（计算机科学与技术专业论文）基于arm7的旋转机械数据采集管理模块的设计与实现.pdf

摘要 随着工业技术的发展，旋转机械运行的监测保护已经成为保障安全生产和企 业经济效益的关键措施。目前市场上的旋转机械监测保护系统，国外产品配备 的软件多为英文界面，操作方法复杂，数据采集模式不对外开放，无法被国内 的各种诊断分析软件利用且多采用较落后的离线定期监测方式。国内产品仅在 一些小型旋转机械上应用，达不到实际应用的需求。 基于以上考虑，本课题设计了一套操作简单、界面友好的旋转机械监测保护 系统。该系统采用先进的自动在线监测方式，由数据采集管理模块和组合式下 位机功能模块组成。数据采集管理模块采用高性能的a r m 嵌入式微处理器，实 现与上位机( 如p c 机等) 的通信和网络服务，并实施对下位机功能模块的控制、 管理、组态、数据采集的功能。下位机功能模块采用适合工业现场监控的l p c 2 1 1 4 嵌入式微控制器，用于连续监测旋转机械各个部分的运行状态，记录测点的有 效参数。数据采集管理模块与上位机、组合式下位机功能模块一起构成三级计 算机系统，它可以根据监测需要选择最适用系统，并实现本地或远程监控。 本文的主要工作是设计与实现了旋转机械监测保护系统的数据采集管理模 块，详细内容如下： 1 、提出了数据采集管理模块的总体的设计方案。该模块基于s 3 c 4 4 b o x 、 j u c o s i i 和标准的工业现场总线通信协议m o d b u s 实现，分别通过u a r t 0 和 u a r t l 实现与上位机和下位机功能模块的通信，并在整个系统中对通信过程实 施有效的管理。为了解决国内外同类产品操作复杂和维护困难的问题，模块配 置了彩色液晶触摸屏，使用它可以无需任何外部设备即可在现场提供监测报警、 实时数据显示和报警记录给旋转机械的操作人员，所有操作均有图形向导，简 单易用。 2 、以可靠性和稳定性为目标，实现了模块硬件电路，特别是通信电路、触 摸屏控制电路、液晶屏控制电路。 3 、以模块化和易扩展的思想为指导，搭建了基于a r mp c o s i i 的软件平 台。阐述了a r m i c o s i i 的移植，模块中间件程序编写方法以及相关技巧。对 模块的任务划分、调度策略以及方法进行了充分详细的说明。 关键词：s 3 c 4 4 b o x ，, u c o s i i ，数据采集管理模块，m o d b u s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a lt e c h n o l o g y ，m o n i t o r i n ga n dp r o t e c t i n g o t r o t a t i n gm a c h i n e r yh a v eb e c o m et h ec r u c i a l m e a s u r et oe n s u r es a f ep r o d u c t l o no f e q u i p m e n ta n de c o n o m i ce f f i c i e n c y o fe n t e r p r i s e s t o d a y , r o t a t i n gm a c h i n e r y m o n i t o r i n ga n dp r o t e c t i n g s y s t e mo nt h em a r k e t ，i m p o r tp r o d u c t s h a v em a n y s h o r t c o m i n g s ，s u c ha st h e i rs o f t w a r e su s ee n g l i s hi n t e r f a c e ，a n d i t so p e r a t i o n s1 s c o m p l e x ，t h ed a t aa c q u i s i t i o nm o d e i sn o to p e n ，w h i c hc o u l dn o tb eu s e db yd o m e s t i c d i a g n o s t i ca n a l y s i ss o f t w a r e i na d d i t i o n s ，al o t o fi m p o r tp r o d u c t su s eb a c k w a r d 0 f f l i n er e g u l a rm o n i t o r i n gm e t h o d d o m e s t i cp r o d u c t so n l ya p p l i c a t i o ni ns o m e s m a l l r o t a t i n gm a c h i n e r y , w h i c h a r eu n a b l et om e e tt h en e e d so fp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s a c c o r d i n gt ot h ea b o v ec o n s i d e r a t i o n s ，r o t a t i n gm a c h i n e r ym o n i t o r i n g 柚d p r o t e c t i n gs y s t e ma r ed e s i g n e di n t h i ss u b j e c t ，w h i c hh a st h ef e a t u r e so fs i m p l e o p e r a t i o na n df r i e n d l y i n t e r f a c e t h es y s t e mu s e s a d v a n c e da u t o m a t i co n l m e m o n i t o r i n gm o d e ，a n di s c o n s i s t so fd a t aa c q u i s i t i o nm a n a g e m e n tm o d u l ea n d c o m b i n e ds l a v ef u n c t i o nm o d u l e s d a t aa c q u i s i t i o nm a n a g e m e n tm o d u l ea d o p t s t h e h i g t l p e r f o r m a n c e 3 2 b i ta r me m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r , o n o n eh a n d ，w n l c n i m p l e m e n t sc o m m u n i c a t i o na n dn e t w o r k s e r v i c e sw i t hh o s tc o m p u t e r ( p c ，e t c ) o n t h eo t h e rh a n d ，d a t aa c q u i s i t i o nm a n a g e m e n tm o d u l ea l s or e a l i z e dt h eo p e r a t i o n so n s l a v ef u n c t i o nm o d u l e s ，s u c ha sc o n t r o l ，m a n a g e m e n t ，c o n f i g u r a t i o n s a n dd a t a a c q u i s i t i o n f u n c t i o n s s l a v e f u n c t i o n m o d u l e s u s el p c 2 1 1 4 e m b e d d e d m i c r o c o n t r o l l e r s ，w h i c ha t es u i t a b l ef o ri n d u s t r i a ls i t em o n i t o r , a n dt h em o d u l e sc a n c o n t i n u o u s l ym o n i t o rt h er u n n i n gs t a t u so fv a r i o u sp a r t so fr o t a t i n gm a c h i n e r y 锄d r e c o r de f f e c t i v ep a r a m e t e r so fm e a s u r ep o i n t s d a t aa c q u i s i t i o nm a n a g e m e n tm o d u l e ， h o s tc o m p u t e r , a n dc o m b i n e ds l a v ef u n c t i o nm o d u l e sf o r mt h r e el e v e lc o m p u t e r s v s t e m s ，w h i c hc a ns e l e c tt h em o s ts u i t a b l es y s t e ma c c o r d i n gt oa c t u a l l yn e e d s ，a n d i m p l e m e n t sl o c a lo rr e m o t em o n i t o r i n g t h em a i nw o r ko ft h i st h e s i sh a sr e a l i z e dd a t aa c q u i s i t i o nm a n a g e m e n tm o d u l e o f r o t a t i n gm a c h i n e r ym o n i t o r i n ga n dp r o t e c t i n gs y s t e m d e t a i l s a r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h eg e n e r a ld e s i g ns c h e m eo fd a t aa c q u i s i t i o nm a n a g e m e n tr o o d u l e l s r a i s e di nt h i st h e s i s t h ei m p l e m e n t a t i o no ft h i sm o d u l ei sb a s e do ns 3 c 4 4 b o x ， z c o s i ia n ds t a n d a r di n d u s t r i a lf i e l db u sm o d b u sc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 t h i s m o d u l ei m p l e m e n t sc o m m u n i c a t i o nw i t hh o s tc o m p u t e ra n ds a l v ef u n c t i o nm o d u l e s b yu a r t 0a n du a r t la n dc a ne f f e c t i v e l ym a n a g et h ec o m m u n i c a t i o np r o c e s si nt h e e n t i r es y s t e m i no r d e rt os o l v et h ei s s u e so fc o m p l e xo p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c e d i f f i c u l t i e st h a te x i s ti nt h ed o m e s t i co ri m p o r tp r o d u c t s ，t h i sm o d u l ei sc o n f i g u r e d w i t hc o l o rl c da n dt o u c hs c r e e n ，w h i c hc a np r o v i d ef i e l da l a r mm o n i t o r i n g ， r e a l - t i m ed a t ad i s p l a ya n da l a r mr e c o r d so ft h em o n i t o r e dr o t a t i n gm a c h i n e r yf o rt h e o p e r a t o r sw i t h o u ta n ye x t e r n a ld e v i c e s a l lt h eo p e r a t i o n sa reg r a p h i c sw i z a r da n d e a s y - t o - b s e s e c o n d l y , t h em o d u l eh a r d w a r ec i r c u i t s a r ed e s i g n e dw i t ht h ea i mo fh i i g h r e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t y , e s p e c i a l l yt h ec o m m u n i c a t i o nc i r c u i t ，t o u c h - s c r e e nc o n t r o l c i r c u i ta n dl c dc o n t r o ic i r c u i t t h i r d l y , b yt a k i n gm o d u l a r i z a t i o n a n de a s y t o - e x t e n da st h eg u i d e l i n e s ，t h i s m o d u l eb u i l d sas o f t w a r ep l a t f o r mb a s e do na r m 比c o s i i t h i st h e s i sm a k e sa n i n t r o d u c t i o nt ot h et r a n s p l a n to fu c o s i ia n dd r i v e rp r o g r a m m i n go fm a i nc e n t r a l p a r t s t h i st h e s i sf u l l yd e t a i l e di l l u s t r a t e st a s kp a r t i t i o na n dt a s ks c h e d u l i n gm e t h o di n t h i sm o d u l e k e y w o r d s ：s 3 c 4 4 b o x ，g c o s i i ，d a t aa c q u i s i t i o nm a n a g e m e n tm o d u l e ，m o d b u s i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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了谢意。 期：塑里叁! 丘佑 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 修厶 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景及课题来源 旋转机械是工业上应用最广泛的机械，世界上9 6 以上的机械靠旋转来产生 动力，靠旋转来工作。随着科学技术的进步和工业的发展以及经济的全球化， 现代企业的生产规模越来越大，动力设备、生产设备也朝着大型化、高速化的 方向发展。设备越来越复杂，功能越来越强大。许多大型旋转机械是石化、电 力、冶金、煤炭、核能等行业中的关键设备( 如：离心泵、电动机、发动机、 发电机、压缩机、汽轮机、轧钢机等) 。本世纪以来，随着机械工业的迅速发展， 现代机械工程中的机械设备朝着轻型化、大型化、重载化和高度自动化等方向 发展，出现了大量的强度、结构、振动、噪声、可靠性，以及材料与工艺等问 题，设备损坏事件时有发生，国内外大型汽轮机严重事故是其典型实例。这一 切使得旋转机械设备的监测和保护已成为安全生产和保障企业经济效益的关键 措施【。 大型旋转机械状态监测技术研究是国家重点攻关项目，目的是提高对大型旋 转机械的监测，减少突发性事故，避免产生重大经济损失。 五十年代，各种类型和性能的传感器和监测仪在国外相继研制成功，并开始 应用于科学研究和工程实际。六、七十年代，数字集成电路技术的发展、“信号 数字分析处理技术”的形成，推动了电子检测技术在机械设备上的应用。七十年 代至八十年代，机械设备的状态监测与故障诊断技术在许多发达国家开始研究。 同时，随着计算机技术、现代测试技术、信号处理技术、信号识别技术与故障 诊断技术等现代科学技术的发展，机械设备的运行状态监测研究跨入系统化阶 段。特别是九十年代以来，理论上数字信号处理的计算方法不断优化，使数据 处理速度大为提高，同时由于电子新材料的发现和采用，电子制造工艺的巨大 进步，计算机处理器的集成度、运算速度、抗干扰性能大幅度提高，功耗、工 作电压不断降低且价格迅速下降，因此各种计算机处理器、可对海量数据进行 高速处理的专用芯片以低廉的成本，大量进入监测应用领域，这一点为在工业 现场直接应用状态监测技术创造了条件。丹麦、美国、德国、日本等发达国家 武汉理工大学硕士学位论文 的专家学者对旋转机械工作状态监测技术进行了深入研究，已经研制出了不同 系统。以美国b e n t l y ( 本特利) 公司的3 3 0 0 、3 5 0 0 系列监测系统为代表，已 经达到较高的水平i 4 。 目前，国内在旋转机械上安装的监测保护系统分国产设备和进口设备两大 类。从国外引进的大型机组，一般都配套引进监测系统，但是国外设备价格昂 贵，配备的软件多为英文界面，操作方法复杂，不符合国内运行维护人员的使 用习惯，且数据采集模式不对外开放，无法被国内的各种诊断分析软件利用。 国产设备仅在一些小型旋转机械上应用，主要有两种类型：一种是仿本特利早 期产品7 2 0 0 或飞利浦r m s 7 0 0 产品设计；另一类是数据采集器加通用计算机的 后台式监测诊断系统，该类系统多由科研院所开发，一般并接在进口旋转机械 监测保护系统的信号缓冲输出上，作为进口旋转机械监测保护系统的补充部分， 仅具有数据采集、波形显示、计算分析等后台功能，不具有旋转机械监测保护 系统必需的标准输出和监测保护功能。 因此为了打破国外在旋转机械监测技术领域的垄断地位，必须开发一套适合 国内市场的、操作简单、界面友好的旋转机械监测保护系统。本文所做的工作 正是要开发一套这样的旋转机械监测保护系统【3 l 。 1 2 监测技术及监测方法研究概况 从技术发展过程看，现代监测技术大致经历了两个阶段。 第一阶段是以传感器技术和动态测试技术为基础，以信号处理技术为手段的 常规技术发展阶段，这一阶段的技术已在工程中得到应用，它吸收了大量的现 代科技成果，随着传感器技术的飞跃发展，基本解决了振动、噪声、力、温度、 电、磁、光、射线等多种信号的采集与处理。 第二阶段是以微电子技术为基础，人工智能技术为手段的嵌入式计算机技 术、网络技术的发展阶段。计算机人工智能技术为设备监测和故障分析的智能 化发展提供了可能。这一阶段的研究内容与实现方法已开始并正在继续发生着 重大变化，以数据处理为核心的过程将被以知识处理为核心的过程所替代，开 展了专家系统、神经网络和模糊分析等理论、方法和应用技术的研究。 目前，国内外较典型的状态监测方式主要有3 种。 1 、离线定期监测方式。测试人员定期到现场用个传感器依次对各测点进 2 武汉理工大学硕士学位论文 行测试，并用磁带机记录信号，数据处理在专用计算机上完成，或是直接在便 携式内置微处理器的仪器上完成；这是当前利用进口监测仪器普遍采用的方式。 采用该方式，测试系统较简单，但是测试工作较烦琐，需要专门的测试人员； 由于是离线定期监测，不能及时处理突发性故障。 2 、在线检测离线分析的监测方式。亦称主从机监测方式，在设备上的多个 测点均安装传感器，由现场微处理器从机系统进行各测点的数据采集和处理， 在主机系统上由专业人员进行分析和判断。这种方式是近年在大型旋转机械上 采用的方式。相对第一种方式，该方式免去了更换测点的麻烦，并能在线进行 实时检测和报警；但是该方式需要离线进行数据分析和判断，而且分析和判断 需要专业技术人员参与。 3 、自动在线监测方式。该方式不仅能实现自动在线监测设备的工作状态， 及时进行故障预报，而且能由计算机系统，根据预先存储在设备中的专家系统 库( 库中存放专家经验和相关关系规则) ，在线进行数据处理和分析判断；中等 文化程度的操作人员经过短期培训后就能掌握使用方法。该方式技术最先进， 不需要人为更换测点，不仅不需要专门的测试人员，也不需要专业技术人员参 与分析和判断，但是软硬件的研制工作量很大【1 1 。 1 3 课题研究的嵌入式平台架构 本文研究的旋转机械监测保护系统采用先进的自动在线监测方式。该系统由 数据采集管理模块和组合式下位机功能模块组成。数据采集管理模块采用3 2 位 的高性能的a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 嵌入式微处理器，组合式下位机 功能模块采用适合工业现场监控的l p c 2 1 1 4 嵌入式微控制器，它们分别构成了 独立的嵌入式计算机系统。因此两个部分一起构成了两级嵌入式计算机( a r m ) 主、从式系统1 2 j 。主模块为数据采集管理模块，从模块为组合式下位机功能模块。 两级嵌入式计算机主、从式系统结构图如图1 1 所示： 3 武汉理工大学硕十学位论文 从系统 图1 1 两级嵌入式计算机主、从式系统结构图 旋转机械监测保护系统提供r s 2 3 2 r s 4 8 5 接口和立持t c 叩p 通讯协议的网 络接口，泼系统可以更方便地接入各种网络系统，为旋转机械的故障诊断和生 产管理系统提供数据源，实现本地或远稗监控。其列络拓扑结构图如图1 - 2 所示： j _ 0 城h 远程髓控 发电机组关键机蒹t r t 机组王风机组 圈1 2 网络拓扑结构图 旋转机械监测保护系统是岍级嵌入式( a r m ) 汁算机主、从式系统，它可 以通过r s 2 3 2 r s 4 8 5 接口和支持t c p ，i p 通讯协议的网络接口与本地或远程上位 武汉理i 大学碗l 学位论文 机连接可进一步构成三级计算机系统。系统结构图( 如图1 - 3 所示) 断= 耋囊毒园 嵌八式管理横块f 眄司眄嗣司 r 们r l n 发电机组 * 键机泵 帆组主随机蛆 图1 - 3 三级计算机系统系统结构图 1 、数据采集管理模块 为了克服国内外旋转机械监测保护系统普遍存在界面不友好、不利于操作的 缺点，数据采集管理模块在设计时为操作显示部分配置了彩色液晶触摸屏作为 标准输出设各。通过液晶触摸屏完成对组合式下位机功能模块的组态、通信以 及实时数据显示的功能；数据采集管理模块由3 2 位陆入式微处理器，存储器， 液晶显示屏，高灵敏度触摸屏以及相关的接口器件组成，它是系统连接上位机 和组台式下位机功能模块的通信管理接口。 数据采集管理模块的体系结构如图1 4 所示： 的触摸屏 围1 4 数据采集管理模块的体系结构图 牙 一 爨 基 武汉理工大学硕士学位论文 数据采集管理模块( 如图1 5q b 0 1 】) 可以使用两种方法完成整个系统的数 据通信：一是通过内部专有协议与组合式下位机功能模块进行周期性通信，通 过液晶触摸屏完成对组合式下位机功能模块的组态和数据测量。这种方法不需 要配置上位机，因此可以降低配套成本；第二种方法是配置上位机，通过数据 采集管理模块的r s 4 8 5 接口或r s 2 3 2 接口与上位机的监测管理软件通信，完成 对组合式下位机功能模块的组态和操作，并可使整个装置接入远程监测保护系 统中。 数据采集管理模块提供的彩色液晶触摸屏能够查询和集中显示任意通道的 实时监测数据和工作状态，大大便利现场的操作人员的工作。并且，数据采集 管理模块只对组合式下位机功能模块的运行状态进行管理，不控制、不影响系 统中的组合式下位机功能模块的运行，降低了系统故障风险。 2 、组合式下位机功能模块 组合式下位机功能模块包括： ( 1 ) 三取二超速保护模块( 如图1 5 中【0 2 、【0 3 】、0 4 1 ) ； ( 2 ) 转速反转速零转速监测保护模块( 如图1 5 中【0 5 】) ； ( 3 ) 双通道轴向位移监测保护模块( 如图1 5 中【0 6 】) ； ( 4 ) 双通道轴振监测保护模块( 如图1 5 中【0 7 】) ； ( 5 ) 双通道瓦振监测保护模块( 如图1 5 中f 0 8 1 ) ； ( 6 ) 双通道偏心监测保护模块( 如图1 5 中【0 9 1 ) ； ( 7 ) 双通道行程监测保护模块( 如图1 5 中f 0 1 0 】) ； ( 8 ) 双通道温度监测保护模块( 如图1 5 中【0 1 1 】) ； ( 9 ) 双通道标准信号监测保护模块( 如图1 5 中【0 1 2 1 ) ； ( 1 0 ) 继电器三取二冗余输出模块( 如图1 5 中【1 5 1 】) ； ( 1 1 ) 继电器逻辑输出模块( 如图1 5 中f 1 5 2 1 ) 。 根据需要选用上述模块中的任意组合构成组合式下位机功能模块。组合式下 位机功能模块的主要工作是配备相应类型的传感器用于连续监测旋转机械各个 部分的运行状态，记录测点的有效参数。组合式下位机功能模块都被设置了固 定的类型号( 比如轴向位移监测保护模块的类型号设置为0 x 0 3 ) ，固定的类型便 于数据采集管理模块进行管理。 旋转机械监测保护系统的硬件框图如图1 5 所示： 6 武汉理工大学硕士学位论文 数据 采集 管理 模块 【o l i 继电器三取二冗余 输出模块 1 5 1 3 取 2 超 速 保 护 a 0 2 遗l 遮 信ll 信 号il 号 输il 对i 入 3 取 2 超 速 保 护 b 0 3 3 取 2 超 速 保 护 c 0 4 继电器逻辑输出模块 1 5 - 2 转：速， 反转， 零转 速监 测保 护 1 0 5 l 双通 道轴 向位 移监 测保 护 i 嘶l 双通 道轴 振监 测保 护 1 0 7 j 双通 道瓦 振监 测保 护 1 0 8 l 斟 双通 道行 程监 测保 护 1 0 1 0 l 双通 道温 度监 测保 护 1 0 1 1 l 双通 道标 准信 号监 测保 护 【0 1 2 l 母线板 图1 5 旋转机械监测保护系统的硬件框图 1 4 本文研究的主要内容及创新点 在了解了课题研究背景、选题来源、监测技术及监测方法的研究概况后，研 制了一款独立、灵活的旋转机械监测保护系统的数据采集管理模块，该模块可 以与组合式下位机功能模块、上位机配合共同完成工业现场信号的采集、自动 在线监测、实时数据分析与显示等功能，为大型旋转机械的安全运行提供可靠 的保证。 1 、论文的主要内容包括： ( 1 ) 首先，提出了数据采集管理模块的总体设计方案，并基于此方案说明 了模块的总体功能需求以及软硬件平台选型。 ( 2 ) 其次，硬件电路设计方面，对触摸屏控制电路，液晶屏控制电路以及 通信电路作了深入细致的分析与设计，并阐述了数据采集管理模块的通信连接、 通信流程以及如何保证通信的可靠性。 ( 3 ) 再次，软件设计方面，系统的阐述了p c o s i i 操作系统平台的搭建， 包括操作系统移植与b o o t l o a d c r 的实现。在此基础上，对模块的主要中间件和主 要功能模块程序进行了分析与设计。详细说明了模块任务的划分、任务的调度 7 一通偏监保占 引 楱拟毛型双道心测拶 m 武汉理工大学硕十学位论文 策略及方法。 ( 4 ) 最后，运用各种测试分析方法对模块的性能进行了测试分析并对论文 进行了总结与展望。 2 、论文创新点有三点： ( 1 ) 数据采集管理模块可以与系统的其它部分一起构成三级计算机系统结 构。用户可以根据监测需要进行组合，构成最适用系统，并且三级计算机系统 结构将方便用户实现本地或远程监控。 ( 2 ) 在数据采集管理模块中配置液晶触摸屏，提供了中文友好的人机交互 界面。通过液晶触摸屏可以对实时监测数据进行直观的显示，并且在现场无需 任何外部设备即可进行现场操作。 ( 3 ) 采用自动在线监测方式。该方式可以使得模块对实时数据进行在线处 理和分析判断，从而减轻了专业技术和测试人员的工作负担，使系统更具智能 化。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章数据采集管理模块关键技术研究 2 1 嵌入式系统概念 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件均可裁剪、适应 应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统【8 1 。其 操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中，简单地说就是系统的软件与 系统的硬件一体化，类似于b i o s 的工作方式。具有软件代码小，高度自动化， 响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系。其发展已有二十多 年的历史，适用的c p u 种类有a r m s t r o n g a r m 体系、p o w e r p c 体系、x 8 6 体 系等；著名的嵌入式操作系统有v x w o r k s 、p a l mo s 、w i n d o w sc e 、比c o s 、l i n u x 竺 5 1 1 6 1 t jo 2 2a r m 微处理器简介 嵌入式微处理器有许多种流行的处理器核，芯片生产厂家一般都基于这些处 理器核生产不同型号的芯片。a r m 系列微处理器是目前应用最广泛的3 2 位高 性能嵌入式r i s c 处理器。 a r m 即a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写，由英国a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ( a r m ) l i m i t e d 公司设计。a r m 公司只是设计公司，本身不生产芯片，只是 提供知识产权【7 j 。a r m 处理器目前包括下面几个系列：a r m 7 系列，a r m 9 系 列，a r m 9 e 系列，a r m l 0 e 系列，s e c u r c o r e 系列，i n t e l 的x s c a l e 系列，i n t e l 的s t r o n g a r m 。这些处理器最高主频达到了8 0 0 m i p s ，功耗数量级为m w m h z 。 对于支持同样a r m 体系版本的处理器，其软件是兼容的。a r m 7 系列处理器 是低功耗的3 2 位r i s c 处理器。其最高频率可以达到1 3 0 m i p s 。a r m 7 系列 处理器支持1 6 位的t h u m b 指令集，使用t h u m b 指令集可以以1 6 位的系统开销 得到3 2 位的系统性能。三星公司生产s 3 c 4 4 b o x ，p h i l i p s 公司的l p c 2 1 1 4 r i s c 微处理器就属于此类1 9 l 。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 嵌入式实时操作系统p c o s i i p c o s i i 是一种源码公开、可移植到各种目标系统中的多任务实时内核， 1 9 9 7 年以后，在国际上就逐渐被广泛采用。如今许多领域都在使用p c o s i i ， 例如照相机行业、医疗器械、音响设备、发动机控制、网络设备、高速公路电 话系统、自动提款机、工业机器人等等1 1 0 】【1 2 l 。 l c o s i i 完全是占先式的实时内核，是基于优先级的，即总是让就绪态中优 先级最高的任务先运行，因此实时性比非占先式的内核要好。它是一个支持多 任务的操作系统，可以将一个完整的应用程序划分为几个任务，不同的任务执 行不同的功能。c o s i i 可以管理6 4 个任务，提供了任务管理的各种函数调用， 包括创建任务、删除任务、改变任务的优先级、挂起和恢复任务等。c o s i i 包含了实时内核、任务管理、时间管理、任务间通信同步( 信号量、邮箱、消 息队列和事件) 和内存管理等功能。它大部分的代码是用c 语言编写的，可移 植性强，目前，可以在绝大多数的8 位、1 6 位、3 2 位以至6 4 位微处理器、微 控制器、数字信号处理器上运行。用户可以根据需要自己编写移植代码1 1 。 2 4 工业现场总线通信协议m o d b u s m o d b u s 是m o d i c o n 公司于1 9 7 9 年开发的一种通信协议。它是一种在工 业领域被广为应用的真正开放、标准的网络通信协议。m o d b u s 协议被大部分 s c a d a ( s u p e r v i s o rc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n 数据采集与监视控制系统) 和 h m i ( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e 人机界面) 软件支持，所以它实际上已经成为一 种通用的工业标准。它可以使不同厂商生产的控制设备连成工业网络，进行集 中监控【1 7 l 【1 8 j 。通过此协议，控制器之间、控制器经由网络( 例如以太网) 和其 它设备之间可以进行通信1 1 5 1 【1 6 1 。 控制器可以设置为两种传输模式( a s c i i 或r t u ) 中的任何一种在标准的 m o d b u s 网络通信。用户选择想要的模式，包括串口通信参数( 波特率、校验方 式等) ，在配置每个控制器的时候，在一个m o d b u s 网络上的所有设备都必须选 择相同的传输模式和串口参判1 9 儿2 0 1 。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 1m o d b u s 的两种传输模式 2 4 1 1m o d b u s 协议a s c i i 模式 当控制器设为在m o d b u s 网络上以a s c i i ( 美国标准信息交换代码) 模式通 信，在消息中的每个字节( 8 b i t ) 都作为两个a s c i i 字符发送。 使用a s c i i 模式的主要优点是：消息以冒号( ：) 字符( a s c i i 码3 a h ) 开 始，以回车换行符结束( a s c i i 码0 d h ，0 a h ) 。其它域使用的传输字符是十六进 制的0 9 , a f 。网络上的设备不断侦测= ”字符，当有一个冒号接收到时，每个 设备都解码下个域( 地址域) 来判断是否是发给自己的。消息中字符间发送的 时间间隔最长不能超过1 秒，否则接收的设备将认为传输错误。 一个典型a s c i i 模式消息帧结构如表2 - 1 所示： 表2 - 1a s c i i 模式消息帧结构 起始位设备地址功能代码数据l r c 校验结束符 1 个字符2 个字符2 个字符1 1 个字符2 个字符2 个字符 2 4 1 2m o d b u s 协议r t u 模式 当控制器设为在m o d b u s 网络上以r t u ( 远程终端单元) 模式通信，在消息 中的每个字节( 8 b i t ) 包含两个4 b i t 的十六进制字符。 使用r t u 方式的主要优点是：在同样的波特率下，可比a s c i i 方式传送更 多的数据。使用r t u 模式，消息发送至少要以3 5 个字符时间的停顿间隔开始。 传输的第一个域是设备地址。可以使用的传输字符是十六进制的0 9 ，a f 。网 络设备不断侦测网络总线，包括停顿间隔时间在内。当第一个域( 地址域) 接 收到时，每个设备都进行解码以判断是否是发往自己的。在最后一个传输字符 之后，一个至少3 5 个字符时间的停顿标定了消息的结束。一个新的消息可在此 停顿后开始。整个消息帧必须作为一连续的流传输。如果在帧完成之前有超 过3 5 个字符的停顿时间，接收设备将刷新不完整的消息并假定下一字节是一个 新消息的地址域。同样地，如果一个新消息在小于3 5 个字符时间内接着前个消 息开始，接收的设备将认为它是前一消息的延续。这将导致个错误，因为在 最后的c r c 域的值不可能是正确的。 一个典型r t u 模式消息帧结构如表2 2 所示： 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 2r t u 模式消息帧结构 起始位设备地址功能码域数据c r c 校验 结束符 t 1 t 2 t 3 t 41 个字节1 个字节n 个字节2 个字节t 1 t 2 t 3 t 4 2 4 2m o d b u sr t u 基本帧格式 数据采集管理模块通信采用工业控制和分布式系统协议m o d b u s r t u 通 信协议。通信协议采用十六进制的形式，所有寄存器采用的都是1 6 位寄存器。 寄存器中数据的排列采用大端格式。m o d b u s r t u 基本帧格式如表2 3 所示： 表2 - 3m o d b u s r t u 基本帧格式 作用字节数说明 起始t 1 、他、1 r 3 、t 4至少3 5 个字符的时间未收到信号 从站地址域1 个字符请求帧为接收地址，应答帧为自身 地址 功能码域1 个字节 数据域多字节字节数不定，对于2 字节寄存器， 则高位字节在前 c r c l 6 校验码( 低8 位)1 个字节c r c 算法 c r c l 6 校验码( 高8 位)1 个字节 结束t 1 、t 2 、t 3 、t 4至少停止发送3 5 个字符的时间 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章数据采集管理模块总体设计 3 1 数据采集管理模块的功能需求分析 数据采集管理模块需要实现如下的具体功能： 1 、自动检测在线下位机功能模块功能 每次开机时，数据采集管理模块会自动检测在线下位机功能模块，并将各下 位机功能模块的静态数据映射到数据采集管理模块的r a m 区中。该功能使得数 据采集管理模块在管理时支持下位机功能模块带电热插拔。 2 、在线实时数据监控功能 数据采集管理模块的在线实时数据监控功能是从组合式下位机功能模块的 对应映射区中读取报警状态及测点数据，将这些数据在液晶屏进行实时显示。 这样设计便于对当前系统的运行状态进行实时的监测和判断。 3 、组态功能 通过触摸屏来完成对各个在线下位机功能模块的现场组态操作。这些操作包 括设定报警值、报警延时、报警逻辑等。 4 、通信功能 数据采集管理模块在不间断的与所有在线下位机功能模块进行通信，以取得 各个下位机功能模块的测点数据。同时还可以与上位机进行通信。通信采用 m o d b u sr t u 通讯口：r s 4 8 5 ，使用m o d b u sr t u 通信协议。可以根据协议 发送读、写和辅助命令，完成对下位机功能模块的数据采集及组态。 5 、实时时钟设置与显示功能 在l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 显示屏右上角显示不断更新的实时时钟并且 可以通过按键操作设置时钟。 6 、触摸屏操作功能 触摸屏操作包括触摸屏校准以及按键操作。 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 数据采集管理模块软硬件平台的选择 3 2 1 数据采集管理模块的硬件平台的选择 由图1 4 可知数据采集管理模块由3 2 位嵌入式处理器，存储器，液晶显示 屏，高灵敏度的触摸屏以及相关的接口器件组成。下面分别介绍3 2 位嵌入式处 理器，存储器，液晶显示屏，高灵敏度触摸屏的选型【1 3 】。 1 、微处理器选型 数据采集管理模块的c p u 选择三星公司的s 3 c 4 4 b o x 3 引，这是3 2 位的a r m 系列c p u 。该c p u 自带有片内l c d 控制接口，可以方便的控制l c d 显示模块， 这是选择该型c p u 的最突出的理由。s 3 c 4 4 b o x 有两路u a r t 串口通信，一路 用于和系统的下位机功能模块进行通信，另一路和上位机或d c s ( d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ) 系统进行通信。s 3 c 4 4 b o x 不含内部存储器，因此需要外接存 储器( f l a s h 、r a m ) 。这就需要根据情况选择适当的外接存储器。外接存储器 的优势在于：可以只增加少量成本就能灵活的确定存储器的容量，从而可以大 幅度的增加软件的容量和功能，而不必担心存储器的容量不够f 1 4 j 。 2 、液晶显示屏选型 选择液晶屏时考虑了以下两个方面： ( 1 ) 需要动态地显示汉字和图形，这一点决定了只能选择图形点阵式液晶 屏。 ( 2 ) 一般情况下，如果使用单片机控制，由于其控制能力的限制，只有在 6 4 0 * 4 8 0 以下单色、3 2 0 * 2 4 0 以下伪彩色的范围内进行选择。 基于以上考虑，数据采集管理模块的液晶显示屏采用夏普的l m 0 5 0 q c i t 0 1 伪彩色5 寸显示屏，分辨率为3 2 0 * 2 4 0 。 3 、高灵敏度触摸屏选型 电阻式触摸屏工作在与外界完全隔离的环境中，它不怕灰尘、水气和