（测试计量技术及仪器专业论文）嵌入式振动信号采集系统的设计.pdf

摘要 摘要 振动信号是大型汽轮发电机组状态监测与故障诊断必不可少的数据，将振动信号及时采集并快 速传输至远方监测站，以便于专业技术人员及时了解设备的运行状态并作出故障诊断，对保障机组 安全稳定运行具有重要意义。随着嵌入式技术的发展，利用嵌入式设备来采集、处理和传输汽轮机 组的振动信号，实现汽轮机组的远程监测和故障诊断成为研究热点。本系统采用华恒公司的 h h a r m 2 4 1 0 开发套件，以嵌入式l i n u x 作为操作系统米研究解决汽轮发电机组振动数据的采集、压 缩和传输的问题。 论文首先介绍了嵌入式系统的概念以及嵌入式振动信号采集系统的硬软件开发平台，然后重点 介绍了硬件系统的设计，这部分详细分析了信号预处理电路、键相信号锁相倍频电路以及a d 转换 电路的设计。软件部分主要介绍了嵌入式开发环境的建立、数据的压缩和解压缩、数据的网络传输 等。最后对本论文进行了总结，并指出了后续工作中需要注意的问题。 嵌入振动信号采集系统在电厂汽轮机组状态监测中有着迫切的需求和非常广阔的市场。它大大 降低了工业生产中的成本，提高了工作效率。将嵌入式技术和振动信号采集系统相结合，来进行振 动信号采集，处理和传输是一个十分有意义的研究课题。 关键词：嵌入式系统，嵌入式l i n u x ，振动信号，数据压缩，网络传输 a b s t r a c t v i b r a t i o ns i g n a l sa r ee s s e n t i a lf o rc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i so nl a r g et u r b o g e n e r a t o rs e t i no r d e rt ok e e pt e c h n i c i a n sk n o w i n gt h er u n n i n gs t a t eo ft h ee q u i p m e n ta n dd o i n g f a u l td i a g n o s i si nt i m e ，v i b r a t i o ns i g n a ls h o u l db ec o l l e c t e da n dt r a n s f e r r e dt or e m o t es t a t i o n q u i c k l y , w h i c hh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et og u a r a n t e eg e n e r a t i n gu n i t so p e r a t i n gs a g e l ya n d s t e a d i l y a st h ef a s td e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e mw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s ，i ti sh o tt o t r a n s f e rv i b r a t i o ns i g n a l so ft h et u r b i n eb ye m b e d d e de q u i p m e n ta n dt oi m p l e m e n tv i b r a t i o n c o n d i t i o nm o n i t o r i n go n l i n ea n df a u l ta u t o m a t i cd i a g n o s i so nt u r b o g e n e r a t o r t h es y s t e mi sb a s e d o nh h a r m 2 4 1 0d e v e l o p m e n tp a c k a g eo fh u ah e n gc o m p a n ya n de m b e d d e dl i n u xo p e r a t i o n s y s t e m ，w h i c hc a l l s o l v ea c q u i s i t i o n ，c o m p r e s s i o na n dr e m o t et r a n s f e ro fv i b r a t i o nd a t ao n t u r b o g e n e r a t o r f i r s to fa l l ，p a p e ri n t r o d u c e st h ec o n c e p to fe m b e d d e ds y s t e ma n de m b e d d e ds y s t e m s v i b r a t i o ns i g n a la c q u i s i t i o nh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，a n dt h e nf o c u s e so nt h e h a r d w a r es y s t e md e s i g n ，t h i sp a r td e t a i l e da n a l y z e st h ed e s i g no ft h es i g n a lp r e p r o c e s s i n gc i r c u i t ， p h a s e l o c k e df r e q u e n c ym u l t i p l i c a t i o no fk e ys i g n a l ，a dc o n v e r s i o nc i r c u i td e s i g n t h es o f t w a r e s y s t e mp a r tm a i n l yi n t r o d u c e sd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tf o rt h ee s t a b l i s h m e n to ft h ee m b e d d e d ， d a t ac o m p r e s s i o na n dd e c o m p r e s s i o n ，d a t at r a n s m i s s i o nn e t w o r k f i n a l l y , t h ep a p e rs u m m a r i z e s a n dp o i n t sp u tt h en e e dt op a ya t t e n t i o nt ot h ef o l l o w i n gw o r k e m b e d d e dv i b r a t i o ns i g n a l sa c q u i s i t i o ns y s t e mh a su r g e n td e m a n da n dv e r yb r o a dm a r k e ti n m o n i t o r i n gs t a t eo fg a st u r b i n ep o w e rp l a n t i tg r e a t l yr e d u c e st h ec o s to fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ， i m p r o v e se f f i c i e n c y i ti sv e r ym e a n i n g f u lt ob i n de m b e d d e dt e c h n o l o g ya n dv i b r a t i o ns i g n a l a c q u i s i t i o nt oc a r r yo u tv i b r a t i o ns i g n a la c q u i s i t i o n ，p r o c e s s i n ga n dt r a n s m i s s i o n k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，e m b e d d e dl i n u x ，v i b r a t i o ns i g n a l ，d a t ac o m p r e s s i o n ，n e t w o r k t r a n s m i s s i o n i l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得东南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已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：距墓氇 日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：罐盈盈 导师签名： 丛垒日期：业 第一章绪论 1 1 立题背景和研究意义 第一章绪论 随着我国电力事业的发展，汽轮发电机组正朝着大型化，自动化的方向发展，这样会带 来各种经济上的好处，例如：提高效率、节约能源、降低成本等。但同时也会对机组运行的 可靠性，安全性提出更高的要求。其中，发展和推广汽轮发电机组振动的监测和诊断技术尤 其显得重要。在运行中，通过振动监测，可以对汽轮发电机组转轴裂纹、汽轮机叶片脱落、 转轴套装零件松脱，转轴径向摩擦、发电机转子通风孔堵塞等多种故障做出明确诊断，及时 发现隐患和预防更大的事故发生【。 由此对汽轮机组振动测量的意义主要有以下两个方面【2 】： 1 预防事故、保证人身和设备的安全。预防事故，保证人身和设备的安全是开展设备 诊断工作的直接目的和基本任务之一。我们知道，一些设备，特别是流程大型设备一旦发生 故障将会引起链锁反应，造成巨大的经济损失，甚至灾难性的后果。因此，为了避免设备事 故，保障人身和设备的安全，应当积极发展设备振动诊断。 2 提高经济效益。开展设各诊断所带来的经济效益包括减少可能发生的事故损失和延 长检修周期所节约的维修费用，国外一些调查资料显示，开展设备诊断可带来可观的经济效 益。英国曾对2 0 0 0 个工厂作过调查，结果表明，采用设备诊断技术后维修费用每年节约3 亿英镑，除去诊断技术的费用0 5 亿英镑，净获利2 5 亿英镑。在我国的大型电厂，若出现 故障其停机一天造成的损失就达一百多万元。因此对设备故障进行有效的诊断有着明显的经 济效益。 实践证明，旋转机械大部分故障可以从振动测量中检测出来，所以机械振动信号是机械 设备状态监测与故障诊断的必不可少的信号。对大型旋转机械振动信号进行监测的主要目的 是了解和掌握设备在运行中的状态，评价、预测设备的可靠性，早期发现故障，并对其原因、 部位、危险程度进行判断，预报故障的发生，并针对具体的情况作出决策。状态监测是在设 备运行中，对特定的特征信号进行检测、变换、记录、分析处理并显示，是对设备进行故障 分析的基础。通过传感器把信号送入信号处理系统中进行处理，以便得到能反映设备运行状 态的特征参数，从而实现对设备运行状态的监测和下一步诊断工作【引。 嵌入振动信号采集系统在电厂汽轮机组状态监测中有着迫切的需求和非常广阔的市场。 首先在提高其稳定性、安全性、可扩展性和可维护性的同时，能够与设备融为一体，从而实 现机械设备的信息化、智能化，并可实现设备全寿命周期的状态监控。基于嵌入式的振动信 号采集技术，对提高远程状态监测与故障诊断系统的效率与实时性，提高在线监测的自动化 程度，扩大监测系统的应用范围，节约监测系统的成本具有十分重要的理论和现实意义。其 次是用嵌入式振动信号采集系统替代控制网络中传统的l 业p c 和数据采集产品的必要性。 它大大降低了丁业生产中的成本，提高了工作效率。将嵌入式技术和振动信号采集系统相结 合，来进行振动信号采集和传输是一个十分有意义的研究课题。 东南大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 1 1 嵌入式发展现状与趋势 随着各行业对信息自动化需求的不断提高，众多非p c 设备的智能化具有更广阔的前景。 形式多样的数字化设备正努力把i n t e r n e t 渗透到生活的每角落。传统智能设备被赋予联网 能力，由微控制器( m c u ，含单片机) 为核心的测控部件通称一嵌入式系统，己经在工业设备 的过程控制自动化、通信以及家电等领域得到了广泛的应用。“嵌入式系统”一般指非通用 型的计算机系统，是嵌入到各种应用对象的具有计算机功能的智能测控或信息处理单元。它 是以适用为目标，通过软硬件裁剪或扩充，在功能、可靠性、成本、体积、功耗等方面特定 要求的专用计算机系统：主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件 系统等组成。 与通用型计算机系统相比，嵌入式系统功耗低、可靠性高；功能强大、性能价格比高； 实时性强，支持多任务；占用空间小，效率高；面向特定应用，可根据需要灵活定制。嵌入 式系统应用广泛：己被，。泛应用于移动计算平台( p d a 、掌上计算机) ，信息家电( 数字电视、 机顶盒、网络设备) ，无线通信设备( 智能手机、股票接收设备) ，电子商务平台，甚至军事 应用等诸多领域悔1 ；工业现场和远程设备同样需要进行智能化的开发和改造，因而嵌入式系 统在工业应用的前景也非常广阔。 数据采集是嵌入式产品应用的一个主要方面，目前的数据采集系统主要采用的是基于 x 8 6 架构的硬件方案，由于x 8 6 是复杂指令集的c p u ，在功耗和成本上都较难控制，特别是在 高端的数据采集领域受到限制，基于这种情况，采用嵌入式数据采集的解决方案，既很好的 控制了成本，又z 一- , 匕匕，4 k 3 好的适应高端采集的需求。如北京中泰研创科技有限公司推出的坚i 吉f 型 数据采集系统，采用嵌入式l i n u x 操作系统，内嵌p c i 0 4 数据采集卡，适用于恶劣环境下的全 天候数据采集系统，可与上位机联网、通讯。研华研发的嵌入式数据采集控制器u n o - 2 0 0 0 。 它不仅继承了传统p c 开放、灵活的特点，而且使用嵌入式技术增强了其可靠性。 随着i n t e r n e t 的飞速发展，网络应用越来越广泛，对各种工业控制设备的网络功能要求 越来越高。我们希望工业控制设备能够支持t c p i p 以及其他i n t e r n e t 协议，使我们能够通过 片j 户熟悉的浏览器查看设备状态、设置设备参数，或者将设备采集到的数据通过网络传送到 w i n d o w s 或u n i x l i n u x 服务器上的数据库中怕1 。华恒公司是国内最早进行嵌入式l i n u x 技术研 发的公司之一。华恒公司先后推出了国内第一个嵌入式l i n u x 的s o h o 路由卡；国内第一个手 持设备、p d a 用的嵌入式l i n u x 开发板；国内第一块工控应用的嵌入式u c l i n u x 开发板。华恒 公司为客户提供了一个从硬件到系统软件的开放的平台，为客户的应用开发提供了一个低成 本、高效易用i n t e r n e t 接入的全面解决方案。万禾公司采用基于嵌入式l i n u x 的工业控制解 决方案解决同样的问题。软件采用嵌入式l i n u x 操作系统，硬件以犯位微处理器模块为核心， 配合多种接口板，构成不同的应片j 系统。 数字信号处理( d s p ) 技术发展很快，广泛应用于通信、控制、信号分析等领域。但作为 一种专用处理器，通常不能完成一些通用微处理器完成的j t = 作，也不能有效地支持各种网络 协议女f l t c p i p 。而运行l i n u x 操作系统的3 2 位微处理器系统能够有效支持各种网络协议，但 是在处理一些运算量较大的任务( 如语音和图象信号的压缩和解压缩、信号与频谱分析等) 有时不能够胜任。东南大学将运行嵌入式l i n u x 操作系统的3 2 位微处理器系统与数字信号处 理器相结合，在故障诊断领域率先开始了对基于嵌入式结构的旋转机械智能状态监控系统的 研究，研制的“嵌入式旋转机械智能状态监控与故障诊断装置”己经申报国家发明专利( 受 理号：2 0 0 3 1 0 1 0 6 0 0 3 5 ) 。在该系统中，数字信号处理器作为协处理器，完成运算量人的复杂 算法以及一些实时任务的处理，3 2 位微处理器系统提供智能监控与诊断服务，从而结合了数 2 第一章绪论 字信号处理器以及嵌入式l i n u x 操作系统的优势，有强大的网络功能和处理能力 1 。 嵌入式开发技术的迅猛发展，使得嵌入式振动信号采集的实现具有了可行性。目前国内 已有基于嵌入式开发平台具有网络功能的振动信号采集系统。本次设计采用的是华恒科技的 h i - - m 2 4 1 0 嵌入式开发板进行相关的开发。 1 2 1 振动数据采集发展现状及趋势 目前，最常见的测量、处理振动信号的方法是使用长期检测用仪表以及临时测试分析用 的专用的便携式测振仪器。长期监测仪表在国内的大型机组上已普遍配备，有的是大机组引 进时随主机一同进来的国外的监测系统，也有国内各单位自行研发的仪表。这类仪器主要由 振动传感器采集振动信号，信号滤波后传送给单片机控制完成信号的处理和显示。这种测量 振动信号的方法比较简单，可靠性高，测量稳定性好，抗干扰能力强，维护检修方便，费用 低哺1 。但这类仪器测量精度不高，功能单一，显示不够直观，而且多采用专门的通讯接口完 成振动数据的传输，很少提供网络接口，即使提供，网络支持能力也非常有限，数据不能实 现即时传送，不能对设备进行远距离监控，故其只适合于现场操作。 最近比较流行的是采用虚拟仪器测量、处理振动信号。虚拟仪器是测控技术与计算机技 术相结合的产物，它由计算机、相应的硬件( 如数据采集卡、输入输出卡等) 和专用软件 ( 如l a b v i e w s ) 等构成憎1 。它是以p c 计算机为仪器统一硬件平台，将测试仪器的功能、面 板及控件均以相应的软件实现，并以文件形式存储于p c 机的软件库中，同时在计算机的总 线槽内配以对应的、可实现数据交换的模块化硬件接口卡。如果使库内仪器测试功能软件、 控件软件、输出软件等与由接口卡输入到计算机内的数据，在计算机系统管理的统一指挥和 协调下运行，便实现了虚拟测试仪器的功能。在以p c 机为基础的振动虚拟测试系统中，与 计算机一起工作的是数据采集卡，提供信号源和控制信号的仪器硬件，现在较为常用的虚拟 仪器硬件平台为d a q ( 数据采集) 卡、g p i b 卡、v x i 卡等，它们可以直接与p c 计算机主板 上的插槽相连。软件部分是虚拟仪器的核心，采集的数据通过软件进行分析处理，还可以显 示、存储、打印、网络传输叭。虚拟仪器可由用户按照自己的要求自行设计，自行定义，变 换非常灵活。虚拟仪器主要由软件实现，不仅能执行传统仪器的功能，还能执行传统仪器无 法实现的许多功能。 也可以利用实时的汽轮机组振动监测系统来实现振动信号的采集分析与传输，系统分为 数据采集系统、信号处理系统、信号分析系统和数据传输系统四部分，主要由传感器、信号 处理板、a d 板、计算机和采样、分析、处理软件等构成1 。在数据采集系统中，振动信号 经由传感器进行信号变换，变换后的信号送至信号预处理板，进行滤波、隔直等处理。经过 预处理的振动信号利用a d 板将模拟信号转换为数字信号，由计算机分析处理，并将处理后 的数据以文件的形式存储在硬盘的特定目录上，另一部分保存进数据库。这些存在数据库与 硬盘上的数据，构成了w e bs e r v e r 的数据支持。专家和技术人员可以通过i n t e r n e t 网或局 域网来访问w e bs e r v e r ，对现场的机组状态进行监测与故障分析。目前国外的振动监测诊 断系统主要有本特利公司的3 3 0 0 m s 、3 5 0 0 m s ；i r d 公司的6 6 0 0 机器保护和诊断系统；西屋 公司的“移动诊断中心”( m d c ) ；法国的s m a v 系统；瑞士的m a c s 系统；德国申克公司的 v i b r 0 c o n t r o l 4 0 0 0 振动监测系统，v i b r o c o m 4 0 0 0 、v i b r o c o m c 5 0 0 0 计算机化的状态监测系统； 德国菲利普公司的r m s 7 0 0 系列t s i 和p r 3 0 0 0 状态监测系统等等。1 9 9 9 年7 月，我国在华 北电力科学研究院建立了第一个实际意义上的远群振动分析诊断中心，连接了许多大型电厂 的振动监测故障诊断t d m 系统；由山东电力试验研究所和清华人学等几家单位联合研制的 大犁火电机组振动及机组性能远科在线监测及诊断系统( v m a d s ) 将机组的振动诊断知识范 围的几个方面结合起米，并对各方面的内容进行完善，提高了机组智能化水平，为振动故障 监测和诊断系统发展带来了突破。但相比之f ，国内的监测和故障诊断系统还远不如d c s 3 东南大学硕上学位论文 和d e h 系统研制应用的成功。采用监测和故障诊断系统，振动数据采集准确，传输快，监测 诊断功能可靠，通用性强。但系统复杂，规模较大，费用高，不利于小规模振动数据的采集、 传输和控制。 随着电厂机组容量不断增大，迫切需要一种体积小，可靠性高，功能齐全，费用低的系 统来实现电厂汽轮机组振动数据的采集、处理和远程传输。 嵌入式系统集上述仪器及系统的优势于一身，它具有经济性好，结构灵活，稳定，体积 小，功耗低，安全性强，可靠性高，集成度高等特点。其软件代码要求高质量，高可靠性， 固态化存储。嵌入式系统可以工作在许多空间狭窄，条件恶劣的环境中【1 刳，它是专门为完成 某一特定任务而设计的，具有很强的专用性，在办公设备、建筑物设计、制造和流程设计、 医疗、监视、卫生设备、交通运输、通信、金融银行等系统中有着广泛的应用。 将嵌入式系统接入网络利用现有的网络资源进行振动信号采集、处理与传输，是一个 十分有意义的研究课题。 1 3 本文研究内容 本课题采用a r m 嵌入式微处理器和嵌入式l i n u x 操作系统进行振动信号的采集、处理和 传输的实验研究。将在信号预处理、信号采集及嵌入式软件开发等几方面展开一系列的t 作， 开发出嵌入式振动信号采集系统。该系统应具有良好的可靠性、良好的扩展性、较高的实时 性和良好的用户界面，实现多通道同时监测，通过以太网进行数据传输。考虑到实时性，本 系统将采用上位机和下位机的结构。下位机负责信号的预处理，同步整周期采样以及数据的 压缩和通过以太网传输；上位机负责数据实时分析、标准图谱显示等功能，实现状态在线监 测。本文主要侧重于下位机的设计。 本论文主要内容包括： 第二章：概括介绍了总体设计方案，并对硬件开发平台和软件开发平台做了简要说明。 第三章：硬件设计部分，设计了振动信号预处理电路、用数字锁相环对键相信号进行锁 相倍频、a d 模数转换电路。并对其进行了仿真验证。 第四章：系统软件设计，主要介绍了嵌入式开发环境的建立，数据采集程序，数据压缩 解压缩程序设计和l i n u x 环境下嵌入式系统客户服务器模式通信程序的实现。 第五章：论文的总结与展望。总结了已经完成的工作，指出了存在的问题并对课题的后 续工作做了展望。 4 第- 二章系统的总体设计及开发平台 第二章系统的总体设计及开发平台 2 1 嵌入式系统概述 2 1 1 嵌入式系统概念 虽然嵌入式系统是近几年才风靡起来的，但其历史可追溯到2 0 世纪7 0 年代。经过3 0 多年的发展，在硬件和软件交替发展的支撑下，嵌入式技术逐渐趋于稳定和成熟，已被广泛 应用于工业控制、交通管理、信息家电、家庭智能管理系统、p o s 网络及电子商务、环境检 测、机器人等各个领域。毫不夸张的说，嵌入式系统已经无所不在。所以，研究和开发嵌入 式系统有着十分重要的意义。 根据i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“控制、监视或辅助设 备、机器和车间运行的装置”( d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o r ，o ra s s i s t t h eo p e r a t i o no f e q u i p m e n tm a c h i n e r yo rp l a n t s ) ，这主要是从应用上加以定义的“驯。不过，上述定义并不能充 分体现出嵌入式系统的精髓。目前，国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算 机为基础，软、硬件可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求 的专用计算机系统。 然而由于嵌入式系统本身是一个外延极广的名词，凡是与产品结合在一起的具有嵌入式 特点的控制系统都可以叫嵌入式系统，很难给它一个明确的定义。因此，目前通常也把嵌入 式系统概念的重点放在“系统”( 即操作系统) 上，指能够运行嵌入式操作系统的软硬件综合 体。 2 1 2 嵌入式系统的组成 嵌入式系统通常由嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件 等几大部分组成 “副引。 1 嵌入式处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件，它与通用处理器的最大不同点在于嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中。它通常把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在 芯片的内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，并具有高效率，高可靠性等特征。 嵌入式处理器可分为低端的嵌入式微控制器( m c u ) 、中高端的嵌入式微处理器( e m p u ) 、 常用于计算机通信领域的嵌入式d s p 处理器( e d s p ) 和高集成的嵌入式片上系统( s o c ) 。本 系统的嵌入式设备采用a r m 9 2 0 t 内核的处理器$ 3 c 2 4 1 0 。 2 嵌入式外围设备 嵌入式外围设备是指在一个嵌入式硬件系统中，除了中心控制部件以外的完成存储、通 信、保护、调试、显示等辅助功能的其它部件。根据外同设备的功能可分为以下三类： 存储器：静态易失型存储器( r a m ，s r a m ) 、动态存储器( d r a m ) 、非易失型存储器( r o m ， e p r o m ，e e p r o m ，f l a s h ) 。 接口：目前存在的所有接口在嵌入式领域中都有及其广泛的应用。其中应用最为j “ 泛的有r s 一2 3 2 接口( 串口) 、s p i ( 串行设备外嗣接口) 、u s b ( 通用串行接口) 、e t h e r n e t ( 以太网接口) 和酱通并口。 显示：c r t ，l c d 和触摸屏等外围显示设备。 5 东南大学硕士学位论文 3 嵌入式操作系统 在嵌入式大型应用中，为了使嵌入式系统开发更方便、快捷，就需要具备相应的管理存 储器分配、中断处理、任务间通信和定时器响应，以及提供多任务处理等功能的稳定的、安 全的软件模块集合，即嵌入式操作系统。嵌入式操作系统的引入大大提高了嵌入式系统的功 能，方便了嵌入式应用软件的设计。一般在比较大型或需要多任务的应用场合才考虑使用嵌 入式操作系统。本嵌入式系统的操作系统选用嵌入式l i n u x 操作系统。 4 嵌入式应用软件 嵌入式应用软件是针对特定的实际专业领域的，基于相应的嵌入式硬件平台的，并能完 成用户预期任务的计算机软件。嵌入式应用软件和普通的应用软件有一定的区别。由于嵌入 式应用对成本十分敏感，因此为减少系统的成本，除了精简每个硬件单元的成本外，尽可能 的减少嵌入式应用软件的资源消耗也是不可忽视的重要因素，这就要求嵌入式应用软件不但 保证准确性、安全性、稳定性以满足应用要求，还要尽可能地优化。 2 1 3 嵌入式系统的特点 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结 合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知 识集成系统。嵌入式系统工业的基础是以应用为中心的芯片设计和面向应用的软件产品开发 1 7 儿1 8 儿1 9 】 o ( 1 ) 嵌入式系统的产品特征嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的。与通用 计算机不同，嵌入式系统是针对具体应用的专用系统，具有成本敏感性，它的硬件和软件都 必须高效率地设计，量体裁衣去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能。 嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度处理能力、电磁兼容性等方面均受到 应用要求的制约。嵌入式处理器针对用户的具体要求，对芯片配置进行裁减和添加，才能达 到理想的性能。因此，不同的处理器面向的用户也不同，可能是一般用户、行业片j 户或单一 用户。 嵌入式系统一般要求高可靠性，在恶劣的环境下，要求系统仍然能够正常工作。嵌入式 系统中的软件一般都固化在只读存储器或闪存中，而不是存储在磁盘等载体中。嵌入式系统 和具体应用有机的结合在一起，它的升级换代也和具体产品同步进行。因此，嵌入式产品一 旦进入市场，一般具有较长的生命周期。 嵌入式系统本身不具备白举开发的能力。即使设计完成以后，用户通常也不能对其中的 程序功能进行修改，必须有一套交叉开发工具和开发环境才能进行开发。 ( 2 ) 嵌入式系统软件的特征嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键。 对嵌入式处理器系统软件和应用软件的要求也与通用计算机有所不同。 软件要求同化存储。为了提高执行速度和系统的可靠性，嵌入式系统中的软件一般都 同化在 存储器芯片或单片机中，而不是存储于磁盘等载体中。 软件代码高质量和高可靠性。尽管半导体技术的发展，使处理器速度不断提高，芯片 上存储器容量不断增加，但在大多数应用中，存储空间仍然是宝贵的，还存在实时性的要求。 为此，要求程序编写和编译_ 丁具的质量要高，以减少程序二进制代码长度，提高执行速度。 许多应用要求系统软件( o s ) 具有实时处理能力。在多任务嵌入式系统中，对重要性 不同的任务进行统筹兼顾的合理调度是保证每个任务及时执行的关键。单纯通过提高处理器 速度是无法完成和没有效率的。这种任务调度只能由嵌入式操作系统来完成，因此要求操作 系统具有实时处理能力。 多任务操作系统是知识集成的平台，也是走向工业化标准道路的基础。 6 第二章系统的总体设计及开发平台 2 2 系统总体设计方案 在汽轮机发电机组振动在线检测系统中，键相信号是实现振动信号同步采集的基准，该 信号的脉冲对应于转子表面一固定点。对旋转机械进行振动测量的时候，往往需要同时测量 多个位置多个不同方向的振动信号，所以该系统信号采集部分设计成带8 个模拟量输入通 道。现场多路振动信号通过模拟量通道输入，经过滤波、积分、放大和隔直等预处理，调理 到系统检测和分析所需要的要求。 根据频谱分析的要求，为避免傅立叶变换时出现泄漏效应与栅栏效应，对信号采集必须 进行整周期采样。为保证整周期采样，本系统采用数字锁相环对输入的键相信号进行锁相倍 频，输出的脉冲用来启动每一次a d 转换。 a d 采样结束后发送采样结束信号给信号采集控制器，并将转换后的数据存入数据缓存 中。嵌入式c p u 系统完成振动信号采集后将数据通过以太网将数据传输上位机进行数据分 析处理。如果网络出现故障，信号无法传输时，该系统可以将采集到的数据做压缩处理后再 存储，减少存储数据的容量，提高存储空间的利用率，在网络恢复正常后，再将数据传到上 位机，通过数据解压缩程序还原振动数据，方便对数据的处理。 综上本论文侧重于该系统下位机即嵌入式应用系统部分。嵌入式应用系统的设计包括硬 件系统设计和软件系统设计两部分，这两部分相互关联，密不可分。本论文的下位机软硬件 系统可以分为：前端信号预调理、用数字锁相环对键相信号进行锁相倍频、a d 转换、嵌入 式网络传输软硬件平台。后续工作将侧重于构建运行于上位机的软件监控平台。系统的总体 设计框图如下所示： 振动信号h 信号预处理卜l 脒换h 数据缓存卜 嵌 入 上 jl 式 位 c p u 机 系 键相信号 数字锁相环 统 2 3 系统硬件平台 图2 - 1 系统总体设计框图 2 3 1 模数转换器( m a x l 3 0 8 ) 基于对转换时间和转换精度的考虑，本系统采用m a x l 3 0 8 作为模数转换芯片，实现振 动信号的多通道同步采样。m a x l 3 0 8 是美信公司推出的专为高速同步数据采集系统设计的高 速、低功耗、可以8 通道同时采样的模数转换芯片。它的主要特性有：高速1 2 位a d 转换 器；同时采样8 个输入通道，并具有8 个采样、保持放大器；m a x l 3 0 8 提供5 v 输入范 围，输入故障容限为1 6 5 v ：多个转换电压范围；具有高速并行接口，可以与处理器直接 连接；在0 9 a s 内完成2 个通道的转换，在1 9 8 m s 内完成多达8 个通道的转换，8 个通道转 换时每通道吞吐率为4 5 6 k s p s ，这使振动信号的采集能即时处理，并快速传给嵌入式c p u 系 统。 7 东南大学硕学位论文 2 3 2 嵌入式设备开发套件h h 删2 4 1 0 本系统的嵌入式设备采用h h a r m 2 4 1 0 开发套件。w a r m 2 4 1 0 是华恒科技推出的用于高端 手持设备、微型智能控制设备的开发套件。采用2 0 3 m h z 的a r m 9 2 0 t 内核的处理器$ 3 c 2 4 1 0 。 $ 3 c 2 4 1 0 内部集成了微处理器和一些手持设备的常用外围组件。 h h a r m 2 41 0 套件由核心板和底板( 外设板或称基本板) 组成，核心板上集成s a m s u n g 处 理器，6 4 ms d r a m 以及1 6 m 的f l a s h ，为研发提供了足够的空问。底板上则提供以下外设接 口：一个四线r s 一2 3 2 串口( c o m l ) ，一个u s bh o s t 接口，一个i o m i o o m 自适应以太网接口， 一个t f tl c d 接口，一个触摸屏接口，一个j t a g 接口，h w 复位键和运行状态指示灯，各 功能部件如图2 2 所示。核心板和底板配合即构成一个最小的完整应用系统。系统具有体积 小、耗电低、处理能力强等特点，能够装载和运行嵌入式l i n u x 操作系统。用户可以在这个 系统平台上进行自主软件开发。h i p o d 2 4 1 0 套件提供完备的嵌入式l i n u x 开发环境及丰富的 开发调试工具软件“。 图2 2 底板硬件功能框图 $ 3 c 2 4 1 0 处理器是s a t a s u n g 公司基于a r m 公司的a r m 9 2 0 t 处理器内核的3 2 位微控制器。 它是一个多用途的通用芯片，完全静态设计，内部集成了微处理器和常用外围组件，扩展总 线最大频率l o o m l l z ，3 2 位数据、2 7 位外部地址线，采用五级流水线和哈佛结构，提供 1 1 m i p s 删z 的性能，是高性能和低功耗的硬宏单元。a r m 9 2 0 t 具有全性能的舢、指令 c a c h e 和数据c a c h e 。$ 3 c 2 4 1 0 处理器最高可运行在2 0 3 姗z ，在2 0 3 咖z 运行时功耗仅为 3 0 0 m w 幢。其内核结构如图2 3 所示。 8 图2 3a 跚9 2 0 t 内核结构 作为$ 3 c 2 4 1 0 芯片的c p u 芯核，1 6 3 2 位a r m 9 2 0 tr i s c 微处理器采用0 1 8 岫c m o s 标准单元结构，具有独立的1 6 k b 指令缓存和1 6 k b 数据缓存。 $ 3 c 2 4 1 0 提供了一套比较完整的通用系统的外围设备，并且使得整个系统消耗最小。正 是因为它具有很多常用的功能模块，所以也免去了添加配置附加设备的麻烦。其内部结构如 图2 4 所示。 l 酬r 例 l l僻o m 田n k 穆l i 拍d 讲i n l i $ 怕l a f i 寸蕾l ih df i a 啪i 图2 4 $ 3 c 2 4 1 0 功能模块 片上集成的功能主要包括以下几个方面u 2 儿2 3 儿2 引： 9 东南大学硕上学位论文 ( 1 ) 1 8 va r m 内核，3 3 v 存储器，3 3 v 外部i o ，具有1 6 k b 指令缓存、1 6 k b 数 据缓存和姗u 的微处理器： ( 2 ) 外部存储控制器( s d r a m 控制和片选逻辑) ； ( 3 ) l c d 控制器( 支持上到4 k 色的s t n 和2 5 6 k 色的t f r ) ，1 通道l c d 专用o m a ； ( 4 ) 具有外部请求引脚的4 通道d m a ( 支持外设d m a ) ； ( 5 ) 3 通道u a r t ( i r d a l 0 ，1 6 一b y t et xf i f o 和1 6 一b y t er xf i f o ) 2 通道s p i ； ( 6 ) l 通道i i c 总线控制器1 通道i i s 总线控制器； ( 7 ) 1 0 版本的s d 主机接口和兼容的2 1 1 版本的m u l t i - m e d i a 卡协议； ( 8 ) 2 个u s b 主机1 个u s b 设备( u s b l 1 ) ； ( 9 ) 4 路带p w m 的1 6 位定时器1 通道内部计时器； ( 1 0 ) 看门狗电路； ( 1 1 ) 多达5 5 个中断源的中断控制器； ( 1 2 ) 电源控制：常规、缓慢、空闲和断电模式； ( 1 3 ) 8 通道1 0 位a d c 和触摸屏接口； ( 1 4 ) 具有日历功能的实时时钟r t c ； ( 1 5 ) 具有锁相环的片上时钟发生器： ( 1 6 ) 1 1 7 个通用i od 2 4 通道外部中断源，s u p p o r t si r d a1 0 。 i t h a r m 2 4 1 0 开发板内存由两片1 6 mx1 6 位数据宽度的s d r 蝴( h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 b t ) 组成，两 片拼成3 2 位模式，公用n g c s 6 ，共6 4 ms d r a m 。一片8 m x1 6 位数据宽度的i n t e le 2 8 f 1 2 8 f l a s h ，共1 6 m 字节f l a s h ，速度1 5 0 n s 。f l a s h 存储固化程序，保存重要参数。开机或复 位后，程序自动从程序存储区f l a s h 的起始地址开始执行。在调试程序的时候，使用s d r a m 作为程序存储区和数据存储区。 $ 3 c 2 4 1 0 提供8 路片选，n g c s n o 7 ，每个片选都指定了同定的地址，每个片选固定 间隔为1 2 8 m 字节。l f l - l h r m 2 4 1 0 开发板内存的s d r a m 起始地址：o x 3 0 0 0 0 0 0 0 。n g c s 0 接的是 f l a s h ，起始地址：o x l 0 0 0 0 0 0 0 。n o rf l a s h 安装在b a n k o ，地址应该为0 ，但由于$ 3 c 2 4 1 0 中地址是循环映射的，o x l 0 0 0 0 0 0 0 就是0 地址，也就是o x l 0 0 0 0 0 0 0 【2 引。其中内核z l m a g e 烧写在地址o x 0 1 0 4 0 0 0 0 开始处，根文件系统r a m d i s k 烧在o x l1 4 0 0 0 0 处。图2 - 5 是板子上 的地址空间分布图：m e m o r ym a p 。 0 d 】 q o l 0 1 旺 】彻 f l a s hs d r a m 珲d ) 咂 j 自私核 z h n m r 吼斑( 姆叫 。翮 图2 5 内存映像图 i n t e le 2 8 f j 3 a 一1 5 0f l a s h 的单片1 6 m 字：饥共1 2 8 个扇区，每个扇区都是1 2 8 k 字节 1 0 第二章系统的总体设计及开发平台 大小，均匀分布。 $ 3 c 2 4 1 0 是内部3 2 位地址，外部2 7 位地址，数据总线宽度3 2 位。2 0 3 m h z 的主频，1 0 0 m 的总线速度。若外接8 位或1 6 位数据宽度的外设芯片，与c p u 相连接时，b h a r m 2 4 1 0 的数 据总线宽度是可以配置的，可以分别配为3 2 位，1 6 位或8 位模式。1 6 位数据宽度时，是最 低1 6 位数据线有效，8 位模式时，是最低8 位数据线有效扭引。 两片s d r a m 为3 2 位寻址，但两片的数据总线分别接h h a r m 2 4 1 0 高1 6 位和低1 6 位数据 总线，这样拼成3 2 位s d r a m 使用，所以两片s d r a m 共享一个c s 。而一片f l a s h 则固定为1 6 位数据读写访问模式，它就只接h h a r m 2 4 1 0 的低1 6 位数据总线。 2 3 3 网络接口d m 9 0 0 0 以太网接口电路主要由m a c 控制器和物理层接口( p h y s i c a ll a y e r ) 两大部分构成。 $ 3 c 2 4 1 0 通过外接一片d m 9 0 0 0 以太网m a c 芯片扩展了一个i o m i o o m 自适应的以太网接口， 占用e i n t o ，中断向量号为0 。 d m 9 0 0 0 是一款低功耗、高性能的c m o s 芯片，配备有标准i o m i o o m 以太网接口，支持 字节字双字的i o 指令进行内部数据运算的处理器接口类型，支持1 0 m 1 0 0 m 的以太网传 输，支持m i i r m i i