（计算机应用技术专业论文）嵌入式球磨机料位检测系统的设计与实现.pdf

摘要本文主要介绍了一种基于嵌入式技术实现的球磨机料位检测系统的设计方案，该系统的主要原理是通过对球磨机工作时发出的磨声信号进行采集，然后利用数字信号处理的相关技术来分析磨音和料位的关系，最后计算出球磨机内的料位。球磨机是一种十分重要的制粉设备，球磨机内的料位信息是一个非常重要的参数，料位的多少直接影响着加料的速度和球磨机的工作状况，因此准确的测量料位是致关重要的。只有将料位维持在一个合理的范围内才能保证球磨机的正常工作和较高的工作效率，这也正是研究这个检测系统的意义所在。在整个系统的设计过程中，首先通过微控制器s 3 c 4 4 b o x 外接音频传感器，对磨音进行拾取，然后通过i i s 总线以d 淞的方式传输到s 3 c 4 4 b o x 内部，并通过p i o方式存储到i d e 硬盘中，磨音采集结束后将载满数据的硬盘移到p c 机上，利用p c机内丰富的软件资源( 主要是利用 l a t l a b ) 来对磨音数据进行频域的分析，主要使用的分析方法是平均功率谱估计。最后根据实验分析，再利用m a t l a b 拟合出磨音和料位之间的数学模型，从而为今后的检测提供一个标准。在数学模型建立以后，将数学模型和一些信号处理函数固化到s 3 c 4 4 b o x 内。由s 3 c 4 4 b o x 通过i i s 总线与外置麦克风相连，对磨音进行现场的实时采集，并利用s 3 c 4 4 b o x 内的固化程序对磨音的平均功率谱估计进行计算后再利用数学模型完成对球磨机内料位的估算，最后通过l c d 显示屏显示给操作人员，同时操作人员也可以通过输入设备( 触摸屏) 设置一些基本参数完成人机交互的过程。关键词：球磨机；数字信号处理：s 3 c a 4 b o x ；u c o s _ l l 移植：u c f u l 移植t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h ee m b e d d e ds y s t e mt om e a s u r et h em a t e r i a ll e v e lo fb a l lm i l la b s t r a c tt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no f t h ee m b e d d e ds y s t e mt om e a s u r et h em a t e r i a ll e v e lo fb a l lm i l lw a sd e s c r i b e di nt h i sa r t i c l e i t sp r i n c i p l ei st h r o u g ha n a l y s i n gt h ea c o u s t i c a ls i g n a lt oc a l c u l m et h em a t e r i a ll o c a t i o n b a l lm i l li so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm i l l i n gd e v i c e si ni n d u s t r y t h em a t e r i a ll o c a t i o ni sav e r yi m p o r t a n tp a r a m e t e ra n di ti n f l u e n c e st h es p e e do fh o i s t i n go rl o w e r i n gl o a dd i r e c t l y , s ot h em e a s u r e m e n to ft h em a t e r i a ll o c a c i o ni sv e r yi m p o r t a n t t ok e e pt h em a t e r i a ll o c a t i o ni nar e a s o n a b l er a n g ec o u l dg u a r a n t e en o r m a lw o r ka n dh i g h e rw o r k i n ge f f i c i e n c yo f t h eb a l lm i l l i i lt h ec o u r s eo ft h ed e s i g no ft h ew h o l es y s t e m ，f i r s t l y , a c o u s t i c a ls o u n di sp i c k e du pb ys 3 c 4 4 b o xw i t l lm i c r o p h o n e s e c o n d l n t h es i g n a li st r a n s m i t t e db yt h ew a yo fd m at h r o u g hi i sb u sa n di ss t o r e di nt h eh a r d d i s k t h i r d l y , t h ef r e q u e n c y - d o m a i nc h a r a c t e r i s t i co f t h es i g n a li sa n a l y z e do np c ( u s i n gm a t l a b ) t h em a i nm e t h o di st h ee s t i m a t eo ft h ea v e r a g e p e r i o dc h a r t a c c o r d i n gt oal a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t sa n da n a l y s i sr e s u l t s ，ab a s i cm a t h e m a t i c sm o d e li ss e tu pa n das t a n d a r di so f f e r e dt oc o n t r o li nt h ef u t u r e a f t e rt h em a t h e m a t i c sm o d e li ss e tu p ，t h ep r o g r a mo fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n ga n dt h em a t h e m a t i c sm o d e la r ep u ti nt h es 3 c 4 4 b o x t h ea c o u s t i c a ls o u n di sp i c k e du pt h r o u g he x t e r n a lm i c r o p h o n e ，a n dt h ef r e q u e n c y - d o m a i nc h a r a c t e r i s t i co ft h es i g n a li sa n a l y z e di n8 3 c 4 4 b o x a tl a s t t h em a t e r i a ll o c a t i o ni nb a l lm i l li se s t i m a t e du t i l i z i n gm a t h e m a t i c sm o d e l t h e l l t h er e s u l ti ss h o w no nl c da n dt h eo p e r a t o rc a ni n p u ts o m ep a r a m e t e r st h r o u g ht o u c hs c r e e n k e yw o r d s ：b a l lm i l l ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ；s 3 c 4 4 b o x ：u c o s i it r a n s p l a n t e d ；u c g u it r a n s p l a n t e d大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明原刨性声明本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成博士硕士学位论文：遨益燮壁扭型焦焦测丕筮的遮过生塞丑：。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：黝岁年弓月玎自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“大连海事大学研究生学位论文提交、版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向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。本人授权大连海事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。保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于：保密口不保密口( 请在以上方框内打“”)黻储躲城新硌编司缸日期：o 年弓月肛日第1 章绪论1 1 球磨机的结构特点及工作原理球磨机是一种筒状，内装有许多研磨体的大型设备，圆筒直径通常为2 4 m 、长3 一l o m 。钢球装载量约占简体容积1 4 ，在正常工作情况下磨筒的转速约为1 72 2 周分钟，钢球量一般在1 0 6 0 吨左右，钢球大小略有差异直径大约在5 0 r a m左右。磨机工作时，研磨体由于重力、离心力、摩擦力作用贴在球磨机筒体内壁上与简体一道回转，并被带到一定高度后，由于重力大于离心力和摩擦力的合力，此时研磨体被抛落出去，下落时将筒体内的物料击碎 1 】。1 2 球磨机料位检测系统设计的目的与意义球磨机是一种工业生产中十分重要的制粉设备，同时也是破碎机械用量最广的一种，在矿山、冶金、建材、陶瓷、水泥、电力、化工等工业部门都有广泛的应用 2 1 。球磨机属于一种高能耗、低效率的设备。据统计，球磨机用电量占发电厂用电量的1 5 2 5 ，是电厂的耗电大户之一口】，而在球磨机消耗的能量中绝大多数又被转化为振动、发热和噪声。在粉碎物料过程中，由于缺乏可靠性强和准确性高的检测设备和检测方法，会经常出现饱磨、空磨和堵磨的现象，这就不得不在中途停止加料甚至停磨，既降低了产量，成品的质量也是难以保证的，同时对球磨机本身的使用寿命也有很大的削减。又因为球磨机本身是一种大噪音设备，为了观察球磨机的运行状态，工人经常要在生产现场对球磨机状态进行监测，这种高分贝的巨大噪音对工人的身体健康是十分有害的 4 1 。因此，无论是从提高运行的稳定性，提高生产效率，节约能源的角度来讲，还是保护工人身体健康的角度来讲，对球磨机负荷检测系统进行研究都具有十分重要的意义。1 3 课题的现状在现有的条件下大多数的厂矿企业基本上采用的是人工估算法，就是有经验的工作人员通过听取球磨机在工作过程中发出的巨大嗓音“磨音”，凭借多年工作积累起来的经验对球磨机的当前工作状况( 饱磨，空磨，堵磨) 作出刿断，来决定下一步的工作。这个判断过程会受到个体，经验，乃至精神状态等诸多因素的干扰，因此这种纯粹凭借经验的估计是不够准确也不够客观的。有些厂矿采用差压测量法，这种方法的工作原理是利用增压容器的气泡器原理。增压空气被注入到煤粉层的上部和下部，当磨煤机中存有一定煤粉时，磨中就形成了一定的煤位。此煤位的存在使得两个空气层之间产生一压差，测出此压差值，经函数转换就得到磨煤机中的煤位。为了保证测量的准确性，要求时刻保证测量管路的畅通，加上球磨机本身就是个多变量、强耦合、大惯性的复杂被控对象，而且影响球磨机料位的因素也比较多【鄹，所以这种方法在实际应用中并不能得到非常满意的效果。现在市面上也有一些料位计，如阻旋式料位计，放射线料位计，重锤探测料位计，射频电容料位计等等。这些料位计都不太适合对球磨机料位测定，一是球磨机是封闭式工作的，无法在内部安装探测设备；二是旋转带动的钢球对探测设备有破坏作用：三是多数放射线对人体是有危害的。基于上述原因，现在市面上的料位检测系统不太适合应用到球磨机系统。1 4 论文所做工作和论文结构1 4 1 论文所做的工作首先进行需求分析，明确系统功能。基于项目的目的、用途和资金投入等主要因素选择硬件产品。对系统进行总体设计包括系统的硬件设计和相应的软件实现。为了进一步完善系统功能降低成本，在对现有的一些料位检测系统的工作原理进行了分析的基础上，参考了现有较流行料位检测系统的设计思想，最后通过了最终方案首先通过前期辅助模块利用微控制器( 8 3 c 4 4 b o x ) 对噪声信号进行现场采集并存储到硬盘中，然后将载满数据的硬盘接到p c 机上，在p c 机上进行数字信号处理建立数学模型；再次通过微控制器对现场实时数据进行采集分析确定料位；最后，通过人机交互界面直观的展示在操作人员面前。主要的工作有：1 、进行需求分析和方案确定。2 、对s 3 c 4 4 b o x 的熟悉( 硬件和软件) 与编程。3 、对i d e 接口和f a t 3 2 进行熟悉，并且编程实现。4 、现场数据采集。5 、对信号处理( 主要是声音信号处理) 的相关知识和相关软件( m a t l a b )进行熟悉，并且完成相关处理的c 语言编程。6 、对相关硬件电路和芯片编程的了解与实验。7 、对嵌入式操作系统进行比较并且完成u c o si i 的移植。8 、对嵌入式g u i 进行比较并且进行移植，完成图形界面和触摸屏编程。9 、系统整合以及现场初步调试。1 4 2 论文结构本论文共分八章。论文的第一章( 本章) 是绪论部分，对论文的背景、课题来源以及作者所做的工作进行简略的介绍。第二章介绍了本系统的整体设计，包括对硬件的功能划分和软件模块的划分并给出了原理图，本章对系统的开发和编程都有一定的指导意义。第三章主要介绍了磨音信号处理的相关技术( 数字滤波器设计，平均功率谱估计，数据拟合，等) ，以及在p c 机上的实现，最终建立起被测对象的数学模型，为现场信号分析提供依据。第四章在对系统原理图理解的基础上，对硬件系统中用到的主要芯片进行介绍，同时给出了c p u 与这些芯片的连接引脚图。第五章通过对现有嵌入式操作系统进行介绍和比较，从而确定了本系统中所应用的操作系统，并对操作系统的移植和简单测试做了详细的说明。第六章详细介绍了各个软件模块( 数据采集，信号处理，图形用户界面u c g u i的移植) 的实现过程。第七章主要介绍了辅助模块的硬件设计与软件实现，包括硬盘接口的设计与编程和f a t 3 2 文件系统在微控制器上的实现。第八章对全文进行简要总结，并对下一步的工作进行展望。第2 章系统整体设计在这一章中详细介绍检测系统的整体设计，为今后工作提供一定的指导。2 1 系统原理框图图2 1 系统原理图f i g 21s y s t e mt h e o r yf i g u r e如图2 1 ，通过音频传感器【6 l 对磨音拾取，然后通过放大器进行放大后，进入模数转换芯片转换成数字信号，然后由微控制器接受、分析、处理，最后将结果输出到外设，操作人员可以根据显示结果作出相应操作。同时，系统通过输入设备将操作者的命令传送到微控制器。2 2 软件功能模块由图2 1 可以清晰看出，应用软件可以分为三个模块和一个辅助模块，这些模块都在系统原理图中有所标注，分别是数据采集模块，信号处理模块，人机交互模块。2 2 1 数据采集模块这个模块的主要功能是在微控制器的控n - f ，对工作现场数据进行采集，然后转化为数字信号等待微控制器的处理。2 2 2 信号处理模块这个模块的主要功能就是对采集来的信号进行信号分析，将时域信号转化为频域信号，利用数学模型将磨音信号转换成料位高度信息，再通过图形用户接口显示给操作人员。2 2 ，3 人枧交互模块这个模块的主要功能就是完成人机交互的过程，在开机时展示开机界面并为用户提供服务菜单和命令输入接口，同时为用户提供当前球磨机的工作状态信息，具体详见第6 章第3 节。2 2 4 辅助模块由于在整个检测过程中，需要对被测对象( 球磨机) 建立数学模型，主要的方法就是要对球磨机各个不同的状态发出的噪声进行采集。建立数学模型的过程就是对这些数据进行分析的过程，从而找到料位的高度和磨音之间的内在关系。而存储数据需要一个较大容量的存储介质，当数学模型一旦建立，这个过程就没有必要了。由于一般的存储介质是无法达到这个容量的，所以决定采用i d e 硬盘，这样虽然给开发人员带来了一定的麻烦，但却为将来的信号分析带来了很大的方便。数据采集时可以使用微控制器外接硬盘，这样携带方便，占地小，不会给工人操作带来麻烦。然后，将采将载满数据的硬盘连接到p c 机上，因为p c 机提供的软件很多，信号处理也很方便。以上只是对系统整体设计的功能性说明，具体内容将在下面几章进行详细的说明。2 3 嵌入式操作系统为了使得各个模块协调工作，并保证整个系统安全、稳定运行，选择一款合适的操作系统是十分必要的，详细的内容请见第5 章。第3 章数学模型在p c 机上的建立在这一章中将要介绍有关磨音信号处理和分析的相关技术，以及如何利用这些技术在p c 机上建立球磨机的数学模型。这一章介绍的相关技术还要在微控制器上进行实现，具体在微控制器上的实现部分请见第6 章第2 节。由图2 1 可以看出，磨音数据在微控制器的控制下存储到硬盘( 具体存储方法见第7 章) 。3 1 磨音信号的频域分析方法对声音信号的处理方法主要有时域和频域。其中时域分析是最简单、最直观的方法，它直接对声音信号的时域波形进行分析，提取的特征参数主要有声音的短时能量和平均幅度、短时平均过零率等。而在频域的分析方法中主要求它的功率谱，分析它的平均周期图，在这里只用到了频域方法，所以只对频域方法进行介绍。通过观察发现，磨音信号在大约1 0 r e s 内是近似不变的，因此可以把磨音信号分成一些短段来进行处理。为了达到这一目的，通常采用一个长度有限的窗函数来截取磨音信号形成分析帧，窗函数国( 以) 将需要区域之外的样点置零来获得当前磨音帧，这种方法称为“短时”处理方法n3 1 1 功率谱估计因为一个随机信号在各个时间点上的值是不能先验确定的，因此无法像确定信号那样可以用数学表达式或图表精确的表示它，只能用各种统计平均量来表征它，而自相关函数是最能较完整的表征它的特定统计平均量值的。一个随机信号的功率谱密度正是自相关函数的傅立时变换，因为对于一个随机信号来说，它本身的傅立叶变换是不存在的，只能用功率谱密度来表征它的统计平均谱特性，所以功率谱密度是一个随机信号最重要的一种表征形式吼( 一) 周期图法 9 】周期图法是直接将信号的采样数据x 仁) 进行傅立叶变换求取功率谱密度的估计。假设有限长随机信号序列x 0 ) ，它的傅立叶变换x 口) 和功率谱密度估计j 。驴) 存在下面的关系：6童。( ，) = 专l x u 】2式中，n 为随机信号序列工0 ) 长度，在对于离散的序列为专。u ) = 专i x u 】2 = 专l 。盯k o ) 1 2其中f 西喧叩k 0 ) 】为伍。r + 伍。) 2 ，j 。和x 。分别表示实部和虚部。( 二) 平均周期图法【9 1将信号序列x x o 丹n 一1 ，分成互不重叠的p 小段，每小段有m 个采样值，则p + m = n 。对每小段信号进行功率谱估计，然后求它们的平均值作为整个序列x ( 一) 的功率谱估计。在这里分析过程中出现了一个问题，对于原来的n 个采样值进行分段时，就引进了误差，这个误差的来源实际为傅立叶变换，由原来较长序列到现在的较短序列而引进的，所以在使用f f t 变换时硬件或软件中往往要使用一种技术，这就是加窗 1 0 1 。在这里采用了加窗方法来解决这个问题。平均周期图法可用公式3 1 表示j ：趁! 竺型! !p3 2 磨音信号的处理( 3 1 )3 2 1 数字滤波器的设计方法数字滤波器分为两大类，即无限冲激响应( i i r ) 和有限冲激响应( f i r ) 滤波器。i i r 滤波器的冲激响应具有无限的持续时间，而f i r 滤波器的冲激响应具有有限持续时间，因为f i r 的冲激响应序列只有n 个值。现在来看一下f i r 和i i r 滤波器之间优缺点比较【l i j ：( 1 ) f i r 滤波器可以具有精确的线性相位响应，其潜在的含义就是采用这种滤波器不会给信号带来相位失真。( 2 ) f i r 的实现是非递归的，这说明该滤波器是稳定的。而i i r 滤波器的稳定性不是一直都能得至保证的。( 3 ) 采用有限位数实现滤波器的影响，f i r 比i i r 要小。( 4 ) 对锐截止滤波器，f i r 要求的系数要比i i r 要多，但是可以很容易的利( 4 ) 对锐截止滤波器，f i r 要求的系数要比i i r 要多，但是可以很容易的利用f f t 的计算速度和多速率技术来有效的提高f i r 滤波器。从上面的比较可以看出来，该系统关心的是具有线性相位的f i r 滤波器，本系统采用f i r 滤波器对磨音信号进行滤波。f i r 滤波器可以由公式3 2 来描述：y ( m ) = h ( n ) x 如一以)( 3 2 )抒( z ) = h ( k ) z 4式中h ( k ) ( 膏= 0 , 1 ，n 一1 ) ，是滤波器的冲激响应系数。g ) 是滤波器的传递函数，是滤波器长度，即滤波器系数的数目。公式3 2 表示当前输出信号y ( n )只是过去和当前的输入值x ) 的函数。在f i r 的设计过程中，最重要的就是计算f i r 滤波器的系数，即求 0 ) 的值。求 0 ) 有几种比较有效方法，然而最常用的方法是窗口方法。在本项目中，采用的就是窗口方法也叫傅立叶级数方法。现在就对窗口设计方法进行简单的说明 惶1 。一般是先给出所要求的理想滤波器频率响应z l k 归) ，要求设计一个f i r 滤波器频率响应珥0 扣) ：n - i 0 一伽来逼近巩0 ，m ) 。但是设计是在时域中进行的，因而先要由h 。0 归) 的傅立叶逆变换导出0 ) ，即：0 ) = 石1 日。0 扣 枷d o ) 。由于日。- 如) 是矩形频率特性，故0 ) 一定是无限长的序列，且是非因果的，而我们要设计的是f i r 滤波器，其矗必然是有限长的，所以要用有限长的 ) 来逼近无限长的矗。缸) ，最有效的方法是截断q ) ，或者说用一个有限长的窗口函数序列0 ) 来截取以( ，i ) ，即 ( 悖) = 国识) k 0 ) ，而窗口函数序列的形状及长度的选择就很关键，窗函数的选择将在下面介绍。计算f i r 滤波器系数的窗口方法总结如下 l ：( 1 ) 指定理想的或期望的滤波器频率响应日。c o ) ；( 2 ) 通过计算傅立叶逆变换求期望的滤波器的冲激响应，对于标准的低通滤波器k 0 ) 的表达式如公式3 4 ，具体的推导过程见参考文献1 2 ：( 3 ) 选择一个满足通带或衰减指标的窗函数，然后利用滤波器长度与过渡带宽厂( 表示为抽样频率的分数) 之间的关系确定滤波器系数的数目；( 4 ) 对选取的窗函数求，0 ) 的值，并且将 。0 ) 与w 0 ) 相乘得到实际的f i r系数 o ) = h 0 0 p o ) 。( 3 3 )。i n 国。( 一掣) 】经过推导得到低通滤波器( ) = 甭= 一( 3 4 )万( 疗一下)其中n 为滤波器长度，计算得n = 1 4 ，6 0 ，为通带边缘频率为0 57 ，( 推导过程参见参考文献t 2 ) 。3 ，2 2 窗函数的选择窗函数选择的要求：( i ) 窗谱主瓣尽可能地窄，以获得较陡的过渡带；( 2 ) 尽量减少窗谱的最大旁瓣的相对幅度，也就是能量尽量集中于主瓣，这样使肩峰和波纹减小，就可以增大阻带的衰减。但是这两项要求是不能同时得到满足的，往往是增加主瓣宽度以换取旁瓣的抑制。因而选用不同形状的窗函数都是为了得到平坦的通带幅度响应和较小的阻带波纹( 也就是加大阻带衰减) 。因而所用的窗函数，其频谱旁瓣电平要较小，而主瓣就会加宽。这就是说窗函数在边沿处( n - 0 和n = n 1 附近) 比矩形窗变化要平滑而缓慢，以减小由陡峭的边缘所引起的旁瓣分量，使阻带衰减增大。几种常见的窗函数的重要特征总结如图3 1 。在这里主要了解一下哈明( h a m m i n g ) 窗，因为在常见的几个窗函数中，使用最广泛的窗函数就是哈明窗，而且它的各项系数完全符合系统的要求，所以在本系统中采用哈明窗。啥明窗定义如公式3 5 ：w g = 0 5 4 + 0 4 6 c o s ( 2 啦碧篡惠1 ) 2 ( ( n j 为- , j 徽删) ，i _ 0偌为其它值)通过公式3 3 得到h ( n ) = ( 坩) ( 船) = 皇塑擀国( 玎)( 3 6 因此f i r 滤波器的系数可以由公式3 6 计算求得。图3 1 常用窗函数重要特征总结f i g 3 1t h es u m m a r yo f t h ei m p o r t a n tc h a r a c t e r so f t h eu s u a lw i n d o wf u n c t i o n3 3 磨音信号处理函数介绍( - - ) m a t l a b 信号处理工具箱提供标准型f i r 滤波器的工具函数，f i r l 是采用经典窗函数法设计线性相位f i r 数字滤波器，且具有标准低通、带通、高通和带阻等类型。函数调用格式为b = f i r x ( n ，。)b = 归1 协，f t y p e )b = ，1 扣，w i n d o w )b = f i r l ( n ，f t y p e ，w i n d o w j其中，n 为f i r 滤波器的阶数，对于高通、带阻滤波器玎取偶数；0 3 ，。为滤波器截止频率，0 - - 1 ；对于带通、带阻滤波器，= b 。，吐 ，且q m ：；f t y p e 为滤波器类型：缺省时为低通或带通滤波器；飞i 旦h 为高通滤波器：s t o p 为带阻滤波器：w i n d o w 为窗函数，其长度为n + l 。缺省时，自动取h a m m i n g 窗，在该项目中才用的是h a m m i n g 窗9 1 。( 二) 在m a t l a b 的信号处理工具箱中函数f f t 用于快速傅立叶变换，下面介绍这些函数，函数的调用格式为公式3 7 ：r f f t ( x )( 3 7 )公式3 7 中，x 是序列，y 是序列的f f t ，x 可以为一向量或矩阵，若x 为一向量，y 是x 的f f t ，且和x 相同长度。若x 为一矩阵，则y 是对矩阵的每一列向量进行f f t 。y = m ( x ，n )( 3 8 )公式3 8 中，x ，y 的意义如前，n 为正整数。该函数执行的是n 点f f t ，若x为向量且长度小于n ，则函数将x 补零至长度n 。若向量x 的长度大于n ，则函数截短x 使之长度为n 【9 1 。、( 三) w e l c h 功率密度就是用改进的平均周期图法来求取随机信号的功率谱密度估计的。w e l c h 法采用信号重叠分段、加窗函数和f f t 算法等计算一个信号序列的自功率谱估计( p s d ) 。函数调用的格式为：气= p s d ( x )气= p s d ( x ，n f f t )气= p s d ( x ，n f f t ，c )匕= p s d ( x ，n f f t ，爻，w i n d o w )气= p s d ( x ，n f f t ，只，w i n d o w ，n o v e r l a p j其中，x 为信号序列；n f f t 为采用的f f t 长度，这值决定了功率谱估计速度，当n f f t 采用2 的幂时，快速执行：f ：为采样频率；w i n d o w 定义窗函数和x 分段序列的长度，窗函数长度必须小于或等于n f f f ，否则就会出现错误；n o v e r l a p 为分段序列重叠的采样点数( 长度) ，它应小于n f f t 9 1 。( 四) 多项式的曲线拟合函数。对于试验或统计数据，为了描述不同变量之间的关系，经常采用拟合曲线的办法。拟台曲线，就是要根据已知数据找出相应函数的系数。通常情况下，已知数据往往多于未知系数的个数，所以曲线拟合实质上是解超线性方程组。函数p o l y f i t 从最小二乘的意思上，拟合出所给数据的多项式系数。函数调用的格式为；p = p o t y f i t ( x ，y ，n )其中x , y 为已知数据的横坐标和纵坐标向量，n 为多项式的次划” ，由于次数越高运算速度越慢，所以由于运算时间问题，只采用了2 次。3 4 数学模型在p c 机上的建立通过多次试验取得表3 1 中的平均值表3 1 试验数据t a b 3 1e x p e r i m e n td a t a y 料位高度x 平均功率谱估计1 0o 5 7 2 32 00 5 3 3 63 00 4 8 4 24 00 4 4 0 05 0o 3 8 2 76 00 3 3 0 77 00 2 8 3 78 002 3 2 09 00 1 9 4 7对表中数据利用p = p o t y 孵t ( x ，y ，h ) 进行你和得到如下的公式3 9y = 一6 5 4 3 l x 2 1 9 9 7 7 4 6 x + 1 2 7 7 3 4 3( 3 9 )从公式3 9 中可以发现它的变换在一定程度上是可以和球磨机内物料变化紧密联系起来的，针对现场不同的球磨机系统，可以得出一个修正系数k ，使得料位高度和公式3 9 建立了联系得到高度h 和y 的关系如公式3 1 0 ：h = r y( 3 1 0 )对于不同的球磨机，k 值和，值可能都有所不同，但这不是问题，只要两个值相乘结果相同就应该是有相同的料位。2第4 章系统硬件设计系统整体设计确定之后，就要根据各部分的具体功能进行硬件的选型和设计。主要包括微控制器的选择，显示屏的选择，人机输入接口的选择，c o d e c 接口的设计，f l a s h ，s d r a m 的选择以及地址的分配等等。本章将针对这些问题进行具体的讨论。4 1 微控制器的选择在微控制器的选择上，本系统选用s a m s u n g 公司出品的s 3 c 4 4 b o x ，它是基于删7 t d m i 内核的1 6 3 2 位精简指令集微控制器，是为手持设备和通用设各提供的一款低成本，高效率的微控制器。现就其主要特点进行简要的介绍【1 4 1 ：- 在a r m 7 t d m i 基础上增加了8 k b 的c a c h e 。( s a m b ai i 总线结构高达6 6 h z ) ；外部扩充存储器控制器。( f p e d o s d r a m 控制器，芯片片选逻辑) ；l c d 控制器( 最大支持2 5 6 色d s t n ) ，并带有1 个通道l c d 专用d m a通道；2 个通用d m a 2 个带外部请求引脚的d m a 通道：2 个带有握手信号的u a r t 1 个s i o ：1 个i i c 总线控制器：1 个l l s 总线控制器；5 个p w m 定时器和1 个内部定时器；看门狗定时器；7 1 个通用可编程y o 接口，8 个外部中断源；功能控制模式：正常( n o r m a l ) ，低( s l o w ) ，体眠( i d l e ) ，停止( s t o p ) ：8 路1 0 位a d c ：有日历功能的r t c ；带p l l 的片上时钟发生器：s 3 c 4 4 b o x 提供i i s 接口和d m a 的内存访问方式，这就可以用于连接c o d e c 。c o d e c 芯片主要用于在辅助模块和磨声信号数据采集模块e e o c 磨音信号进行高速的模，数转换。s 3 c 4 4 b o x 最高频率可以达到6 6 m h z ，这完全可以满足在信号处理与分析模块中的要求。如图4 1 为系统选用的s 3 c 4 4 b o x 是1 6 0 l q f p 的封装图。图4 is 3 c 4 4 b o x 封装图f i g 4 1s 3 c 4 4 b o xp i n a s s i g n m e n t s4 2f l a s h ，s d r a m 的选择和地址分配选用的f l a s h 芯片是i n t e lt e 2 8 f 3 2 0 ，容量为4 m b ，1 6 位数据宽度。用于存放代码，只读数据以及系统的一些配置信息等等。其地址映射到s 3 c 4 4 b o x 的b a n k 0 。本系统选用的r a m 是w i n b o n d2 1 8 0 g ，容量为8 m ，1 6 位数据宽度的s d r a m 存储器【1 5 。其地址映射到s 3 c 4 4 b o x 的b a n k 6 ，地址对应关系见表4 1 。表4 1 系统f l a s h ，s d r a m 分配表t a b 4 1s y s t e mf l a s hs d r a ma s s i g n m e n ti 芯片选择设备开始地址结束地址大小n g c s of l a s ho x o0 x 4 0 0 0 0 04 m bn g c s 6s d r a mo x c 0 0 0 0 0 00 x c 8 0 0 0 0 01 2 m b1 44 3c o d e c 的选择与接口的设计所谓c o d e c 是“c o d e r d e c o d e r ”的缩写，c o d e c 芯片主要负责模拟信号与数字信号的相互转换。它可以将电脑里的数字信号转变成模拟信号输出，或者是将外界输入的模拟信号转换成数字信号。对于这个项目来讲更加关心的是将外界的模拟信号转换为数字信号，主要是通过麦克风，对监控现场的声音进行采集，然后传给c o d e c 芯片，然后由c o d e c 芯片将模拟信号转换为数字信号，在通过i i s 总线直接传输到s 3 c 4 4 b o x 进行处理。4 3 1i i s 数据接口i i s 是i n t e r - i cs o u n d 的缩写，它是为数字音频技术和数字音频设备设计的串行总线标准。通常用于c o m p a c td i s c ( c d ) p l a y e r s ，d i g i t a ls o u n d p r o c e s s o r s ，和d i g i t a lt v ( d t v ) s o u n d 。i i s 的数据和时钟信号是分离的，这样与时间相关的错误就不会发生，也就满足了对实时性要求较高的设备的需要0 6 。4 3 2c o d e c 芯片的选择与接口的设计在选择c o d e c 时有如下要求：首先要确定采样频率，根据现场观察，发现多数的有效磨音信号基本都包含在小于4 0 0 0 h z 的范围内，所以根据采样定理它的采样频率至少要在8 k h z 以上：其次它要支持i i s 接口，因为在本系统中将用i i s 接口将采集来的数据传输到s 3 c 4 4 b o x 内。在本项目中采用的c o d e c 芯片是由p h i l i p s 公司生产的u d a l 3 4 1 i s ，现在对这个芯片的主要特性进行说明 1 7 l ：3 0 v 电压供电。系统时钟频率可选2 5 6 f s ，3 8 4 f s ，5 1 2 f s ( f s 为采样频率) 。对于a d c 和d a c 是分别供电的。可以选择不同的输入设置来提高a d 转换的声音质量。支持的采样频率从1 6 k h z 到4 8 k h z 。支持i i s 总线。综上所述，u d a l 3 4 1 t s 芯片无论从采样频率还是从数据格式方面都是非常适合本系统使用。下面给出微控制器与u d a l 3 4 1 t s 的连接框图4 2i i s l r c k船i i s d od a t a iv i n l im i c r o p h o n e i i s d id a t a ov i n r li i s c l kb c kp e 3l 3 d a t ap e 6l 3 m o d ep e 4l 3 c l o c kc o d e c l ks y s c l k图4 2s 3 c 4 4 b o x 与u d a l 3 4 1 t s 的连接图f i g 4 2u d a l 3 4 1 t si n t e r f a c e4 4l o d 显示屏的选择与设计4 4 1s 3 c 4 4 b o xl c d 外部接口信号s 3 c 4 4 b o xl c d 外部接口信号包括【1 8 1 ：v f r a m e ：l c d 控制器和l c d 驱动器之间的帧同步信号。它通知l c d 屏新的一帧的显示，l c d 控制器在一个完整的帧显示后发出v f k a m e 信号。v l i n e ：l c d 控制器和l c d 驱动器之间的行同步信号。l c d 驱动器通过它来将水平移位寄存器中的内容显示到l c d 屏上。l c d 控制器在一整行数据全部传输到l c d 驱动器后，发出v l i n e 信号。v c l k ：l c d 控制器和l c d 驱动器之间的像素时钟信号。l c d 控制器在v c l k 的上升沿发送数据，在v c l k 的下降沿对数据采集。v m ：l c d 驱动器所使用的交流信号。l c d 驱动器使用v m 来改变用于打开或关闭像素的行和列电压的极性，v m 信号在每一帧被触发。v d 3 ：0 】以及v d 7 - 4 】：l c d 像素数据输入端口。v d 3 ：o l 用于4 8 位的单扫描或双扫描时的高4 为数据输入；v d 7 ：4 用于8 位单扫描或双扫描时的低4位数据输入。4 4 2l c d 的选择在本系统中选择t r u l y 公司生产的m c t - 0 3 2 0 2 4 0 d n c w 一1 5 nl c d 显示屏。1 6该液晶显示屏的主要电气特性为：3 2 0 * 2 4 0 ( d o t s ) ；c o l o rs t n ( 支持2 5 6 色)该显示屏的引脚描述如表4 2 ：表4 2 显示屏引脚描述t a b 。l c dp i nd e s c r i p t i o n引脚号符号电平特性引脚描述1f rh ，l驱动液晶的交流信号2y dh l扫描开始3l ph 几数据显示锁定脉冲4x s c lh ，l数据显示移动脉冲5d i s p o f f开关显示屏h ，l6v d d高电平5 0 v7v s s地0 v8v d d hl c d 电压输入+ 2 3 v9u d 3数据第7 位h 甩1 0u d 2数据第6 位h ，l1 1u d l数据第5 位h ，l1 2u d 0数据第4 位h ，l1 3l d 3数据第3 位h l1 4l d 2数据第2 位h 几15l d l数据第1 位h l1 6l d 0数据第0 位h l1 7s 3 c 4 4 b o x 与液晶显示屏的引脚对应关系如图4 3 ：f r a m ey dv l 工n el pv c l kx s c lv mf rv d 7d 7v d 6d 6v d 5d 5v d 4d 4v d 3d 3d 2d 1v d 0d 0图4 3 显示屏接口电路图f i g 4 3l c di n t e r f a c e4 5 触摸屏控制器及触摸屏的选择除了有直观的显示，还要有便于操作的输入设备。在本系统中输入设备采用易于操作的触摸屏。下面来介绍一下触摸屏控制器和触摸屏的选择。4 5 1 触摸屏控制器的选择本系统采用的触摸屏控制器是b u r r - b r o w n ( b b ) 公司生产的a d s 7 8 4 3芯片。电气特性和引脚介绍 1 9 】4 一线触摸屏接口串行接口8 b i t 或1 2 - b i t 可编程模式高达1 2 5 h z 的转换率- 高达1 2 - b i t 的采样数模转换器参考电压1 v _ v c c引脚介绍如表4 3 ，a d s 7 8 4 3 和触摸屏的连接方式如图4 4 【1 9 】表4 3 a d s 7 8 4 3 引脚介绍t a b 4 3a d s 7 8 4 3p i nd e s c r i p t i o n引脚号引脚名称功能描述1 ，1 0+ v c e供电电源2 7 5 v2 ，3x + y +接触摸屏正电极，内部a d 通道4 ，5x ，y 二接触摸屏电极6g n d电源地7 ，8i n 3 ，i n 4两个附属a 1 ) 输入通道9u ：fa d 参考电压输入1 1- p e n i r q中断输出，须接外拉电阻1 2 ，1 4 ，d o u t ，d 【n ，串行接口引脚，在时钟下降沿数据移1 6d c l k出，上升沿移进1 3b u s y忙指示，低电平有效1 5- c s片选图4 4a d s 7 8 4 3 和触摸屏连接图f i g 4 4t o u c hs c r e e ni n t e r f a c e1 94 5 2 触摸屏的选择系统选择广州鑫顺生产的四线触摸屏s x 0 5 7 w 4 r 。f ，参数如下电路等级：5 v d c ，3 5 m a触点抖动时间： 5 m s操作压力：1 0 9 一1 0 0 9最小绝缘点：中0 0 3 5 r a m能够识别各种接触如手指、笔等输入信号。第5 章嵌入式操作系统的选择与移植5 1 嵌入式操作系统比较与选择为了避免开发工作的大量重复，提高开发效率，同时也为了确保系统能稳定的运行，现在相继出现了各种各样的针对嵌入式开发的操作系统，它们为开发人员提供了一些系统函数接口，由开发人员自行调用。这些接口函数具有一定的通用性，这样就给编程开发人员带来极大的方便，而将主要精力放在功能软件上的开发。同时一个好的操作系统也可以给整个系统的安全性带来保证，毕竟个系统提供的系统函数是经过许多实践检验和测试过的，因此用户可以放心调用，这要比用户自行编写安全得多，所以选择一个适合项目的操作系统是十分必要的。现在普遍使用的嵌入式操作系统主要有以下几种：v x w o r k s ，u c l i n u x ，u c o si i ，w i n d o w s c e 以下篇章中就对这几种常见的操作系统进行下简单的介绍与比较从而决定这个系统中所用的操作系统。v x w o r k s 操作系统是美国w i n d r i v e r 公司推出的一种嵌入式操作系统，其具有高性能的内核，友好的用户开发环境，功