（机械电子工程专业论文）基于arm的列车添乘仪的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着全国铁路建设的不断发展，铁路提速成为铁路建设的重点。提高旅客 列车运行的平稳性和旅客乘坐的舒适性成为提高铁路行业服务质量的一项关键 因素，因此现在铁路建设中提高速度与舒适性成为主要发展方向。列车在运行 期间的平稳性是衡量列车速度和舒适度的一个重要指标，列车运行线路质量的 好坏以及列车操纵是否平稳直接影响列车运行的平稳性。本文介绍了一种基于 a r m 列车添乘仪的设计，提出了完整的、实用的检测列车平稳性的方案。 系统设计采用嵌入式方案。选用新型硅惯性加速度计a d x l l 0 5 检测列车加 速度，能够自动采集列车运行时的列车纵向、横向以及垂直方向上的加速度信 号，通过u s b 接口，把采集到的数据直接传输到p c 机或存储到u 盘上，并通 过l c d 自动显示实时信号曲线图；把检测到的危险数据c 晃车门限值) 以及由 列车自带的g p s g s m 网络获得的相对应的位置、时间、速度等参数通过g s m 通讯网络系统实时远程传输到总站；提供数据分析处理功能，为列车运行状态、 线路状态的分析和车辆设计及维护提供了第一手数据。该仪器既能为线路和机 车状况提供实时资料，又能作为考核司机驾驶水平的设备。 本文重点介绍了系统的硬件组成结构与工作原理，包括系统主机模块、数 据采集模块、u s b 存储模块以及下位机相关应用程序设计。系统具有可靠性高， 功能全，良好的人机交互界面。充分体现了嵌入式系统高性能、高效率、低成 本的特点，可以在实际中取得良好的效果。 关键词：平稳性，加速度，数据采集，l c d 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ec o n s t a n td e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a lr a i l w a ys y s t e mc o n s t r u c t i o n , t h e s p e e d u po ft h et r a i nh a sb e c o m et h ef o c a lp o i n ti nt h ep r o c e s so fc o n s t r u c t i o n e n h a n c i n gt h es t a b i l i t yo ft r a i no p e r a t i o na n de o m f o r t a b i l i t yh a sb e c o m et h et o p p r i o r i t yi ni m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fr a i l w a ys e r v i c ea n da l s ot h em a i nd e v e l o p i n g t r e n di nt h er a i l w a ye o n s t r u c t i o n t h es t a b i l i t yo fl a - a i no p e r a t i o nw h i c hi sd i r e c t l y i n f l u e n c e db yt h eq u a l i t yo ff a i l w a ya n dt h ec o n l l c 坶t e n c ei nt h ec o n t z o lo ft h et r a i ni s a ni m p o r t a l l tf a c t o ri na c c e s s i n gt h es p e e da n de o m f o r t a b i l i t yo ft h el r a i n w i t h l e s p e e tt ot h e s ee o m i d e r a t i o n s t h ep a p e rh a sp r e s e n t e dmi n t r o d u c t i o nt ot r a i n s v i b r a t i o na n a l y z e rb a s e do na r m ，a n di n i t i a t e dac o m p l e t ea n dp r a c t i c a lp l a af o r e x a m i n gt h es t a b i l i t yo f t r a i no p e r a t i o n t h es y s t e md e s i g nu s t ：$ t h ee m b e d d e dp l a n , a d o p t i n gt h es i l i c o ni n e r t i a a d x l l 0 5 t h es y s t e mc a l la u t o m a t i c a l l yg a t h e rt h et r a i na c c e l e r a t i o ns i g n sf r o mt h e l o n g i t u d i n a l , t h ec r o s s w i s e 勰w e l l 笛t h ev e r t i c a ld i r e c t i o n b yt h eu s bc o n n e c t i o n , d a t ag a t h e r e dc a l lb ed i r e c t l yt r a n s m i t t e dt op cm a c h i n eo rs a v e dt ot h eu p l a t e t h r o u g hl c d t h er e a l - t i m es i g n a ld i a g r a mo f c u r v e sc 趾b ed i r e c t l yd e m o n s t r a t e d ； t h ed a n g e rd a t a ( s h a k e sv e h i c l ed o o rl i m i t i n gv a l u e ) a n ds o m et r a i np a r a m e t e r s o b t a i n e df r o mt h eg p s g s mn e t w o r ks y s t e ms u c ha s p o s i t i o n , t i m e , s p e e da n ds o f o r t ha r ct r a n s m i t t e dt ot h et e r m i n a lq u i c k l yf r o ml o n gd i s t a n c ea w a y ；, t h es y s t e mh a s t h ed a t aa n a l y s i sp r o c e s s i n gf u n c t i o n , w h i c hc a l lp r o v i d et h ef i r s t - h a n dd a t ao ft h e t r a i nr u n n i n g $ t a l 瑚，t h el i n ec o n d i t i o na n a l y s i sa n dt h ev e h i c l e sd e s i g na n dt h e m a i n t c n a n c ：c t h i s s y s t e a c a l l p r o v i d et h er e a l - t i m e m a t e r i a l c o n c e r n i n g t h e l o c o m o t i v ec o n d i t i o n , a n dc a nb eu s e dt ot e s tt h el e v e lo f 也ed r i v e r t h i sp a p e rl a y si t se m p h a s i so nt h ei n t r o d u c t i o no ft h ec o n s t r u c t i o no ft h e s y s t e m sh a r d w a r ea n di t so p e r a t i o np r i n c i p l e s , i n c l u d i n gs y s t e mm a i ne n g i n em o d u l e ， d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e , u s bm e m o r ym o d u l e 船w e l la sl o w e rp o s i t i o nm a c h i n e c o r r e l a t i o na p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g t h es y s t e mh a st h eh j 【g hr e l i a b i l i t y , f u n c t i o n e n t i r e , a n dg o o dm a n - m a c h i n ei n t e r a c t i v ec o n t a c ts u r f a c e t h e r e f o r ei td e m o n s t r a t e s s o m ea d v a n t a g e so ft h ee m b e d d e ds y s t e ms u c h 嬲h i g hp e r f o r m a n c e , h i g he f f i c i e n c y a n dl o w c o s t ，a n dc a l le x e r tp o s i t i v ei n f l u e n c ei no p e r a t i o n 武汉理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：s t a b i l i t y , a c c e l e r a t i o n , g a t h e r i n gd a t a , l c d i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 铁路作为我国主箩交通方式，其发展备受国家关注。近年来，我国铁路建 设突飞猛进，各种新技术的广泛应用使得铁路发展无论是在硬件上还是软件上 都有了质的飞跃。列车提速是现今铁路运输发展的主要趋势之一，通过自主研 发和引进国外先进技术，磁悬浮铁路已经成功运行，高速环保的轻轨交通也在 各大城市迅速发展起来。而且，更加经济、适合我国国情的高速铁路建设方案 也已经初步确定。随着铁路运输速度的不断提升，再加上他们相对方便舒适和 价格上的优势，势必能吸引更多人选择铁路作为旅行交通工具。 随着国家基础建设的发展和人们生活水平的不断提高，人们在长途旅行交 通工具的选择面上也越来越多，全国性的高速公路建设使得长途客运越来越方 便，飞机旅行的价格也不再让入望而生畏，这些都对曾经号称“铁老大”铁路 运输的地位构成了巨大威胁。铁路建设要不断发展完善，才能在激烈的市场竞 争中取得优势。 在对交通工具提出更方便、更快捷等要求的同时，旅客对乘坐环境及舒适 性也提出了更高的要求，因此，现在铁路建设中提高速度与舒适性成为主要发 展方向。列车在运行期间的平稳性是衡量列车速度和舒适度的一个重要指标， 列车运行线路质量的好坏直接影响列车运行的平稳性，甚至直接关系到行车安 全。目前利用移动设备对线路状态进行动态监测己成为主要的监测手段，较为 先进的监测设备是轨道检查车，其检测项目较全，相对精度高，但受到设备数 量少、投资大、需专门摘挂、检测周期长等因素的制约，难以满足对线路监测 工作的需求。人工添乘仪携带方便、使用灵活，在一定程度上弥补了轨道检查 车两次检测间的监测真空，但存在需要专人操作安装，花费较多的人工，公里 标定位较为困难以及精度较低等因素的影响，也不能满足现场生产的需要【”。 列车冲动不仅严重影响了旅客的舒适性，剧烈的冲击甚至会对旅客造成身 体上的伤害。为进一步提高旅客列车的乘坐舒适性，针对列车提速后纵向冲动 有所加剧的问题，铁道部组织铁道部科学研究院等单位曾展开过专题研究，以 研究纵向冲动的原因和解决方案【2 】【3 】【4 】。研究表明，产生冲动的原因很多，包括 武汉理工大学硕士学位论文 车辆本身结构设计问题、制动方式以及司机操作等方面，排除硬件上的因素外， 列车产生冲动最主要的原因是由司机对列车不正当的操作所引起的。列车在加 速、减速、制动、启动和停止过程中纵向冲击的大小，极大地影响旅客乘车的 舒适性。所以，铁路部门把驾驶列车过程中的冲动指标作为考核司机操纵水平 的重要依据之一。目前铁路上对纵向冲击的检测方式是采用传统“冲动棒”，这 种方式直观、简便，从定性的角度给出了冲动的大概等级，但是这种方式缺乏 冲动的具体数据，无法进行更详细的分析和比较，也没有一定的量化标准，而 且带有很大的偶然性、随机性网。 近年来，随着机电一体化技术、计算机技术和嵌入式技术应用的日益广泛， 各种智能仪器在许多领域都得到了充分应用。仪器设备的虚拟化、数据采集系 统p c 化是当代计算机信息技术发展的一种趋势。新型的列车添乘仪就在这种背 景下应运而生。 本文主要针对列车运行时的振动和纵向冲击问题，在信号采集、传输、存 储以及信号初步分析、显示方面提出了一套完整的解决方案。系统采用嵌入式 计算机技术，结合a r m 强大功能，实现了数据采集并存储，报警，列车运行过 程的加速度变化曲线的显示等功能。 1 2 列车添乘仪的应用现状 目前国内外对列车振动的研究主要集中在列车振动舒适度的研究上。国内 通漱j u i c 5 1 3 ( 欧洲铁路标准铁路车辆内旅客振动舒适性评价准则) 、i s 0 2 6 3 1 ( 国际标准组织标准一振动和冲击对人的影响评价准则) 进行理论计算和分析， 并结合g b 5 5 9 5 8 5 ( 中国国家标准铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范) 对列车振动舒适度的进行相关研究。由于缺乏足够的试验数据作为理论支撑， 缺乏足够的说服力。 国内对列车振动舒适度的研究又主要集中在上海交通大学、西南交通大学、 铁道部科学院和武汉理工大学，其中上海交通大学曾经研制过通过检测x 、y 、 z 三个方向的加速度来评价列车振动舒适度，但是由于传感器精度低、监测参数 少、数据分析处理不完善等因素的限制，造成由测试数据分析出的结果和理论 推导的结果有很大的差异。 国外对列车振动的研究较早，主要体现在对列车振动舒适度的相关评价标 2 武汉理工大学硕士学位论文 准的不断完善上。1 9 4 1 年，欧洲铁路联盟就开始采用的是s p r i n g 平稳指数来评 价列车的运行品质，1 9 7 4 年，国际标准化组织提出了i s 0 2 3 6 1 关于人体振动 暴露的评价指针，依此对铁道车辆的舒适度进行评价，该标准已进行了几次修 订，目前的版本是i s o2 3 6 1 - 4 ( 2 0 0 1 ) 。与此同时，国际铁路联盟在原有的e r r i b 1 5 3 标准的基础上，参照了i s 0 2 6 3 1 的要求，于1 9 9 4 年正式颁布了u i c 5 1 3 铁 路车辆内旅客振动舒适性评价准则推荐标准。 另外，国内对列车添乘仪的研究也主要集中在列车横向和垂直方向上的研 究，而且对列车晃动门限也没有一个统一的标准。而且国内生产研究该种设备 的厂家、科研机构比较少，只有北京三岭中铁科技发展有限公司先后开发了b t - 3 型和z t - 3 型智能列车添乘仪，这两款仪器相对功能比较单一，测量精度也不高。 因此，结合我国的国情，继续深入开展这方面的研究具有较强的现实意义。 1 3 研究列车添乘仪的现实意义 随着铁路建设现代化的飞速发展，提高旅客列车运行的平稳性和旅客乘坐 的舒适性成为提高铁路行业服务质量的一项关键因素。 开发出的列车添乘仪，采用嵌入式系统，达到能够自动采集列车运行时的 列车纵向、横向以及垂直方向上的加速度信号，并通过u s b 接口，把采集到的 数据直接传输到p c 机或存储到优盘上，自动显示实时信号曲线图；把检测到的 危险数据( 晃车门限值) 以及由列车自带的g p s g s m 网络获得的相对应的位置、 时间、速度等参数通过g s m 通讯网络系统实时远程传输到总站：并提供数据分 析处理功能，为列车运行状态、线路状态的分析和车辆设计及维护提供了第一 手数据。该仪器既能为线路和机车状况提供实时资料，又能作为考核司机驾驶 水平的设备。 1 4 本文的研究内容 列车添乘仪系统主要由三部分构成：数据采集模块、数据传输及存储模块、 数据分析处理模块。 数据采集部分采用a d x l l 0 5 加m c u 的采集方式，主要包括以为a d x l l 0 5 为核心的传感器电路和s 3 c 4 4 b o x 处理器系统。数据传输部分采用u s b 总线技 术，利用s l 8 1 1 h s 主控芯片将数据存储到u 盘或直接与p c 机通讯；还包括把 武汉理工大学硕士学位论文 列车严重晃车信息通过g s m 网络实时传输到总站。数据分析处理模块主要是指 下位机处理程序。下位机处理程序主要是把采集的数据通过处理后在l c d 上显 示出来，并且把晃车门限值及相对应的参数存储并进行告警。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第二章系统总体设计 本章按照嵌入式系统的一般方法和过程具体阐述本系统的总体方案设计。 2 1 嵌入式系统的一般设计方法 通常在单片机系统的开发和应用中，是按照图2 一l 所示的流程进行的。在 嵌入式系统的应用开发中，整个系统的开发过程将改变为如图2 2 所示的过程。 图2 1 单片机系统的开发流程图2 2 嵌入式系统的开发流程 可见，在应用嵌入式系统开发的过程中，因为对应于每一个处理器的硬件 平台都是通用的、固定的、成熟的。所以，在开发过程中减少了硬件系统错误 的引入机会；同时，因嵌入式操作系统屏蔽掉了底层硬件的很多复杂信息，使 得开发者通过操作系统提供的a p i 函数就可以完成大部分工作，大大简化了开 发过程，提高了系统的稳定性【6 】。 5 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 嵌入式系统的硬件软件协同设计技术 传统的嵌入式系统设计方法如图2 3 所示，硬件和软件分为两个独立的部 分，有硬件工程师和软件工程师按照拟定的设计流程分别完成。这种设计方法 只能改善硬件软件各自的性能，而有限的设计空间不可能对系统做出较好的性 能综合优化。2 0 世纪9 0 年代初，国外有些学者提出“这种传统的设计方法，只 是早期计算机技术落后的产物，它不能求出适合于某个专用系统的最佳计算机 应用系统的解”。因为，从理论上来说，每一个应用系统，都存在一个适合于该 系统的硬件、软件功能的最佳组合，如何从应用系统需求出发，依据一定的指 导原则和分配算法对硬件软件功能进行分析及合理的划分，从而使系统的整体 性能、运行时间、能量耗损、存储能量达到最佳状态，已成为硬件软件协同设 计的重要研究内容之一。 图2 - - 3传统的嵌入式系统的设计方法 系统协同设计与传统设计相比有两个显著的区别： ( 1 ) 描述硬件和软件使用统一的表示形式； ( 2 ) 硬件和软件划分可以选择多种方案，直到满足为止。 显然，这种设计方法对于具体的应用系统而言，容易获得满足综合性能指 标的最佳解决方案。传统方法虽然也可改进硬件软件性能，但由于这种改进是 各自独立进行的，不一定使得系统综合性能达到最佳。 传统的嵌入式系统开发采用的是软件开发与硬件分离的方式，其过程可描 述如下： ( 1 ) 需求分析； 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 软硬件分别设计，开发、调试、测试； ( 3 ) 系统集成，软硬件集成； “) 集成测试； ( 5 ) 若系统正确，则结束，否则继续进行； ( 6 ) 若出现错误，需要对软硬件分别验证和修改； ( 7 ) 返回3 ，继续进行集成测试。 虽然在系统设计的初始考虑了软硬件的接口问题，但由于软、硬件分别开 发，各自部分的修改和缺陷很容易导致系统集成出现问题。由于“硬件先行” 的思路，导致后期软件必须增加工作量，来弥补硬件的不足。正是由于这些问 题，导致了产品的设计质量差，设计修改难，研制周期不能有保证。 为避免上述问题，一种新的开发方法应运而生软硬件协同设计方法。 一个典型的硬件软件协同设计过程如图2 4 所示。首先，应用独立于任何硬件 和软件的功能性规格方法对系统进行描述，采用的方法包括有限态自动机 ( f s m ) 、统一化的规格语言( c s p 、d l ) 或其他基于图形的表示工具，其 作用是对硬件儆件统一表示，便于功能的划分和综合，然后在此基础上对硬件 软件进行划分，即对硬件软件的功能模块进行分配。但是，这种功能分配不是 随意的，而是从系统功能要求和限制条件出发，依据算法进行的。完成硬件软 件功能划分之后，需要对划分结果做出评估。方法之一是性能评估，另一种方 法是对硬件、软件综合之后的系统依据指令级评价参数做出评估。如果评估结 果不满足要求，说明划分方案选择不合理，需要重新划分硬件软件模块，以上 过程重复直到系统获得一个满意的硬件软件实现为止。 图2 4 嵌入式系统的硬件软件协同设计方法 7 武汉理工大学硕士学位论文 软硬件协同设计过程可归纳为： ( 1 ) 需求分析； ( 2 ) 软硬件协同设计； ( 3 ) 软硬件实现； ( 4 ) 软硬件协同测试和验证。 这种方法的特点是在协同设计( c o - - d e s i g n ) 、协同测试( c o - - t e s t ) 和协同 验证( c o - - v e r i f i c a t i o n ) 上，充分考虑了软硬件的关系，并在设计的每个层次上 给以测试验证，使得尽早发现和解决问题，避免灾难性错误的出现。 2 3 系统方案设计 2 3 1 系统功能要求 列车添乘仪系统的基本原理是动态采集机车车体的垂直、横向加速度信号， 综合集成机车监控t a x 平台公共信息( 如方位、速度等) ，经过信息处理技术和 模式识别来消除机车特性及振动的影响，准确检测、记录轨道线路的动态变化 情况；列车冲动检测仪的基本原理是动态采集列车运行时纵向加速度信号，经 过信息处理技术和模式识别来消除车厢特性及振动的影响，准确评价列车运行 状况。本文设计的系统综合了原来列车添乘仪和列车冲动检测仪的功能，设计 出新的列车添乘仪系统。 因此，进行系统总体设计时，要求系统能满足现场应用的基本需求，实现 两种场合和多种参数的采集、监测处理。设计列车添乘仪系统，需要采集参数 如下： 一、列车添乘仪作为考核司机驾驶水平的仪器时，需要采集的是列车运行 的纵向加速度信号以及对应的时间参数； 二、列车添乘仪在做轨道监测仪器时，需要采集的是列车机车垂直方向和 横向加速度信号，以及相应的列车速度、位置、时间等参数； 三、列车添乘仪要有良好的人机交互界面，以及合适的报警功能。 2 3 2 系统方案设计 根据上述系统设计的参数要求，列车添乘仪系统是一个智能化的数据系统， 整个系统可分为加速度传感器、主机箱两大部分。 武汉理工大学硕士学位论文 1 ) 加速度传感器部分主要是由安装在机车底座上的采集机车垂直方向和 横向加速度的两组加速度传感器组成。考虑实际应用场合以及参数需求，加速 度传感器采用美国a d 公司生产的微机械加速度计a d x l l 0 5 。 2 ) 主机箱部分主要由以下模块组成： 数字主机模块：采用a r ms 3 c 4 4 b o x 处理器，配备电擦除f l a s h 存储 器、可擦写大容量s d r a m 存储器以及其他外围电路。 数据采集模块：它也有两个部分，一个是前面提到的安装在机车上的加 速度传感器部分；另外一个部分就是集成在主机箱里的采集列车纵向加速度信 号的传感器部分。这里的加速度传感器同样采用的是美国a d 公司生产的微机械 加速度计) x l l 0 5 。 数据存储模块：考虑列车一般运行时间比较长，那么采集的数据就比较 多，所以需要一个外部存储装置。系统上，采用比较通用的符合u s b i 1 规范的 u s b 存储方式。要求通过u s b 要实现既能和u 盘通信，又能直接和笔记本电脑通 信，所以采用既能做主机模式，又能做从机模式的符合u s b i 1 规范的s l 8 1 1 h s 芯片。 显示模块及按键模块：采用l c d 显示屏显示加速度信息及时间信息。键 盘设置采用普通按键，共四个按键。 g p s g s m 模块：给系统提供列车速度、方位等信息，把严重晃车信息利 用g s m 网络的s m s 方式告警。g p s 模块是机车自带的，通过r s 2 3 2 串口与系统进 行通信。g s m 模块采用d t p - r 0 5 a 多功能可编程无线g s mr t u ，也是通过串口与 系统通信。 电源模块：考虑仪器的便携性，系统选用1 2 v3 2 a h 的蓄电池给系统 供电。 2 3 3 系统功能 系统可以实现的主要功能有： 实时采集列车运行时的纵向加速度信号、机车垂直方向和横向的加速度 信息以及相应列车的速度、方位等信息； 通过对数据处理后，在l c d 上显示加速度信号曲线等信息，具有良好的 人机交互界面： 具有报警功能，检测到严重晃车信息后，通过g s m 网络的s m s 形式直 9 武汉理工大学硕士学位论文 接传送到各相关部门； 具有大容量存储功能，通过u s 8 接口可以实现对u 盘等大容量存储设备 存储信息： 仪器可以作为孰道监测仪用，实现对线路状况的动态监测，弥补了轨道 检查车两次检查的监测真空； 仪器也可以作为列车操纵检测仪，用来考核司机操纵水平。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第三章系统硬件选型和设计 本章介绍列车添乘仪的硬件平台设计，硬件平台的选择对列车添乘仪系统 的功能实现和开发效率具有举足轻重的作用，如果脱离了硬件系统，软件将无 所依托，不能运行。由于嵌入式系统具有软硬件可裁剪的基本特征，在嵌入式 系统中，硬件系统的基础地位尤其突出，硬件系统的确定，直接决定着软件的 编写。在嵌入式设计中，要求硬件设计者有软件设计的思想，就是强调嵌入式 设计中硬件与软件的密切相关性。对于嵌入式控制系统来说，硬件平台设计的 主体是硬件电路的设计。 本系统的硬件电路包括主机板模块、数据采集模块、数据存储模块、显示 模块、g s m 模块。主机板模块负责对数据进行集中处理、与远程管理中心通信 并控制协调其他模块的工作；数据采集模块负责将加速度传感器采集到的模拟 信号初步处理后送到主机板；存储模块负责将采集到的并转换成数字信号的加 速度信号以及相对应的时间信号、位置信号等通过u s b 接口存储到u 盘中；显 示模块负责实时显示主机板处理完成后的加速度信号等信息；g s m 模块负责列 车严重晃车门限短信形式报警。系统原理框图如图3 一l 所示。 图3 一l 系统原理框图 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 系统主机板模块设计 主机板模块包括m c u ( m i c r oc 0 m p r e c e s s o ru n i t ) 模块、j t a g 模 块、f l a s h 存储模块、s d r a m 存储模块、串口通信( u a r t ) 模块、复位电路模 块( r e s e t ) 、电源电路模块( p o w e r ) ，晶振模块。主机板的组成原理框图如 图3 2 所示。 图3 - - 2 主机板组成原理框图 主机板各组成模块的功能如下： - j t a g 接1 3 可对芯片内部的所有部件进行访问，通过该接口可对系统进行 调试、编程等； - f l a s h 存储器可存放已调试好的用户应用程序、嵌入式操作系统或其他在 掉电后需要保存的用户数据等； - s d r a m 存储器作为系统运行时的主要r a m 存储区域，系统及用户数据、 堆栈均位于s a r a m 存储器中； - 串行( u a r t ) 接口电路用于s 3 c 4 4 b o x 系统与p c 机或g p s g s m 模块 之间的双向串行通讯； 复位电路可完成系统上电复位和系统工作时的用户按键复位； - 电源电路为1 2 v 5 v 、5 v 3 3 v 2 5 v 的d c d c 转换器，可向s 3 c 4 4 b o x 及其他需要5 v 、3 3 v 、2 5 v 的外围电路供电； - 6 m h z 晶振为系统提供工作时钟。通过p l l 电路倍频后作为微处理器的 工作时钟。3 7 7 6 2 k h z 晶振为系统提供实时时钟； 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 系统总线扩展引出了数据总线、地址总线和必须的控制总线，便于用户 根据自身的实际需求，扩展外围电路【埘。 3 1 1m c u 模块 m c u 模块选用s u m s t m g 公司的s 3 c 4 4 b o x t l l 】芯片。s 3 c 4 4 b o x 芯片是基 于工业控制应用系统的高性价比要求的1 6 3 2 位r i s c 微控制器，内含一个由 a r m 公司设计的1 6 3 2 位a r m 7 t d m ir i s c 处理器核。a r m 7 t d m i 为低功耗、 高性能的t 6 3 2 位核，要求的工作电压则仅为2 5 v ，最适合用于对价格及功耗 敏感的应用场合。s 3 c 4 4 b o x 嵌入式处理器的结构框图如图3 3 所示。 图3 3s 3 c 4 4 b o x 结构框图 s 3 c 4 4 b o x 通过提供全面、通用的片上外设，大大减少了系统电路中除处理 器以外的元器件配置，从而最小化系统的成本。 除了a r m 7 t d m i 核以外，s 3 c a 4 b o x 比较重要的片内、外围功能包括： 武汉理工大学硕士学位论文 - 8 k bc a c h e ( 高速内存) ； l c d 控制器； - w a t c hd o gt i m f i t 8 ( 看门狗) 功能； 7 1 个可编程的i o 接口与8 个外部中断； - 电源支持四种模式：n o r m a l 、s l o w 、i d l e 、s t o pm o d e ： - 8 个通道的1 0 位a d 转换器； - 两个独立的异步串行( u a r t ) 通道，每个通道都可以在中断和d m a 两 种模式下工作。它们支持的最高波特率为1 1 5 2 k b p s 。每个u a r t 通道包含2 个 1 6 位f i f o 栈分别提供给接收和发送； - 两个通道的d m a 两个通道的外部d m a ，并带有外部引脚； - 5 个通道的p w mt i m e r 定时器与一个通道的内部定时器； - r 1 ( 实时时钟) 功能； - 带外部存储器控制器，3 2 m 字节b a a k ( 总共8 b a n k s ，其中0 s b a n k 可用 作r o m 、s r a m 存储器的空间映射，6 7 b a n k 可用作f p e d o s d r a m 等存储 器的空间映射) 。 3 1 2j t a g 模块 s 3 c 4 4 b o x 是具有j t a g 接口的芯片，它提供集成在线调试支持功能。 一、j t a g 的调试原理 j t a g 标准定义了一个串行的移位寄存器。寄存器的每一个单元分配给i c 芯片的相应引脚，每一个独立的单元称为b s c ( b o u n d a r y - s c a nc e l l ) 边界扫描 单元。这个串联的b s c 在i c 内部构成j t a g 回路，所有的b s r ( b o u n d a r y - s c a n r e g i s t e r ) 边界扫描寄存器通过j t a g 测试激活，平时这些引脚保持正常的i c 功 能。 所谓边界扫描就是将芯片内部所有的引脚通过边界扫描单元( b s c ) 串接起 来，从j t a g 的t d i 引入，t d o 引出。芯片内的边界扫描链由许多的b s c 组成， 通过这些扫描单元，可以实现许多在线仿真器的功能。芯片内的片上调试逻辑 包括一个测试访问接口控制器( t a p ) ，它包括一个1 6 状态标志的状态机以及测 试指令寄存器、数据寄存器、旁路寄存器和芯片标识寄存器等。在正常模式下， 这些测试单元( b s c ) 是不可见的。一旦进入调试状态，调试指令和数据从t d i 进 入，沿着测试链通过测试单元送到芯片的各个引脚和测试寄存器中，通过不同 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 的测试指令来完成不同的测试功能。包括用于测试外部电气连接和外围芯片功 能的外部模式，以及用于芯片内部功能测试( 对芯片生产商) 的内部模式，还 可以访问和修改c p u 寄存器和存储器，设置软件断点、单步执行、下载程序等。 二、j t a g 接口电路 标准的j t a g 接口是4 线：t m s 、t c k 、t d i 、t d o ，分别对应着测试模式 选择、测试时钟、测试数据输入和测试数据输出，s 3 c 4 4 b o x 的j t a g 接口还增 加了测试系统复位引脚t r s t 。t m s 、t c k 、t d i 、t d o 通过仿真器分别连接到 调试主机的并口线上，通过程序将对j t a g 口的控制指令和目标代码，从1 4 针 的j t a g 接口写入j 1 a g 的b s r 中。目前j t a g 接口的连接有两种标准，即1 4 针接口和2 0 针接口。在本主机板上使用了1 4 针的j t a g 接口，其引脚定义如表 3 1 所示。 ， 表3 一l1 4 针j t a g 接口定义 引脚名称描述 1 、1 3v c c接电源 2 、4 、6 、8 、l g 、1 4g n d接地 3n t r s t测试系统复位信号 5 t d i 测试数据串行输入 7t m s测试模式选择 9t c k测试时钟 1 lt d 0 测试数据串行输出 1 2 n c未连接 j t a g 接口模块的设计和连线关系如图3 4 所示。 v c d 站 图3 4j t a g 模块的设计和连线关系 3 1 3f l a s h 存储器的扩展 f l a s h 存储器是一种可在系统( i n - s y s t e m ) 进行电擦写，且掉电后信息也不 武汉理工大学硕士学位论文 丢失的存储器。它具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统 编程( 烧写) 、擦除等特点，并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作，因而 在各种嵌入式系统中得到了广泛的应用。作为一种非易失性存储器，f l a s h 在系 统中通常用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数 据等。 一、f l a s h 存储器选型 常用的f l a s h 为8 位或1 6 位的数据宽度，编程电压为单3 3 v 。常见的生产 厂商有a t m e l 、a m d 、h y u n d a i 等，他们生产的同型器件一般具有相同的电 气特性和封装形式，可以通用。 s 3 c a 4 b o x 自身不带r o m ，因此必须外接r o m 器件来存放掉电后仍需要 保存的代码和数据。由于s 3 c a 4 b o x 的体系结构支持8 位，1 6 位乃2 位的存储器 系统，对应的可以构建8 位、1 6 位或3 2 位的f l a s h 存储器系统。3 2 位存储器系 统具有较高的性能，而1 6 位的存储器系统则在成本及功耗等方面占有优势，8 位的存储器系统现在已经很少使用。因此，本系统选用1 6 位的f l a s h 存储器。 在此采用一片a 位9 【1 6 0 构建1 6 位的f l a s h 存储器系统。其存储容量为 2 m b ，t 作电压为2 7 v 3 6 v ，采用4 8 脚t s o p 封装或4 8 脚f b g a 封装，1 6 位数据宽度，可以以8 位( 字节模式) 或1 6 位( 字模式) 数据宽度的方式工作。 a m 2 9 l v l 6 0 仅需要单3 v 电压即可以完成在系统的编程与擦除操作，通过对其 内部的命令寄存器写入标准的命令序列，可对f l a s h 进行编程( 烧写) 、整片擦 除、按扇区擦除以及其他操作。其引脚信号描述如表3 2 所示。 表3 - - 2a m 2 9 l v l 6 0 的引脚信号描述 引脚类描述 型 a 1 9 ：0 】 i 地址总线。在字节模式下，d q 1 5 a 1 】用作 2 l 位字节地址的最低位 d q 1 5 a - 1 】 i o 数据总线。在读写操作时提供8 位或1 6 位的数 d q 1 4 ：o 三态 据宽度。在字节模式下，d q e l 5 a 一l 】 用作2 l 位字节地址的最低位，而d q 1 4 ：8 ：女1 2 于高阻状态 b y l e 拱i模式选择。低电平选择字节模式，高电平选择 字模式 c e 萍i片选信号，低电平有效。在对a m 2 9 l v l 6 0 进 行读写操作时，该引脚必须为低电平，当为高 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 电平时，芯片处于高阻旁路状态 0 e 样 i 输出使能，低电平有效。在读操作时有效，写 操作时无效 w e 撑i写使能，低电平有效。在对a 位9 l v l 6 0 进行 编程和擦除操作时，控制相应的写命令 r e s e t 撑 l 硬件复位，低电平有效。对a m 2 9 l v l 6 0 进行 硬件复位。当复位时，a m 2 9 l v l 6 0 立即终止 正在进行的操作 r w b y 撑 。 就绪忙状态指示。用于指示写或擦除操作是否 完成。当a m 2 9 l v l 6 0 正在进行编程或擦除操 作时，该引脚低电平，操作完成时为高电平， 此时可读内部的数据 v c c3 3 v 电源 v s s接地 二、f l a s h 存储器与处理器的连接 f l a s h 存储器在系统中用于存放程序代码。它采用标准总线接口与处理器交 互，对它的读取不需要任何特殊代码，但需要在硬件上设定o m e l - 0 1 和大小端， 以便处理器知道f l a s h 的数据长度和位序。本系统中s 3 c 4 4 8 0 x 的引脚o m 1 ： 0 1 置为“0 1 ”，选择r o m s r a m f l a s hb a n k 0 为1 6 位工作方式。 作为代码存储器，f l a s h 存储器映射在处理器的第0 b a n k 地址空间，因此起 始地址是从系统地址0 x 0 开始的。系统上电复位时，处理器就自动从0 x 0 地址 处开始取得指令，运行系统上电或复位后都是从此获取指令并开始执行的。因 此，应将存有程序代码的f l a s h 存储器配置到r o m s r a m f l a s hb a n k 0 。 由于a r m 7 t d m i 采用3 2 位地址总线，所有的地址都可以看作字节地址， 当发出字访问信号时，存储系统忽略低2 位a 【1 ：o 】，当发出半字访问信号时，存 储系统忽略低位a o 】。基于以上原因，某些a r m 系统在与存储器接口时，地址 总线的连接需要错开，而s 3 c 4 4 b o x 则通过一个片内的地址总线生成部件，隐 藏该过程。用户在设计系统时，只需将s 3 c 4 4 b o x 的地址总线与a m 2 9 l v l 6 0 的地址总线一一对应连接即可( 即s 3 c 4 4 b o x 的a 【0 】与外部存储器的a 【o 】对 齐) 。h y 2 9 l vi6 0 的引脚中，a c e 为片选信号引脚、n o e 为输出使能信号引脚、 n w e 为写使能引脚。其接口电路示意图如图3 5 所示。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 a 0 2 9 v 1 6 0 6 3 c 4 4 b o x f a 6 h 2 0 1 】 嘶 2 4 ：1 】 a 1 9 ：0 1 d a 7 a 1 5 ：0 m 1 5 ：o 】 o 】 n g c 6 0l 睨 n 2 e 1 1 2 e n 舵i 施 图3 5f l a s h 芯片与s 3 c 4 4 b o x 的接口示意图 f l a s h 存储器与处理器的具体连线关系如下： 1 ) a m 2 9 l v l 6 0 的c e # 端接s 3 c 4 4 b o x 的n g c s 0 端； 2 ) 心2 9 l v l 6 0 的r e s e t # 端接系统复位信号； 3 ) o e # 端接s 3 c a 4 b o x 的n o e ； 4 ) w e 拌端接s 3 0 4 4 b o x 的n w e ； 5 ) b y t e # 上拉，使a m 2 9 l v l 6 0 工作在字模式( 1 6 位数据宽度) ； 6 ) r y b y # 指示a m 2 9 l v l 6 0 编程或擦除操作的工作状态，但其工作状态 也可以通过查询片内的相关寄存器来判断，因此可将该引脚悬空； 7 ) 地址总线【a 1 9 a o i 与s 4 c 4 4 b o x 的地址总线 a d d r 2 0 , , - a d d r t 相连； 8 ) 1 6 位数据总线 d q l 5 d q o 】与s 3 c 4 4 b o x 的低1 6 位数据总线 d a t a l 5 - d a t a 0 相连。 3 1 4s o r a m 设计 与f l a s h 存储器相比，s d r a m 没有掉电保持数据的特性，但其存取速度大 大高于f l a s h 存储器，且具有可读，写的属性。因此，s d r a m 在系统中主要用作 程序的运行空间、数据及堆栈区。 一、s d r a m 存储器选型 当系统启动时，c p u 首先从复位地址0 x 0 处读取启动代码。在完成系统的 初始化后，程序代码一般应调入s d r a m 中运行，以提高系统的运行速度。同 时，系统及用户堆栈、运行数据也