作系 统、图形界面系统和数据库，可以做到检测指标不变而体积变小，成本降低的要 求的。 $ 3 c 2 4 4 0 功能很强大，但是最主要的问题是其1 0 位a d 的精度不能满足系统 采集要求的，据此，需要扩展1 2 位的a d 。为充分利用现有资源，提高开发速度， 并提高检测系统的可维护性，课题利用了现有的x 8 6 系统中的采集板，该采集板 能采集所有通道的a d 值，同时具有放线速度测量功能，它与主控系统的通信是 通过p c 1 0 4 总线的方式的，基于此，课题系统总体结构如图2 2 所示。 图2 2 系统总体结构 9 电子科技大学硕士学位论文 由$ 3 c 2 4 4 0 设计主控系统可以减小系统造价和体积，本课题的任务就是设计 图2 2 虚线中所示的主控部分，该部分在现有项目中是由x 8 6 工控机和1 5 寸液晶 屏完成的。由于机车系统一般供电为2 4 v 或者4 8 v ，如果直接在最小系统上变换 为$ 3 c 2 4 4 0 使用的5 v 和3 3 v ，则电压转换比较高，可能会引起电磁干扰等其他 问题，为从源头上解决这个问题，同时也方便调试系统，本课题的最小系统只接 收输入电压为1 2 v ，而电压的外部调节，则根据机车的实际供电情况，由其他模 块负责调节。 系统的信息流向为，采集板接收配置和控制命令，发送l c d 显示数据给显示 屏，接收触摸屏位置电压信号并在a r m 主控部分中转换成对应的控制命令，调试 信息和在调试过程中，需要用到调试电缆，调试命令和输出信息通过该线缆传送 到p c 机。采集数据的存储，以及系统镜像的存储，则在主控板上完成。 2 4 基于a r m 的主控部分硬件设计 删公司是专门设计删协议的公司，而删芯片的生产均采用授权的 方式，$ 3 c 2 4 4 0 便是三星公司在获得a r m 9 2 0 t 架构的授权后推出的一款非常成功 的产品，满足工业级工作温度要求，最低达4 0 。 $ 3 c 2 4 4 0 的开发也是针对手持设备产品的，它同样提供了常用手持设备产品 的外围接口电路，如l c d 控制器、触摸屏输入接口、1 0 位8 通道a d 输入接口、 最大像素为4 0 9 6 * 4 0 9 6 的通用摄像头接口控制器、1 1 版本的s d 卡接口控制器等， $ 3 c 2 4 4 0 的内部供电电压只有1 2 v ，而外部i o 电压为3 3 v ，并且电源的供电方 式可配置为正常、慢速、空闲和休眠模式，这些措施使得$ 3 c 2 4 4 0 在节能方面都 有出色表现。s 3 c 2 4 4 0 可以在1 6 位和3 2 位数据处理宽度之间转换，搭配 h m b h ( a d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l e rb u sa r c h i t e c t u r e ) 、内部脚7 ( m 锄。巧 m a n a g e m e n tu n i t ) 功能以及1 6 k b 指令c a c h e 、1 6 k b 数据c a c h e ，这使得它成为了 一款典型的低功耗、高性能的嵌入式处理器。它能够运行常见的操作系统，如 l ac o s 、w i n d o w sc e 和l i n u x 等。 除此之外，$ 3 c 2 4 4 0 还具备带有四路d m a ( d i r e c tm e m o r ya c c e s s ) 控制及外部 d m a 请求输入通道，为外部大规模数据传输提供了便捷通道。 $ 3 c 2 4 4 0 的架构继承了a r m9 2 0 t 的架构，其控制器内部使用总线方式连接 各设备，如图2 3 所示。 1 0 图2 - 3s 3 c 2 4 4 0 内部组成 $ 3 c 2 4 4 0 的内部总线则分为a m b a ，a h b 和a p b 。a