（计算机应用技术专业论文）球磨机料位测控系统的设计与实现.pdf

中文摘要捅姜本文主要介绍了球磨机料位测控系统的设计方案，该系统主要完成对球磨机振声信号的采集、滤波、希尔伯特变换、下采样、包络信号提取等处理，并找出其能够表征料位信息的特征信号，建立特征信号与料位之间的映射关系。球磨机是一种十分重要的制粉设备，广泛应用于火力发电厂等工业场所，球磨机内的料位信息是关系到其运行状态和工作效率的重要参数，因此准确测量料位信息是非常重要的。本文的研究意义也正在于此。本系统是以a r m 9 系列的开发平台作为主要硬件平台，再外接电容传声器和触摸屏等设备来实现整个硬件系统地搭建。系统首先对振声信号进行采集，然后通过信号放大、数字滤波后进入微控制器$ 3 c 2 4 1 0 ，经过$ 3 c 2 4 1 0 的一系列处理后得出振声信号中与料位信息相关联的特征信号，并以此信号为基础将料位信息显示出来。在整个软件系统搭建过程中，主要介绍了l i n u x 嵌入式操作系统以及q t 图形系统的移植方法。在信号处理过程中，主要应用了希尔伯特变换、小波理论、b p 神经网络和下采样定理等几种算法。系统首先通过希尔伯特变换提取球磨机振声信号的包络，然后对包络信号进行下采样处理，对处理后的信号应用小波变换的多尺度重构技术进行滤波从而提取特征向量，最后用b p 神经网络在特征向量与球磨机料位之间建立映射关系，从而实现对球磨机的料位检测。关键词：l i n u x 移植；希尔伯特变换；小波变换；b p 神经网络；低频重构；英文摘要a 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 ft h ee m b e d d e ds y s t e mt 0m e a s u r ea n dc o n t r o lt h em a t e r i a ll e v e lo fb a l lm i l la r ei n t r o d u c e di nt h i sa r t i c l e i t sm a i nw o r ki st h a tp i c ku pt h eb a l lm i l l sa c o u s t i c a ls o u n da n dd e a lw i t hi tb yf i l t e r e da n dh i l b e r tt r a n s f o r m e d ，a n dt h e nf i n dt h ec h a r a c t e r i s t i cv e c t o ra n db u i l tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h em a t e r i a li o c a t i o n b a l lm i l li sa ni m p o r t a n te q u i p m e n tb eu s e dt oc o a lp u l v e r i z a t i o ni nt h ec o a l f i r e dp o w e rp l a n t 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 eb a l lm i l l sw o r k i n ge f f i c i e n c 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 t i o ni sv e r yi m p o r t a n t i ti st h em e a n i n go ft h i sa r t i c l e t h ea r m 9e m b e d d e dd e v e l o p m e n te q u i p m e n ti st h em a i nh a r d w a r ei nt h ee m b e d d e ds y s t e m ，i ti sc o n n e c t sw i t ht h em i c r o p h o n ea n dt h et o u c hs c r e e nt ob u i l taf u l ls y s t e m f i r s tt h es y s t e mp i c k e du pt h ea c o u s t i c a ls o u n d ，d u a lw i t hi tb ye n l a r g e ，d i g i t a lf i l t e ra n dt h e np u ti ti n $ 3 c 2 4 1 0 ，a n dd u a lw i t hb y $ 3 c 2 4 1 0 ，w ec a nf i n dt h ec h a r a c t e r i s t i cv e c t o r , a n du s ei tt od i s p l a yt h em a t e r i a ll o c a t i o nw h e nb u i l tt h es o f t w a r es y s t e m ，t h el i n u xe m b e d d e do sa n dq tg r a p hs y s t e mt r a n s p l a n tm e t h o da r ei n t r o d u c e d w h e nd u e lw i t ht h es i n g l e ，t h eh i l b e r tt r a n s f o r m ，w a v e l e tt r a n s f o r mt h e o r y ，b pn e u r a ln e t w o r kt h e o r ya n dd o w ns a m p l i n gt h e o r ya t ei n t r o d u c e d + f i r s t ，s y s t e mp i c k su pt h ee n v e l o p eo ft h ea c o u s t i c a ls o u n d s e c o n dt h ee n v e l o p ei sp r o c e s s e db yd o w ns a m p l i n g f i n a l l yw eu s i n gw a v e l e tt r a n s f o r me x t r a c tc h a r a c t e r i s t i cv e c t o ra n du s i n gb pn e u r a ln e t w o r kw em a k eam a p p i n gb e t w e e nt h ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h em a t e r i a ll o c a t i o na c t u a l i z et h em a t e r i a l l o c a t i o nr e c o g n i t i o n k e yw o r d s ：l i n u xt r a n s p l a n t e d ；h i l b e r tt r a n s f o r m ；w a v e l e tt r a n s f o r m ，b pn e u r a ln e t w o r k ；l o wf r e q u e n c yr e s t r u c t u r e大连海事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：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，撰写成硕士学位论文= = 燮廑扭料僮型撞丕缠鲍退让皇塞现：。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，均已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它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：魔垒j 嗍如眸3 月a r 日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。燃：譬轰絮麓猫，虱缸日期：加孑年了月球磨机料位测控系统的设计与实现第1 章绪论1 1 引言球磨机是广泛用于工业领域中的一种用来磨碎固体物料的机器设备，又称钢球球磨机。球磨机主要由可旋转的简体和简体内的钢球组成。它的工作原理是利用电动机带动球磨机筒体旋转，筒内钢球被抛起后又自由落下，使钢球与简体及被加工的固体物料之间发生撞击和研磨，把物料逐渐粉碎【1 1 。在火力发电厂，球磨机是主要设备之一1 2 】，它的运行状态直接关系到电力系统机组对锅炉负荷地控制，而如何控制球磨机的最佳工作料位是问题的关键。料位高低是衡量球磨机筒体中煤量的重要指标，它是用筒体中煤量占整个筒体体积百分比来衡量筒体中煤量的多少。如果料位过低，将造成球磨机工作在缺煤状态，出煤率低，并且能源利用率低下，同时钢球的磨损和对简体的危害也很严重。同样，如果球磨机的料位过高，球磨机的出煤率也不高，能源利用率差，甚至有时可能造成堵煤的严重情况。由于料位的自动检测难度大，在球磨机的实体中，采用全封闭结构，从外部不能直接测量料位的高度。虽然现在有一小部分火力发电厂应用了料位检测系统，但目前的这些检测系统测量精度并不理想，而且大部分火力发电厂还是依靠操作人员手工控制球磨机的料位。因此，有必要开发出高检测精度的球磨机料位测控系统来提高球磨机工作效率。1 2 课题的研究现状及意义球磨机料位测控系统的设计，必须取出能够正确反映球磨机工作状态的信号，而目前对球磨机的料位信号的分析中，主要有以下几种方法：( i ) 用声响信号法。球磨机的声响与其物料负荷具有一定的关系，这种方式的实质就是根据球磨机所产生的噪音的不同来确定球磨机机内的物料负荷。当球磨机内的物料增加时，球磨机噪音强度减小；反之，当球磨机中物料负荷减少时，球磨机的噪音强度增加；噪音强度和球磨机中物料负荷存在着一定关系。因此，可以利用球磨机的噪音强度来评估球磨机的物料负荷【3 1 。第1 章绪论( 2 ) 用功率法。当球磨机转速固定时，球磨机电机有用功率和球磨机负荷有一定关系。随着球磨机负荷的增加，开始时球磨机电机的有用功率明显上升，到达某一极值后随着球磨机负荷的增加，有用功率反而下降，此极值可以认为是球磨机负荷的最佳点。因此，有用功率直接与球磨机负荷有关【4 1 。有用功率法检测料位受周围环境的影响比较小，但影响有用功率的因素很多，而且检测信号灵敏度不高，影响控制效果。( 3 ) 用机械设备在运转过程中产生的振动信号的方法。球磨机在运转时，研磨体和物料偏于球磨机的一侧，并不断的滚落和下滑，冲击研磨物料，球磨机的转动部分处于严重的不平衡状态，造成不平衡的离心力，从而产生振动。在球磨机转速不变时其振动强度与被研磨物料的多少有关，检测出球磨机的振动强度就可间接反映出物料负荷的情况。振动法检测信号的灵敏度比较高，能随时显示球磨机内物料的变化，而且它不受周围噪声源的影响，传感器密封好，能防水、防尘、因而可以适应矿厂的恶劣工作环境。但是当电网电压，特别是电网频率发生变化时，研磨转速的微小波动，以及球磨机内研磨体的损耗等影响都会使物料负荷控制点产生漂移，影响检测和控制质量1 5 j 。( 4 ) 利用球磨机运转时筒体产生的径向压力和切向压力的方法。将传感器安装在球磨机壳体应力变化最大的中间部位，当传感器位于球磨机筒体顶部时，测量的是压力，而位于简体底部时测量的是张力，根据读数的变化来计算总压力的变化，该压力变化与球磨机负荷成比例。该方法是在磨机内衬上安装传感器，再将传感器测量的信息通过传导引入微机，经过信号处理，可以掌握大量球磨机内的运行情况，但该检测系统的数据传递是一大难题i 引。( 5 ) 简体进出口的差压信号的方法。根据差压信号间接的测量煤量，即所谓的差压法。这是传统检测的主流，也有对其进行局部改进的派生方法。但由于差压信号同时受存煤量、通风量、出炉温度以及球磨机结构等诸多因素的影响，很难球磨机料位测控系统的设计与实现建立起差压与煤量的单一函数，故测量精度非常有限且不稳定，此种研究方法己经逐渐被淘汰。由前面地分析可以知道，每一种方法都各有其优缺点，此外影响球磨机磨矿石的因素很多，属于物料方面的有：矿石可磨度、给料位高度等：属于球磨机结构方面的有：磨机规格、型式、衬板形状等；属于操作方面的有磨机转速、加球制度、和球料比。这些因素本身叉互相影响，因此球磨机料位检测的发展趋势应该是多因素联合检测，建立相应的数学模型，用以判断球磨机的料位，同时对每一种特征因素要充分利用信号分析的各种手段，深入挖掘出每一种特征因素所潜在的信息，实现球磨机负荷的准确、及时检测，为球磨机的优化实时控制奠定基础1 7 1 。1 3 本文主要工作本文重点研究内容是对球磨机振声信号地分析和处理，首先通过分析球磨机的工作原理，了解球磨机的振声形成过程和特点，然后对采集的振声信号进行分析，找到振声信号中与料位相关的特征向量，并提取特征向量，建立特征向量与料位之间的映射关系。下面是构建系统所做工作：1 、熟悉a r m 9 开发平台以及其核心处理器$ 3 c 2 4 1 0 芯片的工作原理，并将h s l 4 4 2 1 电容传声器、触摸屏等外围设备正确连接，组成完整的硬件系统。2 、进行数据采集。3 、在p c 机上对采集的数据进行全面分析和处理，找出振声信号与料位之间的映射关系。4 、移植l i n u x 嵌入式操作系统到开发板上。5 、将在p c 机上分析出来的信号与料位之间的映射关系用软件编程实现。1 4 本文的内容安排本文共分为六章，是这样进行内容安排的：第一章主要对本文讨论的料位测控系统的研究现状及意义进行简单介绍，并对本文的主要工作进行介绍。第1 章绪论第二章介绍系统的总体框架结构，数据流程和软件模块的设计以及本文的工作难点。第三章主要介绍系统的硬件组成，包括信号采集设备，a r m 9 开发平台和人机交互设备等。第四章介绍l i n u x 嵌入式操作系统和q t 图形系统的移植。第五章中主要讨论振声信号分析与处理的一些先进的算法和理论。这其中包括信号的频域分析方法，信号的小波处理技术以及类神经网络地应用。第六章介绍本系统对球磨机振声信号的分析与处理。最后得出本文最终结论。球磨机料位测控系统的设计与实现第2 章系统总体设计2 1 系统整体框架本文的最终目标是设计出一套既经济又实用的球磨机料位测控系统，解决目前该系统中的测量精度低的技术难题。本系统的硬件主要由以下几个部分组成，即：数据采集模块、信号分析与处理模块、控制输出模块和人机交互模块。下面介绍这四个模块所对应的硬件设备。其中数据采集工作由一个音频传感器完成，数据分析与处理工作由a r m 9 开发平台完成，数据显示及人机交互工作由一块显示屏及一个触摸屏来完成，控制信息的反馈通过d a 转换模块来完成。系统的原理结构图如下：数据采集模块音频传感器h信号放大器卜一滤波器供给煤料的电机触摸屏11rd a 转触摸屏卧s 咄is d 队喇i 删研磁l c d 显示屏换模块控制器ii，1ti$ 3 c 2 4 1 0 芯片信号处理模块图2 1 系统原理结构图f i g 2 1s y s t e mt h e o r yf i g u r e2 2 系统数据处理流程图由于系统的主要工作是采集、分析和处理球磨机所发出的振声信号，所以可以把该系统看成一套复杂的音频处理系统。下面图2 2 是它的基本数据处理流程图：第2 章系统总体设计图2 2 基本数据处理流程图f i g 2 2b a s i cd a t ap r o c e s sa n df l o wf i g u r e由图2 2 可以看出本系统的基本数据处理流程，首先由传声器将声音信号采集放大并转换成数字信号，然后将数字信号传给系统进行分析处理，提取能够表征球磨机工作信息的特征信号，再将此信号与球磨机料位信息进行相关联，然后生成球磨机料位信息。此信息分成两路，一路送到显示屏上进行数据显示，另一路通过串口与发电厂系统进行信息通信，实现系统联动，最终实现系统优化运行。除此之外，用户还可以根据屏幕显示的信息来发送相应的控制命令，系统接收到控制命令后进行相应处理，然后反馈给供给球磨机煤料的给煤机。这样就实现了对球磨机料位的实时控制，并且能够使球磨机工作在最佳工作状态，提高整个系统的工作效率。球磨机料位测控系统的设计与实现2 3 系统软件模块设计由图2 1 系统原理结构图可以看出本系统的软件模块主要有四个，分别是数据采集模块，数据分析与处理模块，人机交互模块以及控制信息反馈模块。其中数据采集模块的功能是在控制器的调度下，对振声信号进行实时采集，并经过数字滤波后传递给控制器。信号处理模块的主要功能是对数据采集模块传送过来的数据进行分析和处理，其中包括h i l b e r t 变换，下采样以及用b p 神经网络建立振声信号与料位之间的映射关系等。人机交互模块的主要功能是显示系统界面，为操作人员提供良好的操作接口，并反馈给操作人员当前球磨机的工作状态信息。控制信息反馈模块的功能是将控制命令传递给球磨机的给煤机，微控制器通过分析处理料位信号，生成对球磨机的控制指令，该指令经过d a 转换器后，将变成电压信号，从而对给煤机进行控制。2 4 系统的重点及工作难点本系统主要任务是对球磨机发出的振声信号进行分析和处理。因此，本文的工作重点和难点是：1 如何有效的提取球磨机声音信号，并对信号进行过滤、分离来提取能够表征料位信息的特征信息。2 如何对提取出来的特征信息进行处理，以该信号为基础建立其与球磨机料位相关的数学模型，并编写程序实现该数学模型，使料位信息能够直观的显示出来，从而能够正确掌握球磨机的工作状态。要解决以上的工作难点就要先分析球磨机工作原理，了解振声产生的机制，然后对采集到的声音信号在频域分析的基础上加上频谱相关处理，准确提取能够表征料位信息的特征信息，从而实现对球磨机料位的检测和控制。第3 章系统硬件设计第3 章系统硬件设计3 1 音频信号采集设备由于本系统的数据采集模块主要是对声音信号进行采集，所以选择一个工业用的电容传声器就可以满足要求。但是在保证技术方面能够达到要求的前提下，应该尽量选择高质量和高可靠性的产品。本系统采用的是嘉兴恒升电子有限责任公司生产的h s l 4 4 2 1 电容传声器。该套设备主要由一个电容传声器和一个前置放大器组成，由于电容传声器电容量很小，内阻很高，而输入电阻低会影响低频响应，输入电容大则降低传声器灵敏度。因此需要加前置放大器进行阻抗变换。前置放大器通常由场效应管接成源极跟随器，加上自举电路，使其输入电阻达到几百兆欧以上，输入电容小于3 p f 甚至0 5 p f ，这样便可以将问题解决。下面介绍一下电容传声器的技术指标：1 频率范围：1 0 h z 一2 0 k h z2 测量范围：1 5 d b 一1 4 6 d b ，3 增益( d b ) ：0 d b4 输入阻抗： = 2 g 欧l p f5 工作电压：5 0 v6 极化电压：2 0 0 v 、2 0 v 、0 v7 尺寸：1 2 7 ( 1 2i n c h )8 电缆长度：5 m9 电容量：1 7 p1 0 灵敏度级：3 2 m v p a ( 2 5 0 h z 、以1 v p a 为参考) 。以下是传声器的引脚介绍：1 脚：极化电压( 可接0 v2 8 v2 0 0 v )2 脚：5 0 v 工作电压3 脚：未定义4 脚：地线球磨机料位测控系统的设计与实现5 脚：信号输出脚。由上面的介绍可以看出，此电容传声器的使用非常简单，共有5 个引脚，其中引脚1 为极化电压可以不接任何线路( 即0 v ) ；引脚2 为工作电压接5 0 v 电源；引脚3 未定义；引脚4 接地；引脚5 为信号输出，接到主系统的信号输入端即可。本系统的音频信号采用i i s 总线方式传输，$ 3 c 2 4 1 0 的数字音频接口模块主要由i i s 音频总线接口和u d a l 3 4 1 音频解码器( c o d e c ) 组成。$ 3 c 2 4 1 0 内置了一个i i s 总线控制器，该控制器实现了一个外部6 1 6 位的立体声音频c o d e ci c 接口。此控制器支持d m a 、f i f o 等传输模式。i i s 总线控制器的结构图如下图所示：a d d rd a l ac n t l图3 1i i s 总线控制器结构图f i 9 3 1i i sb u sc o n t r o l l e rf i g u r es ds c l kl r c k图3 1 中i p s r a 用于产生i i s 总线接口的主时钟，i p s r b 用作外部c o d e c时钟产生器。十六字节的f i f o 在发送数据时，数据被写进t x f i f o 中，在接收数据时从r x f i f o 中读取。在主模式时，由s c l k g 产生i i s 的串行时钟。通道产生器和状态机( c h n c ) ：i i s c l k 和i i s l r c k 由通道状态机产生并控制。第3 章系统硬件设计u d a l 3 4 1 是飞利浦公司生产的一款音频c o d e c ，用于实现模拟音频信号的采集和数字音频信号的模拟输出，并通过i i s 数字音频接口，实现数字化处理。3 2a r m 9 开发平台选择由于本系统是一个嵌入式系统，因此选择一款合适的嵌入式开发平台对本系统来说是非常重要的。本系统选择的是基于三星公司处理器$ 3 c 2 4 1 0 的一款a r m 9嵌入式开发平台。其核心板采用6 层板设计，处理器$ 3 c 2 4 1 0 使用的a r m 9 2 0 t核，其内部带有全性能的m m u ( 内存处理单元) 1 8 】。总体来讲，该嵌入式平台具有高性能、低功耗、接口丰富和体积小等优良特性。微处理$ 3 c 2 4 1 0 的内部结构图如图3 2 所示1 9 1 。其主要技术参数如下：$ 3 c 2 4 1 0 ：1 6 3 2 b i ta r m 9 2 0 t 内核，标称工作频率：2 0 3 m h z ，运算能力：2 2 0 m i p s ，最高工作频率：2 6 6 m h z 。系统时钟：内部p l l 产生2 0 0 2 6 6 m h zc p u 内核工作频率，外部总线频率：1 0 0 - 1 3 3 m h zf l a s h r o m 。核心板6 4 mn a n d f l s h ，6 4 ms d r a m ( 可升级至1 2 8 m ) 。l c d 控制器：c p u 内置s t n c s n 唧l c d 控制器，支持1 0 2 4 7 6 8 分辨率。触摸屏控制器：c p u 内置4 线制电阻式触摸屏控制器。u a r t - 2 通道r s 2 3 2 串口。u s b 接口：主口2 个，从口1 个。s d m m c 接口卡：1 个。r t c 实时时钟：具备后备电池插座。i i c 接口的e e p r o m - 1 个。s p i 1 通道s p i 高速同步串行口。具有i i s 音频输入输出接口。具有j t a g 接口。支持w l n c e u n u x u c o s i i 操作系统。球磨机料位测控系统的设计与实现综合以上$ 3 c 2 4 1 0 的优越性能，说明它非常适合本嵌入式系统的开发需要。a，|hid u sc d h r 1、r h 1 广l h t o r l 3 sl8al r ! 州c 踟1、，_ _ 一l ，尽e 刊品佩( ，s冬圳揣黼骺图3 2 $ 3 c 2 4 1 0 结构图f i g3 2 $ 3 c 2 4 1 0s t r u c t u r ef i g u r e下面给出$ 3 c 2 4 1 0 的存储空间映像地址，如图3 3 所示。嚣第3 章系统硬件设计o 瞄r f f f p f f - - - bo l o a l j d 0 0 0 o 州1 ：o l - 0 t t oo w 趣t 的n 科蜊s f r n 州u t 尊ds f 8 妇 奴u 0 ds r c 制为翻弘拍捌卧削b f 醐8 i 1 戥b e g c s 7 _ 艘啪蜘f t l 8 ，1 2 蝴b 胁t os 日0 m 砧d f 磕m强艏m b ，味膪，g m bft a d r j e5 - 1f r 嵋c s 6 )删雕；4 i 鹄门2 蕊1 b 。毫r o mj1 为m bo l 0 5 js r c 雠1 删1 g b0 1 6 c 3 4 j蝴r ：q8 r o 埘j-a o w 娲； 4 ef n e 璐动铜唰qr 叼h1j3 r o m 勰m 8i n g c s 2 j5 r o mjr( n g c 8 i j ，l 棚1jb 6 ，h 协r 树1 拍m 日s r mc 4 嘲唧n an a n o 眦h 附嘲哪图3 3 $ 3 c 2 4 1 0 存储地址映像图表f i g3 3s 3 c 2 4 1 0m e m o r ya d d r e s sr e l a t i o nf i g u r e3 3 人机交互平台的设计任何一个系统都是要为用户提供服务的，所以基本上都需要人机交互平台来建立用户与系统之间的数据信息传递通道。一个好的系统应该能为用户提供一个友善的操作界面，使其能够简单方便的进行操作。本系统的人机交互平台主要由一块l c d 显示屏和一块触摸屏组成。首先介绍一下本系统的显示模块- ic d 显示屏的工作原理。l c d 显示屏的工作主要依靠l c d 控制器的控制，因此下面主要介绍l c d 控制器的原理。球磨机料位测控系统的设计与实现图3 4 为$ 3 c 2 4 1 0 中内置的l c d 控制器的逻辑图，它同时支持s t n 和t f rl c d 显示器。本系统采用的是s t n 显示器。l c d 控制器用于传输显示数据并产生必要的控制信号，除了控制信号还有显示数据的数据端口v d 7 - 0 】。l c d 控制器包含r e g b a n k ，l c d c d m a ，v i d p r c s 和t i m e g e n 。r e g b a n k 具有1 8 个可编程寄存器，用于配置l c d 控制器。l c d c d m a 为专用d m a ，它可以自动将显示数据从帧内存中传送到l c d 驱动器中。$ y 鞋e r a8 u s图3 4l c d 控制器逻辑框图f i g3 4l c dc o n t r o l l e rl o g i cf i g u r e内置的l c d 控制器提供了下列外部接口信号，如表3 1 所示：第3 章系统硬件设计表3 1l c d 控制器外部接口t a b3 1o u t s i d ei n t e r f a c eo fl c dc o n t r o l l e r信号说明功能v f f el c d 控制器和l c d 驱动通知l c d 刷新的一帧的显示，l c d 控制器在一个完整帧器之间的帧同步信号的显示后发出v f r a m e 信号v l i n el c d 控制器和驱动器的l c d 驱动器通过它来将水平移位寄存器中的内容显不到行同步脉冲信号l c d 屏上。v c l k刷新时钟l c d 控制器和驱动器之问的像素时钟信号，l c d 控制器在v c l k 的上升沿发送数据，驱动器在v c l k 下降沿采样数据l c d 驱动器所用的交流l c d 驱动器使用信号来改变用于打开或关闭像素的信号行和列电压的极性。v d 3 ：0 数据线l c d 像素数据输出端口，上扫描时低4 位数据输入v d 7 ：4 】数据线l c d 像素数据输出端口上扫描时高4 位数据输入接下来介绍系统提供给用户的操作接口，触摸屏的工作原理。首先对触摸屏进行简单介绍。触摸屏按工作原理的不同可以分为表面声波屏、电容屏、电阻屏和红外屏等几种【1 0 l 。本系统采用的是电阻式触摸屏。电阻触摸屏的主要部分是一块与显示器非常配合的电阻薄膜屏，这是一种多层的复合薄膜，它以一层玻璃或硬塑料平板作为基层，表面涂有一层透明氧化金属导电层，上面再盖一层表面硬化处理、光滑防擦的塑料层，它的内表面也涂有一层氧化金属导电层。当手指接触屏幕时，两层导电层在触摸点位置就有了接触，控制器侦测到这一接触并计算出( x ，y ) 的位置，再根据模拟鼠标的方式运作l 儿】。这种触摸屏的特点是：1 、高分辨率，高速传输反应。2 、表面硬度处理，减少擦伤及防化学处理。3 、具有光面及雾面处理。4 、一次校正，稳定性高，用不漂移。球磨机料位测控系统的设计与实现在本系统中$ 3 c 2 4 1 0 支持触摸屏接口，并且自带了一个触摸屏控制器，其电路图如图3 5 所示。图3 5 中a i n 7 与触摸屏的x + 连接，a t n 5 与触摸屏的y + 连接。触摸屏工作流程主要是：1 、触摸屏控制初始化，选择x v 位置转换模式。2 、设置触摸屏接口到等待中断模式。3 、如果中断产生，则相应的x v 转换被激活。4 、在获取x y 坐标值后，重新返回到等待中断模式。c 射嘲图3 5 触摸屏电路图f i g a 5t o u c hs c r e e nc i r c u i t r y第3 章系统硬件设计3 4d a 转换模块的设计和应用本系统的d a 转换模块是用m a x 5 3 8 0 芯片实现的，它使用i i c 串行总线接口，转换速率可以达到4 0 0 k h z 。其输入的数字信号和输出模拟信号的对应关系如表3 2 所示。表3 2 数据对照表t a b3 2d a t ac o m p a r et a b l e数字输入模拟信号输出1 1 1 1 1 1 1 12 v1 0 0 0 0 0 0 01 v0 0 0 0 0 0 0 l7 8 m v0 0 0 0 0 0 0 00 vm a x 5 3 8 0 的硬件电路连接如下图3 6 所示：=图3 6m ( 5 3 8 0 电路图f i g3 6m a x 5 3 8 0h a r d w a r ec i r c u i t r y图3 6 中c o n 2 的1 、2 两端输出转换后的模拟信号值，其输出电压范围为0到2 v 。时钟输入、数据信号分别与i i c 的始终和数据信号相连。因此，通过i i c球磨机料位测控系统的设计与实现向m a x 5 3 8 0 发送数据，m a x 5 3 8 0 将接收到的数据转换为模拟信号并输出到c o n 2 ，c o n 2 两端的电压就是d a 转换的结果。第4 章嵌入式操作系统的移植第4 章嵌入式操作系统的移植4 1b o o t i o a d e r 的移植b o o t l o a d e r 就是在操作系统内核运行之前运行的一段很小的启动程序【1 2 1 。通过这段小程序，我们可以初始化硬件设各、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。通常，b o o t l o a d e r 是严重依赖于硬件而实现的，特别是在嵌入式领域内。一般b o o t l o a d e r 都包括如下几个部分：t 建立中断向量异常表。2 显示的切换到s v c 且3 2 指令模式。3 关闭芯片的内部看门狗。4 禁止所有的中断。5 配置系统时钟频率和总线频率。6 设置内存区的控制寄存器。7 初始化中断。8 安装中断向表量。9 把可执行文件的各个段搬到运行态的各个位置。1 0 跳到c 代码部分执行。本系统s 3 c 2 4 1 0 芯片的b o o t l o a d e r 文件是在v i v i 的基础上经过扩展和修改而形成的。由于本开发平台的生产厂商提供了$ 3 c 2 4 1 0 芯片的v i v i 文件，所以只需要在原文件上进行些扩展和修改，就可以直接进行移植操作。v i v i 是韩国m i z i 公司开发的一款b o o t l o a d e r ，适用于a r m 9 系列处理器。v i v i 在启动加载模式下可以在一段时间之后自行启动l i n u x 内核，这是v i v i 的默认模式。还有一种工作模式是下载模式，该模式下v j v i 为用户提供了一个命令行接口，通过该接1 ：3 可以使用v i v i 提供的一些命令。下面是v i v i 一些常用命令：球磨机料位测控系统的设计与实现表4 1v i v i 命令表州1v i v ic o m m a n d命令功能l o a d把二进制文件下载到f l a s h 或者r a i dp a r t操作m t d 分区信息。显示、增加、删除、复位、保存m 分区p a r a m设置参数b o o t启动系统f l a s h管理f l a s h ，如删除f l a s h 的数据$ 3 c 2 4 1 0 芯片的v i v i 在原始v i v i 的基础上，进行了扩展，主要支持了1 0 m 、1 0 0 m 网络、珊功能。v i v i 文件的烧写过程如下：采用厂商提供的烧写程序s j f 2 4 1 0 进行烧写，生产厂家提供了一个烧写n a n df l a s h 的工具j f l a s h 。首先将并口线和j t a g 接口连接，采用并口来烧写。在烧写前需要安装g i v e i o s y s ，然后把生成的v i v i 代码放进烧写目录下，然后在w i n d o w s 系统下，进入c o r n m a n d 命令来开始烧写。键入s j f 2 4 1 0 e x e f ：v i v i 2 4 1 0 后会出现相应的烧写界面，然后按照提示进行参数设置就可以完成烧写。其中参数基本都可设置为“0 ”口烧写完之后即可对$ 3 c 2 4 1 0 的v i v i 进行配置和编译。本开发平台的生产商已经提供了v i v i 的配置文件，为f f t 2 4 1 0 - c s 8 9 0 0 c f g ，配置命令为m a k em e n u c o n f i g 。在进行配置前需要安装交叉编译器，建立交叉编译环境。具体操作步骤如下i第一步：解开v i v i 压缩包。第二步：到v i v i 下面进行配置。v i v i # r n a k em e n u c o n f i g第4 章嵌 式操作系统的移植然后装载缺省的配置文件c o n f i g 2 4 1 0第三步：编译v i v i 。编译好的v i v i 就是最终要烧写的b o o t l o a d e r 文件。4 2lin u x 内核的移植在为a r m 9 硬件平台移植l i n u x 操作系统之前，熟悉一下l i a u x 内核源代码的树型结构非常有必要，只有这样才能知道需要修改内核的哪些部分，哪些文件f 1 4 】。图4 1 为l i n u x 内核源代码结构图，其中用虚线框住的部分是我们需要注意和修改的部分。l i n a x 孙m o i图4 1l i n a x 内核源代码结构图f i 9 4 1l i n u xs o u r c cc o d es l r g c t u r ef i g u r e本系统选择移植的l i n u x 内核为l i n u x 2 6 1 4 1 版本内核，具体的移植工作本文分成以下五个小节进行说明。4 2 1 下载并解压内核文件先将内核文件下载到相应目录下，进入该目录进行解压：t a rx z v fl i n u x 2 6 1 4 1 t a r g z然后进入内核解压后的目录，并将该目录设定为相对路径目录。4 2 2 修改i d a k e f i le 文件先修改内核目录树根下的m a k e f i l e 文件，指明交叉编译器：球磨机料位测控系统的设计与实现先用v i 编辑器打开m a k e f i l e 文件，找到a r c h 和c r o s s c o m p i l e ，修改为：a r c h ? = a l t l l ，c r o s s c o m p i l e ? = a l m l i n u x 一然后设置p a t h 环境变量，使其可以找到交叉编译工具。编译结束后，可在a r c h a r m b o o t 目录下得到l i n u x 内核压缩映像文件z l m a g e 。4 2 3 设置fia s h 分区设置f l a s h 分区主要有以下四个步骤的工作【1 5 】：第一步指明分区信息首先需要在a r c h a r m m a c h s 3 c 2 4 1 0 d e v s c 文件中添加如下内容：# i n c l u d e # i n c l u d e 衔n c l u d e 然后建立n a n df l a s h 分区表：本系统计划分4 个区，分别存放b o o t l o a d e r , k e r n e l ，r o o t f s 以及u s e r 用户文件系统。各分区在n a n df l a s h 中起始地址、长度、分区大小如表4 2 所示：表4 2f l a s h 地址分区表t a b4 2f l a s ha d c h s sd i v i d e t a b l e文件名b o o t l o a d e rk e r n e lr o o t f su s e r起始地址0 x 0 0 0 0 0 0 0 00 x 0 01 0 0 0 0 00 x 0 0 4 0 0 0 0 0o x 0 2 c 0 0 0 0 0长度0 x 0 0 1 0 0 0 0 00 x 0 0 3 0 0 0 0 00 x 0 2 8 0 0 0 0 00 x 0 1 4 0 0 0 0 0大小1 船3 船4 0 m b2 0 m b第二步加入n a n df l a s h 分区s t r u c ts 3 c 2 4 1 0n a n ds e tn a n d s e t =第4 章嵌入式操作系统的移植n r _ _ p a r t i t i o n s ：4 ，p a r t i t i o n s ：p a r t i t i o n i n f o ，) ；n r _ p a r t i t i o n s ：指明p a r t i t i o ni n f o 中定义的分区数目。p a r t i t i o n s ：分区信息表。第三步建立n a n df l a s h 芯片支持s t r u e ts 3 c 2 4 1 0 _ _ p l a t f o r m _ n a n ds u p e r l p p l a t f o r m =t a c l s ：0 ,t w r p h 0 ：3 0 ,t w r p h l ：0 ，s e t s ：& n a n d s e t ,n r s e t s ：1 ， ；其中t a c l s ，t w r p h 0 ，t w r p h l 这3 个值最后会被设置到n f c o n f 中。s e t s 为支持的分区集。n rs e t 为分区集的个数。第四步加入n a n df l a s h 芯片支持到n a n df l a s h 驱动，并修改此文件中的s 3 c _ d e v i c eh a n d 结构体变量，添加对d e v 成员的赋值。s t r u c tp l a t f o r m _ d e v i c e $ 3 cd e v i c e _ n a n d =n a m c = ”s 3 c 2 4 1 0 n a n d ”，i d = 1 ，n u m _ r e s o u r c e s = a r r a y _ s i z e ( s 3 c _ n a n d _ i p s o u i c e ) ，r e s o u r c e = s 3 c _ n a n d _ r e s o u r c e ，d e v =p l a t f o r m d a t a = & s u p e r l p p l a t f o r m)2 2 球磨机料位测控系统的设计与实现) ；n a m e ：设备名称。i d ：有效设备编号，如果只有唯一的一个设备为1 ，有多个设备从0 开始计数。h u mr e s o u r c e ：寄存器区数。r e s o u i c e ：寄存器区数组首地址。d e v ：支持的n a n df l a s h 设备。为了让系统启动时按照前面对分区的设置来进行初始配置，还需要修改一下a r c h a r m m a c h s 3 c 2 4 10 m a c h s m d k 2 410 , c 文件。用v i 打开文件后修改s m d k 2 4 1 0 _ d e v i c e s f l 。指明初始化时包括前面所设置的f l a s h 分区信息，具体做法是将文件晟后加入下面语句：& s 3 c _ d e v i c e _ n a n d ，修改之后保存退出即可。4 2 4 配置内核为了使内核支持d e v f s 以及在启动时并在j s b i n i n i i t 运行之前能自动挂载d e v 为d e v f s 文件系统，需要修改f s k n f i g 文件用v i 打开文件后找到m e t a l ”p s e u d of i l e s ) s t e m s ”添加如下语句：c o n f i gd e v f s f sb o o l ”d e vf i l es y s t e ms u p p o r t ( o b s o l e t e ) ”d e f a u l tyc o n f i gd e v f s m o u n tb o o l ”a u t o m a t i c a l l ym o u n ta tb o o t ”d e f a u l tyd e p e n d so nd e v f s f s然后即可配置内核产生c o n f i g 文件$ c pa r c h a r m c o n f i g s s m d k 2 4 1 0 d e f c o n f i g c o n f i