（电路与系统专业论文）机电设备监测终端的设计.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s t h e d e s i g no f a m o n i t o r i n g t e r m i n a lu i n t o fm e c h a n i c a l e l e c t r i c a ld e v i c e 彳t h e s i s s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t f o rt h em e 。d e g r e ei nc i r c u i t s y s t e m b y x i et i n g p o s t g r a d u a t ep r o g r a m c o l l e g eo fp h y s i c a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g y c e n t r a lc h i n an o r m a lu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r ：h u a n gg u a n g m i n g a c a d e m i ct i t l e ：p r o f e s s o r s i g n a t u r e a p p r o v e d m a y , 2 0 1 1 脚0 删6舢5 9舢9 删8舢1 胛丫 硕士学位论文 m a s t e r st i t e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 讯鸡 日期：2 0 1 1 年6 月f 日 学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解华中师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华中师范大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅和借阅； 学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名： 弓巨融当 日期：) 0 1 1 年胡j 日 导师签名：矗卜1 切 日期：“年月。日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程 ，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库 中全文发布，并可按“章程 中的 规定享受相关权益。回意论塞握童厦溢质；旦坐生；旦二生；旦三生筮盔! 作者签名：谕d 害 日期：芦l | 年6 月j 日 导师签名，毒 1 日期：各t ，年月1 日 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 机电设备在很多复杂的大型装备中处于十分核心的地位，若机电设备的故障得 不到及时的发现与正确的维护，整个大型装备的正常运行将会受到影响，还会造成 巨大的经济损失，这就使得机电设备的状态监测十分必要。因此，进行机电设备监 测系统的研制具有十分现实的意义。 机电设备监测系统一般由监测系统主控制端和监测终端两部分组成。本文根据 机电设备监测系统的发展现状，结合国内外的先进技术，设计了一款机电设备监测 终端。该终端主要完成对机电设备运行参数的采集处理和存储再现，并且能与监测 系统主控制端通讯，由主控制端对采集数据作进一步的处理与分析，为机电设备的 故障诊断和维修提供更加全面的信息。 在介绍机电设备监测系统工作原理的基础上，本文根据机电设备监测终端的功 能和性能需求，提出了基于砧w 9 $ 3 c 2 4 4 0 和晰n c e 操作系统的整体设计方案， 并详细阐述了整个系统的设计思想和各个子系统的功能实现。 本文详细介绍了机电设备监测终端的硬件设计方案，该方案主要采用模块化的 设计思想，实现了包括$ 3 c 2 4 4 0 核心板、直流模拟量数字开关量的采集、继电器 控制输出、通讯接口( 1 塔2 3 2 接口扩展、r s 4 8 5 等) 、吓t 液晶显示、电能计量、 温度监测等模块的功能。其中电能计量模块的设计基于控制芯片a r mc o r t e x m 3 和电能计量芯片a t t 7 0 2 2 c ，温度监测模块的设计基于控制芯片s t c l 0 f 0 4 和数字 温度传感器d s l 8 8 2 0 。 本文还对监测终端软件部分的设计进行了阐述，软件部分主要包括嵌入式 w i n c e 系统搭建、设备驱动开发以及应用程序的开发。重点介绍了w i n c e 系统的 定制，a d c 驱动程序的开发以及整体应用界面的开发。 最后，分别对各个子模块的功能和指标进行了测试。根据测试结果，可以看出 各个模块的设计达到了预期的设计要求。 关键词：监测终端；故障诊断；数据采集；a r m 9s 3 c 2 4 4 0 ：嵌入式w i n c e 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t m e c h a n i c a l e l e c t r i c a le q u i p m e n tp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei nm a n yl a r g ea n d c o m p l e xe q u i p m e n t t h en o r m a lo p e r a t i o no fl a r g ee q u i p m e n tw i l lb ea f f e c t e di ft h el a c k o ft i m e l yd i s c o v e r ya n dp r o p e rm a i n t e n a n c ef o r t h ef a u l to fm e c h a n i c a l e l e c t r i c a l e q u i p m e n t ,c a u s i n gh u g e e c o n o m i c l o s s e s t h u s ，m o n i t o r i n gs y s t e m o f m e c h a n i c a l e l e c t r i c a ld e v i c e sd e v e l o p i n gi si n e v i t a b l e i ng e n e r a l ，t h e m o n i t o r i n gs y s t e mb yt h em a i nc o n t r o lc e n t e ra n dm o n i t o r i n g t e r m i n a lu i n ts i d eo f t w op a r t s c o m b i n e dw i lt h ed e v e l o p m e n ta n da d v a n c e dt e c h n o l o g y h o m ea n d a b r o a da b o u tf a u l t d i a g n o s e ，am o n i t o r i n g t e r m i n a lu i n to f m e c h a n i c a l e l e c t r i c a ld e v i c eh a sb e e nd e v e l o p e d i tc a l lb ea c h i e v e dn o to n l yi nd a t a c o l l e c t i o n , d a t ap r o c e s s i n g ，d a t as t o r a g ea n dd i s p l a y ，b u ta l s o 谢lt h em a i nc o n t r o lc e n t e r c o m m u n i c a t i o n ，t h ec o m p l e t i o no ff u r t h e rp r o c e s s i n go fd a t aa n dt h er e s u l t sb ym a i n c o n t r o lc e n t e rs h o wt h a tt h ec o n d i t i o n b a s e dm a i n t e n a n c ef o rt h em e c h a n i c a l e l e c t r i c a l d e v i c e ，f a u l td i a g n o s i si n f o r m a t i o n a f t e r i n t r o d u c i n g t h e t h e o r y o ft h e m o n i t o r i n g t e r m i n a l s y s t e m o f m e c h a n i c a l e l e c t r i c a ld e v i c e ，ad e s i g nb a s e do na r m 9 $ 3 c 2 4 4 0a n dw i n c eo p e r a t i o n w a sg i v e ni nt h i st h e s i s ，b a s e do na n a l y z i n gt h en e e d so ft h em o n i t o r i n gt e r m i n a lu i n t s p e r f o r m a n c e t h ew h o l ed e s i g ni d e aa n de a c hp a r t s w o r k i n gp r i n c i p l e sa n dd e s i g ni d e a s w e r ee x p o u n d e di nd e t a i l t h ed e s i g no ft h em o n i t o r i n gt e r m i n a lu i n t sh a r d w a r eh a sb e e nd e v e l o p e d ，w h i c h a d o p t e dm o d u l a rm e t h o d s i tc o n t a i n s $ 3 c 2 4 4 0c o r ep a n e l ，d ca n a l o g d i g i t a ls w i t c h c o l l e c t i o n ，r e l a yo u t p u tc o n t r o l ，c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ( r s 2 3 2i n t e r f a c ee x p a n s i o n , r s 4 8 5 ，e t c ) ，t f t - l c dd i s p l a y ，p o w e rm e a s u r e m e n t ，t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ， e t c p o w e rm e a s u r e m e n tm o d u l eb a s e do na r mc o r t e x m 3a n de n e r g ym e t e r i n gc h i p a t t 7 0 2 2 c t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tm o d u l eb a s e do i ls t c 10 f 0 4a n dt e m p e r a t u r e s e n s o rc h i pd s18 8 2 0 t h ed e s i g no ft h e m o n i t o r i n gt e r m i n a l u i n t se m b e d d e ds o f t w a r eh a sb e e n d e v e l o p e d ，i n c l u d i n ge m b e d d e dw i n c es o f t w a r es y s t e mc o n s t r u c t i o n ，h a r d w a r e d r i v e n d e v e l o p m e n t ，a p p l i c a t i o np r o g r a md e s i g n t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n to f 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s e m b e d d e dw i n c ea n dt h ea d ch a r d w a r e d r i v e nd e v e l o p m e n tp r o c e s s b e s i d e so ft h i s ，i t a l s ob r i e f l yd e s c r i b e da p p l i c a t i o np r o g r a md e s i g n a f t e rt h ec o m p l e t i o no ft h ev a r i o u sp a r t so ft h ed e s i g n ，o nt h ev a r i o u sp a r t so ft h e d e b u g g i n g t h er e s u l t sf r o mt h et e s t i n g ，v a r i o u sp a r t sa c h i e v et h ed e s i r e df u n c t i o n k e yw o r d s ：m o n i t o r i n gt e r m i n a lu i n t ；f a u l td i a g n o s e ；d a t ac o l l e c t i o n ；a r m 9 s 3 c 2 4 4 0 ；e m b e d d e dw i l l c e 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论 1 1 1 研究意义及背景l 1 2 国内外研究现状1 l - 3 研究目的和论文组织结构2 第二章机电设备监测终端的总体设计 2 1 机电设备监测系统结构4 2 2 机电设备监测终端的工作原理4 2 3 机电设备监测终端设计需求5 2 4 机电设备监测终端总体方案6 2 5 机电设备监测终端平台选择8 2 5 1 微处理器的选择8 2 5 2 嵌入式操作系统的选择8 第三章机电设备监测终端主控模块设计 1 0 3 1 机电设备监测终端主控模块总体设计1 0 3 2 删9s 3 c 2 4 4 0 核心板设计。1 l 3 2 1a r m 9 $ 3 c 2 4 4 0 核心板整体设计ll 3 2 2a r m 9 $ 3 c 2 4 4 0 核心板存储扩展电路1 l 3 3 通信接口设计一1 4 3 - 3 1 扩展r s 2 3 2 通信接口设计一1 4 3 3 2r s 4 8 5 通信接口设计1 9 3 3 3i r d a 通信接口设计2 0 3 4 开关模拟信号采集电路设计2 0 3 4 1 直流模拟量采集电路设计2 0 3 4 2 数字开关量采集电路设计2 l 3 5 人机接口电路设计2 2 3 6 输出控制电路设计2 3 3 7 电源管理电路设计2 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第四章机电设备监测终端信号采集模块设计 4 1 电能计量模块总体设计2 5 4 1 1s t m 3 2 f 1 0 3 z e t 6 控制模块设计2 5 4 1 2a 1 广r 7 0 2 2 c 参数计量电路设计2 6 4 1 3 信号调理电路设计3 0 4 1 4 电能计量模块软件设计3 2 4 2 温度监测模块总体设计3 2 4 3 湿度噪声振动监测的仪器选型3 4 4 3 1 湿度监测的仪器选型3 4 4 3 2 噪声监测的仪器选型3 4 4 3 3 振动监测的仪器选型3 5 第五章机电设备监测终端软件整体设计3 6 5 1 嵌入式w i n c e 系统搭建3 6 5 1 1w e 系统定制3 6 5 1 2w ”m c e 内核移植3 7 5 1 3 导出安装s d k 一3 7 5 2 设备驱动开发3 7 5 2 1b s p 结构3 8 5 2 2 驱动的种类3 8 5 2 3 流接口驱动程序3 9 5 2 4a d c 0 8 3 2 驱动程序4 2 5 3 应用程序开发。4 6 5 3 1 信号采集流程介绍4 6 5 3 2 应用程序功能模块4 7 5 3 3 应用程序体系结构4 7 5 3 4 事件驱动模型4 8 5 3 5 应用程序整体界面设计4 9 第六章测试与结果 6 1 电能计量模块的测试5 0 6 2 温度监测模块的测试5 2 6 3 输出控制模块的测试5 4 6 4 开关模拟信号采集模块的测试5 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第七章总结与展望 7 1 课题完成的工作5 8 7 2 课题进一步的研究工作5 8 参考文献 致谢 5 9 。6 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 1 研究意义及背景 第一章绪论 随着国民经济的飞速发展以及生产自动化水平的快速提高，机电设备的构造也 渐趋复杂，因此对其维护的要求也越来越高。机电设备在很多复杂的大型装备中处 于核心地位，结构复杂，若机电设备的故障得不到及时的发现与维护，整个大型装 备的正常运行将会受到影响，同时还会造成巨大的经济损失n 忍3 1 。因此，开发可靠 的机电设备监测诊断系统来保证其正常的运行具有十分现实的意义。机电设备的维 修历史大致分为事故后维修、定期维修以及状态维修这三个阶段h 1 。 事故后维修是指平时对机电设备不维护，只在其发生故障之后才进行的维修。 这种维修方式增加了确定故障原因的难度，耗时长，对机电设备的故障不能预防， 严重影响了机电设备的正常运行晦6 j 】。 定期维修是指按照主管部门根据全国统一规程所制定的维修项目，对机电设备 进行周期性的维修。定期维修具有一定的强制性和盲目性，容易导致“过度维修”。 这不仅使设备的维护缺乏效率，而且还会因为频繁维修中的一些人为因素( 维修者 技术不佳、工艺不良或管理不善等) 而使机电设备产生新的隐患脚印1 。 状态维修是指以状态监测和故障诊断为基础，收集机电设备在实际运行中的状 态信息，再对采集的信息进行相应的处理和综合分析之后，作出是否维修的决定， 并制定出详细的维修计划( 确定需要维修的项目等) 。状态维修即“当修即修，不 做无谓的维修 ，因此具有针对性强，实时性高的优点似。状态维修可以有效的提 高机电设备运行的可靠性，使经济效益显著增加，减少机电设备的大修次数和机电 设备故障造成的事故。 机电设备从定期维修走向状态维修是机电设备故障诊断与维护的重大转折，具 有广阔的发展前景以及巨大的经济和社会效益。 1 2 国内外研究现状 自有工业生产以来，对机电设备的故障诊断就已经存在。早期的时候，人们凭 借他们的经验，根据振动和声音等状态特征以及对设备触摸的感受，来判断机电设 备某些故障的存在，并提出相应的修复措施m 。 最早开始机电设备故障诊断技术研究的国家是美国。二十世纪6 0 年代以后， 故障诊断作为一门学科被正式提出，并逐渐发展起来。1 9 7 0 年，英国最先提出机 硕士学位论文 m _ a s t e r st h e s i s 电设备的状态维修这个概念，后经世界各国不断的补充和完善，并逐步用于实践。 机电设备故障诊断以及状态监测方面的研究在7 0 年代初得到了大规模的发展，这 使得一系列有关这方面的产品陆续问世。比较典型的如英国中心发电部的t e m 系 统，美国b e n f l y 公司的a d r e 系统和d d m 系统，日本三菱公司的m h m s ，德国 的d a l o g 公司己开发出e 3 7 6 、r 忡m 3 7 6 、s 5 5 0 等数据采集处理系统，它们可 进行s c i 串行通讯、c a n 网络通讯和i n t e m e t 连接等n 州川。这些国家开发的机电设备 故障诊断系统在投入到实际的应用之后，得到了进一步的提高与发展。 我国在8 0 年代初开始进行机电设备状态监测与故障诊断方面的开发与研究。 哈尔滨工业大学率先将模糊数学理论运用到机电设备的振动分析和故障诊断中，并 在此基础上开发了m m m d 系统且已经投入到实际应用中；郑州大学振动研究所开 发的1 v i d s 系统，采用了先进的矢谱分析理论，大大提高了诊断的准确度，在实 际运用中取得了良好的效果；西安交通大学等单位联合开发的r m m d s 系统已投入 到运行中；上海交通大学和其它科研单位也正在从事将人工神经网络和灰色理论应 用于机电设备的故障分析诊断方面的研究并取得了一定的进展n 5 埔，1 7 - 。 从2 0 世纪六十年代至今，国内外在机电设备的状态监测和故障诊断方面取得 了非常大的进展。随着传感器技术、信号处理技术、人工智能技术、以及计算机技 术的飞速发展，可以监测的状态量越来越多，允许处理的数据量也越来越大，使得 多机组、大规模的信号采集和及时的数据处理成为可能，多状态、多功能的机电设 备在线监测系统在未来将得到很大的发展n 町嗍。 1 3 研究目的和论文组织结构 本文是开发基于a r m 9 和w i n c e 操作系统的机电设备监测终端，完成对机电 设备运行参数的采集处理和存储再现，并且与监测系统主控制端通讯，由主控制端 对采集数据作进一步的处理与分析，为机电设备的故障诊断和维修提供更加全面的 信息。为了满足机电设备监测终端能实时处理数据、硬件可靠、可多通道采集机电 设备运行参数的需求，本文力求开发一种系统稳定、成本低、实用性强的机电设备 监测终端。在整个课题研发过程中，笔者主要完成硬件电路的设计、w i n c e 操作系 统的移植、驱动程序和应用程序的开发等。论文的主要内容安排如下： 第一章：绪论。阐述了课题的研究背景以及机电设备监测终端的研究意义，分 析介绍了目前国内外的研究现状与研究趋势，提出了本文的主要工作安排。 第二章：机电设备监测终端总体方案设计。探讨了监测终端的工作原理与具体 的结构组成，通过对监测终端的功能以及性能方面的需求，提出了机电设备监测终 2 硕士学位论文 m a s t e r 。st h e s i s 端的总体设计方案，确定了处理器和操作系统的选型。 第三章：机电设备监测终端主控模块设计。阐述了主控模块的设计思想和具体 的硬件实现电路，以及相关的软件工作流程。 第四章：机电设备监测终端信号采集模块设计。详细分析了电能计量模块和温 度监测模块的硬件电路设计，简单介绍了湿度、噪声、振动监测测试仪的选型。 第五章：机电设备监测终端软件整体设计。介绍了嵌入式w m c e 系统搭建、 设备驱动开发以及应用程序的开发。 第六章：测试与结果。给出了机电设备监测终端的电能计量模块、温度监测模 块、开关模拟信号采集模块、输出控制模块的测试结果。 第七章：总结与展望。总结了已经完成的工作，并提出了今后研究工作的方向。 硕士学位论文 m a s t e r 。st h e s i s 第二章机电设备监测终端的总体设计 2 1 机电设备监测系统结构 机电设备监测系统分为监测系统主控制端、监测终端和机电设备三个层次，如 图2 1 所示。监测系统主控制端是系统管理和数据处理的中心，它的主要作用就是 通过远程通信收集监测终端采集的机电设备的运行参数，到后台进行分析判断并输 出判决结果。 图2 1 机电设备监测系统原理框图 监测终端是机电设备监测系统的现场监测控制单元，它的基本功能为采集存储 机电设备的运行参数，并将采集的信息以远程通信的方式传递给监测系统主控制 端，及时发现异常并向监测系统主控制端报警。此外，监测终端还实时显示所测量 机电设备的运行参数。 2 2 机电设备监测终端的工作原理 监测终端通常由微处理器、通信接口、人机接口、数据采集、控制执行这几个 模块组成，其原理框图如图2 2 所示。 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i $ 卜躲集i h 一炖加l 微处理器 卜馓口l h 一删斯i 图2 2 监测终端原理框图 数据采集模块完成对机电设备热效应、环境、机械、电能等方面的运行参数的 实时采集，主要采集机电设备运行的温度( 热效应) 、湿度( 环境) 、振动( 机械) 、 噪声( 机械) 、三相供电( 电能) 等参数。它主要就是利用传感器将电量、物理量、 化学量，转换成适合于数据采集装置处理的电信号，然后对传感器输出信号进行去 噪、选取、滤波、模数转换等处理。 通信接口包括远程通信和本地通信两个部分。远程通信模块主要用于监测终端 与监测系统主控制端之间的通信，可以选择本地局域网、g p r s c d m a 无线公网、 电话拨号上网等通信方式进行远程通信。本地通信模块主要用于监测终端与信号采 集模块监测终端之间进行通信，可选择短距离无线通信、低压载波通信、r s 4 8 5 、 r s 2 3 2 等通信方式。 控制执行模块负责继电器开关状态的控制与执行；人机接口模块主要负责监测 终端的数据显示与查询。 微处理器主要是协调好各模块之间的工作，它主要完成以下四个方面的任务： 1 将数据采集模块采集的数据进行存储和显示；2 通过通信模块将采集的数据传输 给监测系统主控制机或其它监测终端；3 根据数据采集模块采集的数据产生控制命 令，交由控制执行模块完成一定的动作执行；4 根据监测系统主控制端通过远程通 信接口传来的控制命令，执行相应的操作。 2 3 机电设备监测终端设计需求 1 三相电参数监测 实时测量2 2 0 v 三相交流电的电能参数( 电压、电流、功率、功率因素、谐波 功率、线频率等) ，要求电压和电流的测量精度不低于0 5 级，有功电能的测量精度 5 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 不低于1 级，无功电能的测量精度不低于2 级。 2 温度、湿度、噪声、振动参数监测 实时监测机电设备运行的热效应参数( 温度) 、环境参数( 湿度) 、机械参数( 噪 声、振动) 。 温度监测范围为0 - - - 1 0 0 1 2 ，分辨率为0 5 。 湿度监测范围为1 0 - - - 9 5 r h ，分辨率为0 1 r h ；噪声监测范围为3 0d b 1 2 0 d b ，分辨率为0 1d b 。 振动监测的加速度最大值为1 5 0 m ，s 2 ，分辨率为o 1 m s 2 ，频响范围为 1 h z l 乜；速度监测的最大值为1 0 0 0 m m s ，分辨率为1 0 m m s ，频响范围为 1 h z - i k h z ；位移监测的最大量程为1 0 0 m m ，分辨率为0 1 m m ，频响范围为 1 h z - 1 她。 3 控制输出 两路控制输出，控制继电器的闭合与断开状态，非磁保持输出。 4 数字开关直流模拟量监测 四路开关量以及两路模拟量的监测。两路模拟量包括一路电压量和一路电流 量，要求电压的测量范围为峭v ，电流的测量范围为4 - - , 2 0 m a ，测量误差要低于 5 。 5 数据存储与显示 机电设备监测参数进行s d 卡存储，并实时显示机电设备的运行参数。 6 通信接口 提供本地通信接i z i ( 红外、z i g b e e 、r s 4 8 5 、s p i 、r s 2 3 2 ) 和远程通信接口 ( g p r s c d m a ) 。 2 4 机电设备监测终端总体方案 根据监测终端的设计需求，其总体设计结构如图2 3 所示。微处理器核心板， 通信接口、人机接口、控制执行模块，信号采集模块这三部分分别设计成为独立的 单元，这样将强电信号和弱电信号分别在不同的电路板上进行处理，可提高整个系 统的抗干扰能力。 6 硕士学位论文 m a s t e r st i t e s i s 图2 3 监测终端结构框图 监测终端的底板由电源管理、人机接口、本地通信、远程通信、动作执行等模 块组成，它和以微处理器为中心的核心板共同构成监测终端的主控模块。 微处理器实时监测机电设备的运行状况，主要进行机电设备运行参数的采集、 处理、存储以及显示，若发现机电设备工作异常，及时向监测系统主控制端告警； 人机接口模块实现机电设备运行参数的显示以及查询功能；电源管理模块负责主控 模块电源的提供与切换工作；本地通信包括s p i 、r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、红外、z i g b e e 这 几种通信方式；远程通信模块选择c d m a g p r s 无线公网方式。 信号采集模块主要分为电能、温度、湿度、噪声、振动信号采集这几个部分。 电能计量模块负责三相电信号的采样以及相关电参数的计量；温度监测模块由温度 传感器完成对温度参数的监测：湿度、噪声、振动监测模块将购买已经成熟的测量 仪器完成监测。信号采集模块通过本地通信接口与主控模块进行通信：电能计量模 块通过s p i 接口与主控模块进行通信；温度、湿度、噪声、振动监测模块通过r s 2 3 2 接口与主控模块进行通信。 7 ( 核心板) 以微处理器为中心 主控模块 0 ( 底板) 电源管理人机接口本地通信动作执行远程通信 够 ( 信号采集) 电能计量 温度监测 湿度监测 噪声监测振动监测 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 5 机电设备监测终端平台选择 监测终端的平台选择主要是根据整个系统的功能和性能需求，确定具体的硬件 平台和软件平台。这里需要解决的问题就是：确定核心板嵌入式微处理器的具体类 型以及所需选择的操作系统类型。 2 5 1 微处理器的选择 选择一款合适的c p u 一般从价格、c p u 性能以及片内外设三个方面考虑。 综合考虑这三个方面的因素，考虑到本监测终端需要支持多种通讯方式及 t f t - l c d 显示，监测终端选择三星( s a m s u n g ) 公司的a r m 9 $ 3 c 2 4 4 0 作为主控 芯片。a r m 9 系列微处理器具有高性能和低功耗这两大优点；提供1 1 m i p s m h z 的指令速度；a r m 9 2 0 t 内核，1 6 3 2 位精简指令集；增强的m m u 存储管理体系， 支持w i n c e 操作系统；支持3 2 位高速a m b a 总线接口；内置丰富的片内外围电 路口。a r m 9s 3 c 2 4 4 0 主要参数如表2 1 所示，由表2 1 可以看出s 3 c 2 4 4 0 满足监 测终端的设计需求。 表2 1 $ 3 c 2 4 4 0 主要参数 频率4 0 0 m h z 1 2 c1 个 i - c a c h e1 6 k bs p i2 个 d c a c h e1 6 k b币m e r5 个 u s bh o s t2 个i op o r t s1 3 0 个 u s bd e v i c e1 个s d 卡接口1 个 a d c & t o u c hs c r e e ni n t e r f a c e8 通道1 0 位a d c 和触摸屏接口 l c dc o n t r o l l e r支持s t n 和n 叮带有触摸屏的液晶显示屏 e x t e r n a lm e m o r yc o n t r o l l e r方便扩展外部r a m 和r o m 等存储器 u a r t 3 个，其中一个可作为i r d a 红外通信接口 2 5 2 嵌入式操作系统的选择 监测终端需要显示丰富的图形界面，也需要可以同时执行多个任务，为了使监 测终端具有良好的可开发性，加快开发周期，监测终端需选择一款操作系统。目前 市场上比较成熟的嵌入式操作系统的特点如表2 2 所示。 8 硕士学位论文 m a $ t e r st h e s i s 表2 2 常用嵌入式操作系统比较嘲列 操作系统特点不足 w i n c e多媒体功能强、更好的i n t e m e t 功能、高应用程序庞大。 度模块化，很好的开发环境，与w i n d o w s 桌面系统兼容。 l i n u x免费、开放源代码、跨平台，裁剪性好、自身过于庞大，支持软件 内核小、效率高、性能稳定、无线连接、有限、开发难度较高、未 开发速度快。形成标准。 e p o c来自欧洲的操作系统、由世界上三大移动功能以手机为主，并不打 电话厂商诺基亚、爱立信、摩托罗拉共同算授权。 开发，市场潜力很大。 p a l m o s 众多支持软件，市场占有率高，开放系统，授权困难。 有3 c o m 、s o n y 、i b m 等支持，简单实 用。 v x w b r k s良好的可靠性和卓越的实时性，在工业控在除工控领域外的其它 制领域有广泛的应用。实用中并不普遍。 p c - o s i i心o s i i 是基于g c o s 的升级版本，它是 缺乏必要的技术支持等。 一种可移植、可固化、可裁剪及可剥夺型 的多任务实时内核( r 1 旧s ) ，实用于各种 微处理器。 结合本监测终端的需求，综合考虑上述几种操作系统的优缺点，选择w i n c e 操作系统。w i n d o w sc e 是微软公司自行开发的嵌入式操作系统，w i n c e 的设计目 标是：可延展性和模块化、通信能力强大、实时性能好、支持多种c p u 。w i n c e 操作系统的主要特点有：开放源代码、支持多种处理器( a r m 等) 、多任务的操作 系统、丰富的图形界面、强稳定性嘲1 。 9 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i $ 第三章机电设备监测终端主控模块设计 3 1 机电设备监测终端主控模块总体设计 监测终端的主控模块由核心板和底板两部分组成，是监测终端的核心。本主控 模块主要负责从信号采集模块获取机电设备的运行参数，然后对获得的数据进行相 关分析与处理，显示获取的机电设备的运行参数，定时保存历史参数数据，并通过 远程通信接口将采集数据上传给监测系统主控制端，其原理框图如图3 1 所示。 ( 底板) ( 底板) 扩展r s 2 3 2开关量采集 s p i 通信模拟量采集 a r m 9 z i g b e e 通信 继电器控制 s 3 c 2 4 4 0 核心板 红外通信本地l c d 显示 隔离r s 4 5 5s d 卡 远程通信电源管理 图3 1 主控模块硬件框图 监测终端的主控模块由基于a r m 9 $ 3 c 2 4 4 0 的核心板、本地通信接口、远程通 信接口、底板信号采集、人机接口、输出控制、数据存储、电源管理这几个部分组 成。 ( 1 ) a r m 9 $ 3 c 2 4 4 0 的核心板：由a r m 9 $ 3 c 2 4 4 0 、电源电路、时钟电 路、存储扩展电路组成。 ( 2 ) 本地通信接口：用于实现r s 4 8 5 通信、r s 2 3 2 通信、s p i 通信、红外 1 0 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 通信、z i g b e e 通信。 ( 3 ) 远程通信接口：用于实现g p r s c d m a 无线公网通信。 ( 4 ) 开关模拟信号采集：用于采集机电设备的开关量和模拟量。 ( 5 ) 人机接口：l c d 、l e d 等电路。 ( 6 ) 输出控制：完成继电器的控制。 ( 7 ) 数据存储：采集的参数存储到s d 卡。 ( 8 )电源管理：负责主控模块电源的提供与切换工作。 3 2a r m 9 $ 3 c 2 4 4 0 核心板设计 3 2 1a r m 9 $ 3 c 2 4 4 0 核心板整体设计 a r m 9s 3 c 2 4 4 0 核心板由主控制器$ 3 c 2 4 4 0 、电源电路、时钟电路、存储扩展 电路这四部分构成，如图3 2 所示。 3 2 2a r m 9 $ 3 c 2 4 4 0 核心板存储扩展电路 $ 3 c 2 4 4 0 内部集成有8 个b a n k ，其中6 个存储器b a n k 用于r o m 、s r a m ，剩 余2 个b a n k 用于r o m 、s r a m 和s d r a m ，总共可以寻址高达1 g b 的存储空间。 $ 3 c 2 4 4 0 提供外部存储器控制接口，支持8 b i t s 、16 b i t s 、3 2 b i t s 数据总线，可以 扩展n o rf l a s h 、n a n df l a s h 、s d r a m 等外部存储器。a r m 9s 3 c 2 4 4 0 外扩了2 片 s d r a m ( k 4 s 5 6l6 3 2 d ) 、1 片n o rf l a s h ( e n 2 9 l v16 0 a b ) 、l 片n a n df l a s h ( k 9 f 2 g 0 8 ) 。 存储扩展的整体电路如图3 3 所示。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 图3 3 存储扩展电路 $ 3 c 2 4 4 0 支持n a n df l a s h 启动以及外部n g c s 0 所片选的n o rf l a s h 启动这两 种启动模式嘲1 。这两种启动模式下的存储分配如图3 4 所示。 1 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s b o o t s r a m ( 4 k b y t e s ) r s r o m 愿d r a m ( n g c s 7 ) l s r o m s d r a m ( n g c s 6 ) r s r o m s d r a m ( n c c s s ) r s r o m s d r a m ( n g c s 4 ) l i r s r o m s d r a m ( n c c s 3 ) l r s r o m 恪d r a m ( n c c s 2 ) l i r s r o m 临d r a m ( n o e s l ) s r o m 偈d r a m ( n g c s 0 ) n o t u s e d s f r a r e a n o t u s e d s r o m s d r a m ( n g c s 7 ) s r o m s d r a m ( n