（通信与信息系统专业论文）基于超声与嵌入式web服务器的远程位移信息监控系统设计.pdf

摘要 利用超声回波法测距是超声检测技术的一个重要应用。它原理简单、实现方便，且 不需要与被测物直接接触，在恶劣作业环境下有一定的适应能力。传统的超声波测距电 路多采用m c u ( 如5 l 系列单片机) 外加部分模拟和数字小规模集成电路来进行测量，测量 精度较低，一般多在1 一o 5 。测量精度完全受限于m c u 的工作频率，可提高的空间很 小。同时，这类测距电路大多采用液晶显示输出，不能实现实时远程监控。针对这些缺 点，本课题提出了用复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 技术改进超声波测距模块电路的设计 ( 可实现精度达到唧级) ，并且运用嵌入式w e b 服务器技术实现了位移信息的远程监控， 有效地提升了系统性能。 课题选择嵌入式系统为硬件平台，嵌入式微处理器控制c p l d 周期性地发射4 0 k h z 的方波，同时启动c p l d 计数，方波信号经放大后驱动超声波发射换能器，超声波接收 换能器接收被测物体表面反射的回波信号，该信号由后级电路放大，经过比较器送入微 处理器和c p l d ，此时c p l d 停止计数。微处理器向c p l d 发出通信握手信号，获取c p l d 的脉冲计数值，并根据当前采集的温度值进行温度补偿，计算出超声波传播的距离。数 据通过嵌入式系统的以太网控制器发送至网络，从而用户即可在任何时间地点通过电脑 上的w e b 浏览器，得知所要监控的位移信息。 论文分别从理论分析、系统总体设计、系统硬件电路设计、系统软件设计等方面详 细说明了该课题的实现过程。 关键字：超声波测距、c p l d 、w e b 服务器、嵌入式系统 a b s t r a c t m e a s u r i n gd i s t a n c eb yu l t r a s o n i ce c h o e si s a r li m p o r t a n ta p p l i c a t i o ni nu l t r a s o n i c d e t e c t i o nf i e l d i t st h e o r ya n di m p l e m e n ta r ev e r ys i m p l e ，t h eb e s ta p p l i c a t i o ni si tc a n m e a s u r ed i s t a n c ew i t h o u tt o u c h i n gt h eo b j e c t ，s oi t ss u i t a b l et ob e u s e di nt h eb a d e n v i r o n m e n t t r a d i t i o n a lc i r c u i t sf o ru l t r a s o n i cm e a s u r i n ga r eo f t e nc o m p o s e do fam c u ( 1 i k e m c s - 5 1 ) ，t h ee x t e r n a la n a l o gc i r c u i t sa n dd i g i t a lc i r c u i t s ，t h em e a s u r i n gp r e c i s i o ni sn o th i g h ， o f t e nb e t w e e nl - o 5 m e a s u r i n gp r e c i s i o nl i e so nt h ew o r k i n gf r e q u e n c yo fm c u s oi t s h a r dt oi m p r o v ei t a tt h es a m et i m et h i sk i n do fm e a s u r i n gc i r c u i t su s u a l l yd i s p l a yb yl c d ， t h e yc a l l tm o n i t o ri nr e a l - t i m ea n dr e m o t e l y a i m i n ga tt h e s es h o r t c o m i n g s ，t h i sp r o j e c t p r o p o s e dt ou s ec p l dt e c h n o l o g yt oi m p r o v et h em o d u l eo f u l t r a s o n i cm e a s u r i n gc i r c u i t s ( t h e r e a l i z a b l ep r e c i s i o ni sm i l l i m e t e rl e v e l ) ，a n da p p l y i n ge m b e d d e dw e bs e r v e rt or e a l i z e r e m o t em o n i t o r i n go fd i s p l a c e m e n ti n f o r m a t i o n i ti se f f e c t i v et oi m p r o v et h ec a p a b i l i t yo f s y s t e m t h ep r o j e c tu s e de m b e d d e ds y s t e ma st h eh a r d w a r ep l a t f o r m t h ee m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o rc o n t r o l l e dt h ec p l dt op r o d u c e4 0 k h zs q u a r ew a v ea n ds t a r t e dt h ec o u n t i n g f u n c t i o no fc p l da tt h es a m et i m e t h es q u a r ew a v ew a sa m p l i f i e di no r d e rt od r i v e u l t r a s o n i ct r a n s m i t t i n gt r a n s d u c e r u l t r a s o n i cr e c e i v i n gt r a n s d u c e rr e c e i v e dt h ew a v es i g n a l r e f l e c t e db yt h ed e t e c t e do b j e c t t h es i g n a lw o u l db ea m p l i f i e db yt h ef o l l o w i n gc i r c u i t s ，a n d t h e nt r a n s m i t t e dt om i c r o p r o c e s s o ra n dc p l d , a tt h i st i m e ，t h ec p l ds t o pc o u n t i n g t h e m i c r o p r o c e s s o rs e n tac o m m u n i c a t i o nh a n d s h a k es i g n a lt oc p l da n dg o tt h en u m b e ro f p u l s e st h a tc p l dc o u n t e d t h e ni tc a l c u l a t e dt h ed i s t a n c et h a tt h eu l t r a s o n i cw a v eg o n ea f t e r t h et e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o na c c o r d i n gt ot h ec u r r e n ts y s t e mt e m p e r a t u r e t h er e s u l td a t a w e r es e n tt on e t w o r kt h r o u g ht h ee t h e r n e tc o n t r o l l e ro fe m b e d d e d s y s t e m ，s ou s e r sc o u l dg e t t h ed i s p l a c e m e n ti n f o r m a t i o nt h a tt h e yw a n t e dt h r o u g hc o m p u t e r s w e bb r o w s e ri na n yt i m e a n da n yp l a c e t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ep r o c e s so ft h ep r o j e c ti nt h e o r ya n a l y s i s , s y s t e mc o l l e c t i v i t y d e s i g n , s y s t e mh a r d w a r ec i r c u i t sd e s i g na n ds y s t e ms o f t w a r ed e s i g n k e y w o r d s ：u l t r a s o n i cm e a s u r i n gd i s t a n c e ，c p l d ，w e bs e r v e r , e m b e d d e ds y s t e m 学位论文独创性声明： 本人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。与我一同工作的同事对本研究所 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。如不实，本人负 全部责任。 论文作者( 签名) ： ( 注：手写亲笔签名) ) 月钐 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所交送学位论文的复印件或电子文档，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。论文 全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者 ( 注：手写 砟弓彩 河海大学顾士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的来源 第一章绪论 结合实验室开展的“基于超声技术的水轮发电机轴向位移检测”项目中存在 的精度不高和不能实时远程监控两个问题，课题对超声波测距电路进行了应用基 础研究，采用c p l d 取代了单片机，使测量精度得到改善；在系统设计中采用“嵌 入式w e b 服务器”技术，实现了测量信息的实时远程监控。 1 2 课题的背景和研究意义 目前的位移信息采集方式根据发射信号的不同一般有激光、微波、红外线和 超声波四种： l ，激光信号 激光测距l l j 的测量和定向精度极高，可以测量很远的距离( 多达若干公里) ， 对电磁干扰不敏感，但是为了保护人眼，国家对激光测距的工作波长和功率有一 定的限制，而且价格昂贵，一般在数千美圆左右，另外，激光测距在污物，泥水 飞溅的环境里适应能力差，需要定期清洁保养。一般用在尚端的军事武器上较多。 z 微波信号 微波测距【2 j 用多普勒效应测量距离以及物体运动速度，对尘埃和泥水不敏 感，抗雾能力强，成本不如激光测距高，相当常用。但是抗电磁干扰的能力稍差， 系统构件比较复杂，需要在设计时认真考虑。 3 红外线信号 红外线测距1 3 】的精度比较高，但是由于测量范围较小，所以一般多用在照相 技术中。 4 超声波信号 超声波测距【4 】的范围一般在1 0 米以内，受温度的影响较大，需要进行温度 补偿。但是抗电磁干扰能力强，由于声波的传播速度不快，一般不用来测量正在 高速运动的物体，其测量精度与选用的处理芯片和设计方式有关 超声波测距的原理简单、实现方便，且不需要与被测物直接接触，避免了在 测量具有腐蚀性液体或物料时带来的传感器腐蚀损坏的麻烦。在恶劣作业环境下 有一定的适应能力，具有很大的优越性，正逐渐在国民经济的各个领域得到广泛 应用。超声波测距模块也是许多超声波仪器的核心功能单元【5 i ，如；超声波液位 基于超声与嵌入式w e b 服务器的远程位移信息监控 计、倒车雷达、超声波沟渠流量计等。其性能的好坏直接关系到系统整体性能的 高低。 本课题提出了用c p l d 技术改进超声波测距模块电路的设计( 可实现精度达 到n l m 级) ，并且运用嵌入式w e b 服务器技术实现了位移信息的远程监控，有效 地提升了系统性能。本课题的研究成果具有较大的社会和经济效益。 1 3 国内外超声波位移检测发展现状 测量超声波在媒质中某一空间往返传播的时间。并根据该媒质中声速来确定 被测空间距离称为超声波位移信息检测【6 j 。近年来，随着工业机器人的自动测距、 导航系统、机械加工、自动化装配及检测的需要，自动测距变得十分重要。光学 方法在某些应用领域有其局限性，而超声波方法在以下几方面具有明显的优势 研： 1 波速小，可以直接测量较近目标的距离，纵向分辨率较高。 2 超声波对色彩、光照度、电磁场不敏感，适应范围广泛，特别是在一些 恶劣的环境下具有独特的优点。 3 超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，易于小 型化与集成化。 因此超声波作为非接触检测手段。越来越受到重视。 超声波位移信息检测是一种利用声波特性、电子信息技术相结合来实现非接 触式距离测量的方法。它在很多距离探测应用中有很重要的用途。 在实际应用中，为了方便处理，超声波常调制成具有一定间隔的调制脉冲波 信号【s 9 t 。测距系统一般由超声波发送、接收、时间计测、微机控制和温度测量 五个部分组成。如何提高测量精度是超声波测距的关键技术i lo 】。其提高测距精度 的措施如下： 1 合理选择超声波工作频率、脉宽及脉冲发射周期。据经验，超声波测距 的工作频率选择4 0 k h z 较为合适【l “。发射脉宽一般应大于填充波周期的1 0 倍以上， 即：t o 2 5 s 。考虑换能器通频带及抑制噪声的能力，选择发射脉宽i m s 。脉冲发 射周期的选择主要考虑微机处理数据的速度：速度越快，脉冲发射周期越短。 2 在超声波接收回路中串入增益调节( a c c ) 及自动增益负反馈控制环节。因 超声接收波的幅值随传播距离的增大呈指数规律衰减，所以采用a c c 电路。使用 放大倍数随测距距离的增大呈指数规律增加的电路，使接收器波形的幅值不随测 量距离的变化而大幅度的变化，采用电流负反馈环节能使接收波形更加稳定【挖1 。 3 提高计时精度，减少时间量化误差。时间采集芯片的计数频率越高，则 时间量化误差造成的测距误差就越小 1 31 4 l 。 2 河海大学硕士学位论文第一章绪论 4 补偿温度对传播声速的影响。超声波在介质中的传播速度与温度、压力 等因数有关，其中温度的影响最大，因此需要对其进行补偿。有文献【1 5 1 表明，超 声波在宅气中的传播速度如式( 1 1 ) 所示，在海水中的传播速度如式( 1 2 ) 所示。 c = 3 3 1 4 订花面m s 式( 1 1 ) c = 1 4 5 0 + 4 2 1 一o 0 3 7 t 2 + 1 1 4 ( s 一3 5 ) + o 1 7 5 p m s 式( 1 2 ) 式中：t 一摄氏温度；s 一水盐度，按千分比计算；p 一海水静压力，单位为大气 压。声速可以用声速仪测量，以验证理论计算的准确性。 5 补偿系统电路的时间延迟。系统电路的时间延迟可通过实验测定，通过 测试两个已知标准距离s 、s ：所得到的时间t 。、t ：，可以求出系统电路的迟延f 【1 6 1 。 国外在提高超声波位移检测精度方面做了大量的研究【l “，国内一些学者 也作了相关的研究【1 9 1 。对超声波位移检测的精度主要取决于所测的超声波传输时 间【2 0 】和超声波在介质中的传输速度，二者中以传输时间的精度影响较大，所以大 部分文献采用降低传输时间的不确定度来提高位移检测精度。日前相伉探测法和 声谱轮廓分析法或二者结合起来的方法是主要的降低探测传输不确定度的方法。 厦门大学的童峰【2 1 1 研究了一种回波轮廓分析法。该方法在测距中通过两次探测求 取回波包络曲线来得到回波的起点，通过这样处理后超声波的传输时间的精度得 到了很大提高。东南大学无线电工程系研究了针对窄带超声换能器对测距精度的 影响，采用基于横向滤波器的解卷积处理方法扩展了接收信号带宽，并利用最小 均方误差( l m s ) 算法进行解卷积滤波器的构造。实验结果表明，这种处理方法 有效提高了系统的测距精度。 意大利的c a r u l l o 等人介绍了一种自适应系统，采用特殊的发射波形来获得 好的回波包络，同时采用对环境的噪声进行估测，设置一定的回波开门电平，且 采用自动增益的控制放大器，通过这些措施来提高超声波的探测精度。日本三菱 电气公司的t o m o n o r i 等人采用两种的发射频率来发射超声波，通过比较两种回波 的相位来决定回波的起点，也提高了传播时间的精度，从而提高了超声波的测距 精度。 另外也有大量的文献研究采用数字信号处理技术狃1 和小波变换理论【2 3 1 来提 高传输时间的精度。 但是目前研究的超声波测距所能达到的精度仍然不理想，而且不能实现位移 信息的远程监控。为此，本课题在这两点上提出了改进。 基于超声与嵌入式w e b 服务器的远程位移信息俯控 第二章系统总体设计 2 1 系统设计原则 传统的超声波测距电路i 冽多采用m c u ( 如5 l 系列单片机) 外加部分模拟和数 字小规模集成电路来进行测量，测量精度较低，一般多在1 一o 5 。测量精度 完全受限于m c u 的工作频率，可提高的空间很小。同时，这类测量电路一般都是 通过液晶显示输出，不能实时远程监控。针对这些缺点，本课题所设计的系统对 以下两方面进行了改进： 1 - 利用c p l d 技术提高超声波测距的精度。 已有的超声回波法一般是利用微处理器定时器控制超声波的发射，并利用微 处理器的中断接收回波，这种处理方式必然受到微处理器的指令执行时间和微处 理器中断响应时间的影响，测量的结果必然存在较大的误差，就目前大量使用的 5 1 系列单片机而言，如果采用高达1 2m h z 的晶振，其一个机器周期也还需要1 i ts 时间，进入中断需要跳转、压栈等过程指令，所以一般最低有6 l o “s 的误 差，再加上实际的测量误差，一般误差都在c m 级以上，这种误差远远满足不了高 精度测量的要求。另一方面，由于微处理器自身内部结构的限制，其响应中断也 存在一定的时延。 c p l d 是于2 0 世纪9 0 年代初出现的新型可在线编程逻辑器件，具有集成度 高，工作速度快，编程方便，价格低廉的优点 2 5 1 。其对信号触发的敏感度也远 远高于普通的微处理器。利用c p l d 完成超声波的发射和接收，克服了单片机的 速度限制，可以使记录的回波时间精确到n s 级，能够满足精密检测的需要。 2 运用嵌入式w e b 服务器技术实现位移信息的实时远程监控。 传统超声波测距电路一般都是通过液晶实时显示输出，不能为远程用户提供 位移信息。运用嵌入式w e b 服务器技术，测得的位移信息可以存放在系统的w e b 服务器上，用户无论在何时何地只要通过电脑上的w e b 浏览器提出请求就可以查 看当前或者历史测得的位移信息，十分方便。 2 2 系统总体结构 根据课题的实际需要并兼顾以后系统功能的扩展，整个系统设计成由超声波 测距系统和嵌入式系统两部分组成。框图如图2 - 1 所示。 4 河海大学硕士学位论文第二章系统总体设计 澄澄聚粲 数嚣馁埝退 d s l 8 8 2 0 嵌入式徽 八l c d 漫 玲令襁割 憝磁黎 、l 啄器 鹫运算逻辚 发送ns 3 g 2 4 1 0 甲元 数豁髓黢 跆 c p l d 接缎r 叫 矧篓篙 怒声浚测掰系缓 凝入式系绶 一一ll 一一 图2 - 1 检测系统框图 f i g 2 - 1b l o c kd i a g r a mo f s y s t e md e t e c t i o n 2 2 1 超声波测距系统 超声波发送、接收模块 超声波发送模块的作用是将c p l d 产生的方波功率放大，使其能驱动发射换 能器发射超声波。经反射面反射回来的超声波由接收换能器接收，信号将会很微 弱，因此需要通过接收模块将信号进行放大、比较识别，再送入c p l d 的识别引 脚。 运算逻辑单元( c p l d ) 嵌入式微处理器发出控制指令，控制c p l d 发出4 0 k h z 信号，通过超声波发 送模块发出频率为4 0 k h z 的超声波，经被测面反射至超声波接收模块后送入 c p l d 。在此发送接收期间，c p l d 对1 m h z 频率的脉冲进行高速计数，从而得出 精确的回波时间，这样用c p l d 完成超声波的发射和接收，并精确记录回波时间。 系统选择c p l d 主要是克服了单片机的速度限制1 2 6 j 。使记录的回波时间可以精确 到f i s 级，提高时间采集精度，从而提高系统的距离测量精度。 基于越声与嵌入式w e b 服务器的远程位移信息豁拧 温度补偿模块 在常温常压下，空气近似为理想气体。超声波在理想气体中的传播速度如式 ( 2 1 ) 所示： c ：矗面而 式( 2 1 ) 式中材为气体摩尔数：，为气体的比热比：曰为气体常数；r 为热力学温度。 对于一定的气体，、r 、甜为定值。由式( 2 1 ) 可知：声速与热力学温度的平方 根成正比。 以o c 时空气中声速的实验值3 3 1 4 5 m s 为参照标准，在0 的空气中声速 的表达式如式( 2 2 ) 所示： c 43 3 1 4 5 1 ( 0 + 2 7 3 1 6 ) 2 7 3 ，1 6 ( m s 1 式( 2 2 ) 由实验分析得到距离计算如式( 2 3 ) 所示： t s 。i 。万 式( 2 3 ) 式中n 为计数个数；z 为参考频率；s 为距离。 本系统运用了温度传感器件来采集系统测量温度0 值，交给微处理器进行式 ( 2 ，2 ) 和式( 2 3 ) 的温度补偿计算。 2 2 2 嵌入式系统 嵌入式微处理器 系统内的嵌入式微处理器是整个系统的控制中心，负责读取采集时间、温度、 进行数据运算、并提供w e b 服务。采用3 2 位微处理器可以在速度和精度方面获 得较高的性能，目前常用的3 2 位嵌入式处理器主要有：m o t o r o l a 公司的p o w e r p c 系列、m i p s 公司的m i p s 系列、a r m 公司的a r m 系列和其他d s p 系列处理器芯 片等几种【2 7 - 2 9 1 。其中p o w e r p c 系列多用于高端应用，m i p s 系列的开发资源不是 很丰富，d s p 则多用于专用信号处理，丽a r m 系列处理器芯片以其低功耗、低成 本、高集成度等优点在处理器市场已占有很大份额p “”j 。 根据a r m 内核的不同，a r m 处理器分为a r m 7 ，a r m 9 ，a r m 9 e ，a r m l 0 ， s e c t t r c o r e ，i n t e l 的x s c a l ，i n t e l 的s m o n g a r m 等。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 。根据在不同领域内的应用，用户可选择满足 系统要求的硬件最低配置。a r m 7 t d m i 没有m m u ，不支持w i n d o w s c e 和标准 6 河海大学硕士学位论文 第二章系统总体设许 l i n u x 等操作系统，仅可以运行l lc l i n u x 以及uc o s i i 。要运行嵌入式l i n u x 操作系统，最低的硬件配置即为a i l m 9 2 0 t 3 “l ，这款a r m 9 芯片在高性能和低 功耗特性方面提供最佳的性能，提供1 1 m i p s m h z 的5 级流水线结构；支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集；支持3 2 位高速a m b a 总线接口；全性 能m m u ，支持w i n d o w s c e 、l i n u x 、p a l mo s 等主流嵌入式操作系统：l v l p u 支 持实时操作系统；支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能 力。完全能满足本课题的需要。 因此，系统选用了a r m 9 的三星$ 3 c 2 4 1 0 作为嵌入式c p u ，这是一款高性价 比、低功耗、高性能、高集成度的基于a r m 9 核的c p u ，主频为2 0 3 m h z ，专为网 络通信和手持设备而设计，能满足嵌入式系统中的低成本、低功耗、高往能、小 体积的要求l 圳。 嵌入式w e b 服务器模块 在该系统中采用三星公司的a r m 9 微处理器$ 3 c 2 4 1 0 和以太网接口芯片 c s 8 9 0 0 ，通过在处理器上运行l i n u x 操作系统，构建嵌入式w e b 服务器，并进行 c g i ( c o m m o ng a t e w a yi n t e r g a c e ，通用网关接口) 编程1 3 6 】，实现位移信息的网 络传输，满足了系统的实时远程监控要求。 位移信息可以存放在w e b 服务器上，由w e b 服务器通过h t t p 协议传送给客 户端如图2 - 2 所示，过程如下： 1 w e b 浏览器与w e b 服务器建立t c p 连接，然后提交h t t p 请求消息，请求 传送位移信息。 2 w e b 服务器给w e b 浏览器发送响应消息和请求的数据。 3 w e b 浏览器检查h t t p 响应消息中的内容的类型，显示数据。 图2 - 2w e b 服务器工作图 f i g 2 2c h a r to f w e b s e r v e r l c d 显示器、键盘 l c d 显示器及键盘构成人机交互接口，为整个系统提供友好的人机界面，便 于操作。 7 基于超声与嵌入式w e b 服务器的远程位移信息j | ；【控 2 3 嵌入式系统的构架 为了提高系统性能，增强抗干扰能力，方便整机调试，需要在系统中加入操 作系统。本课题选用具有a r m 9 内核的$ 3 c 2 4 1 0 为嵌入式系统的微处理器，同时 以l i n u x 为操作系统，构建了嵌入式系统。实现了对整个系统的管理，嵌入式系 统的整体结构如图2 3 所示。 控制对象 k 温度采集系统、v e b 服务器 c p l d 功能层应用程序 任务管理 软件层 l i n u x 26 操作系统 中间层 外设驱动程序 s p i s 3 c 2 4 1 0o p i o 硬件层 u a r t 人机交互接口 图2 - 3 嵌入式系统结构 f i g 2 - 3 t h ee m b e d d e ds y s t e ms t r u c t u r e 硬件层 硬件层包括微处理器和系统外围设备，微处理器选用的是具有a r m 核的 $ 3 c 2 4 1 0 ，系统外围设备主要包括：液晶显示屏( l c d ) 、键盘、u a r t 、s p i 及g p i o 口等等。硬件层是保证系统实现指定任务的最底层的部件。 中间层 中间层主要是包括外围设备的驱动程序，它是连接底层的硬件和上层的a p i 函数的纽带。有了驱动程序模块，就可以把操作系统的a p i 函数和底层的硬件分 离开来。任何一个硬件的改变、删除或者添加，只需要随之改变、删除或者添加 供给操作系统的相应的驱动程序就可以了，并不会影响到a p i 函数的功能，更不 会影响到用户的应用程序。 8 河海大学颈士学位论文第二章系统总体设汁 软件层 软件层是由操作系统l i n u x 内核和任务管理构成。它负责着系统任务和应用 程序的管理。并完成多任务之间的调度和同步。 功能层 功能层由用户的应用程序组成，应用程序建立在系统的主任务基础之上。主 要是计算测量位移。 控制对象 在本课题中，嵌入式系统要负责读取c p l d 的采集时间和系统工作温度进行 数据运算处理，并且控制w e b 服务器模块。 9 基于超声与嵌入式w e b 服务器的远程位移信息监控 第三章硬件电路设计 本系统硬件电路主要分超声波测距电路和嵌入式硬件系统两部分。 3 1 超声波测距电路设计 超声波测距电路主要完成超声波发射接收、c p l d 时间采集和温度采集三大 功能，如图3 - 1 所示。 r 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 i l i i i i f i l i l l i 澄馊浆镰 数稿傻瓣 i d s l 8 8 2 0 l 竺卜 运算逻辚簪元 l l i 网 c p l d 教磁铤输 i 一 3 1 1 超声波发射、接收电路 超声波发射电路接收由嵌入式微处理器控制c p l d 产生的4 0 k h z 的方波，并 对其进行放大，驱动超声波换能器发射超声波。 根据所要驱动换能器的物理特性以及阻抗匹配的原则p 7 - 4 0 l ，本课题中选用了 高性能的集成运放l f 3 5 3 ，对超声波信号进行放大，其带宽为4 删z 。超声波发射 电路设计如图3 2 所示。 河海大学硕士学位论文 第三章硬件电路设计 i 图3 - 2 发射放大电路 f i g 3 2t r a n s m i s s i o na m p l i f i c a t i o nc i r c u i t 超声波接收电路设计如图3 - 3 所示。 彳一旷 卓一邕薛一 图3 - 3 超声波接收电路 f i g 3 - 3c i r c u i to f r e c e i v i n gu l t r a s o n i c 接收电路由前级缓冲、信号放大、比较电路、光耦隔离4 部分组成。超声波 在空气中的传播有明显的衰减，如果测量距离比较远，接收探头收到的回波信号 将会很微弱，通常在几十毫伏，因此必须对该信号进行放大处理。本系统采用两 级放大，放大倍数为i 0 0 倍。将放大后信号送至比较器l m 3 9 3 进行比较识别。比 较参考电平通过可变电阻调节。识别后信号经光耦h i i l l 隔离耦合后，送至c p l d 回波识别引脚。在整个回路中采取了隔直、滤波、整形措旆。 基于超声与嵌入式w e b 服务器的远程位移信息脏控 3 1 2c p l d 设计 本系统c p l d 选用的是x i l i n x 公司的x c 9 5 0 0 系列的x c 9 5 1 0 8 。其内部功能实现 如图3 4 所示。 r 一一一一一一一一一一一一一一一l 图3 4c p l d 功能实现图 f i g 3 - 4 c p l df u n c t i o nd i a g r a m c p l d 主要就是由命令控制模块、信号产生模块、脉冲计数模块和通信解码模 块组成。命令控制模块接收来自$ 3 c 2 4 1 0 的控制信号和经被测物体表面反射回来 的超声波信号。信号产生模块是用来产生两路高频信号：一路将3 2 删z 时钟8 0 0 分频，产生4 0 k h z 的方波信号驱动超声波发射换能器，一路将3 2 m t l z 时钟3 2 分频产 生1 m h z 的计数脉冲。脉冲计数模块在超声波传播期间，对计数脉冲进行计数，并 且将计数结果送至通信解码模块。通信解码模块对脉冲计数模块的1 6 位的脉冲个 数解码，将其送给s 3 c 2 4 l o 进行通信。 x c 9 5 0 0 设计中应考虑的问题： 电源环境：x c 9 5 0 0 c p l d 支持由3 3 v 和5 v 设备组成的混合电源系统。x c 9 5 0 0 系列芯片本身具有逻辑和电平转换功能，不需要离散电平传输缓冲。x c 9 5 0 0 系 列设备的特点就是支持分离电源h “。为了提高性能，内部核心逻辑一直工作在 3 3 v 电压下。输出缓冲器可以用5 v 或3 硝供电，通过i ov c c 与3 3 v 和5 v 电源连接。t t l 的兼容性使得x c 9 5 0 0 能够驱动任何3 3 v 和5 v 逻辑组合。x c 9 5 0 0 的i o 中，输入保护二极管接内部3 3 v 电源。由于所有的输出晶体管都是n 沟 河海大学硕士学位论文第三章硬件电路设计 道的，输出脚为三态，并且3 3 v 设备驱动x c 9 5 0 0 的i o 引脚时没有寄生二极管 的前向偏置，因此设备可以工作在同时包括3 3 v 和5 v 设备的总线上。 高频设计：x c 9 5 0 0 的引脚之间的延迟是5 n s ，实际的速度可以更快。因此应 该考虑尽量减少噪音以便使邻近的设备能够正常工作1 4 2 圳。许多高速设计同时要 驱动容性负载，要求大电流驱动输出。x c 9 5 0 0 c p l d 提供2 4 畦的驱动电流，减少 了对附加缓冲器的要求，在处理总电流时应考虑尽可能减少电平升高的问题。 3 i 3 温度采集电路 由于超声波的波速受温度影响较大，因此，一个好的测温系统对于本测距系 统是至关重要的。本系统采用了美国d a l l a s 公司生产的单总线数字温度传感器 d s l 8 8 2 0 ，可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理，a d 变换时间仅 为2 0 0 m s 【4 5 l 。从d s l 8 8 2 0 读出的信息或写入d s l 8 8 2 0 的信息，仅需要根口线( 单 总线接口) 。读写及温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的 d s l 8 8 2 0 供电，而无需额外电源。d s l 8 8 2 0 提供九位温度读数，构成多点温度检 测系统而无需任何外围硬件。测温范围为- 5 5 1 2 5 ，精度为0 s c 。 d s l 8 8 2 0 与嵌入式微处理器$ 3 c 2 4 1 0 的接口极其简单，只需将d s i s b 2 0 的信 号线与$ 3 c 2 4 1 0 的一位双向端口相连即可。连接如图3 - 5 所示，采用寄生电源供 电方式。 + 5 v ，相当于t ， ，相当予r ， 图3 - 5d s i s b 2 0 连接电路 f i g 3 - 5c o n n e c t i n gc i r c u i to f d s l 8 8 2 0 为保证在有效的d s l 8 8 2 0 时钟周期内，提供足够的电流，用一个m o s f e t 管 和$ 3 c 2 4 1 0 的一个i o 口( g p e 5 ) 来完成对d s l 8 8 2 0 总线的上拉。当d s l 8 8 2 0 处于写存储器操作和温度a d 变换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时 间最大为1 0l ls 。采用寄生电源供电方式时v d d 必须接地。由于单线制只有一根 线，因此发送接收口必须是三态的，为了操作方便用s 3 c 2 4 1 0 的g p e 6 口作发送 口t x ，g p e 7 口作接收口r x 。同时，由于读写在操作上是分开的，故不存在信号 基于超声与嵌入式w e b 服务器的远程位移信息j 橇控 竞争问题。 3 2 嵌入式系统硬件设计 嵌入式系统是整个系统中的一个重要部分。嵌入式微处理器$ 3 c 2 4 1 0 是整个 系统的控制中心，负责从数据口中读出采集时间进行运算并处理外部发送来的控 制指令。$ 3 c 2 4 1 0 和以太网接口芯片c s 8 9 0 0 实现了嵌入式w e b 服务器的功能。而人 机交互设备也为用户和系统提供了一个良好的交互平台。整个嵌入式系统硬件结 构如图3 - 6 所示。 图3 6 嵌入式系统硬件结构图 f i g 3 6 h a r d w a r es t r u c t u r ed i a g r a mo f e m b e d d e ds y s t e m 3 2 1 微处理器$ 3 c 2 4 1 0 三星公司推出的$ 3 c 2 4 1 0 是一款高性价比、低功耗、高性能、高集成度的a r m 架构的c p u ，采用2 0 3 州z 的a r m 9 2 0 t 内核，专为网络通信和手持设备而设计。 $ 3 c 2 4 1 0 提供了以下丰富的内部设备：分开的1 6 k b 指令缓存和1 6 k b 数据缓存、姗u 虚拟存储器管理、支持n a n df l a s h 系统引导、s d r a m 控制器、触摸屏接口、u s b 接口、p l l 时钟产生器等m l 。通过提供一系列完整的系统外围设备，$ 3 c 2 4 1 0 大大 减少了整个系统的成本，消除了为系统配置额外器件的需要。体系结构如图3 7 所示。 1 4 河海大学顾士学位论文第三章硬件电路设适 图3 - 7 $ 3 c 2 4 1 0 体系结构图 f i g ，3 7 s t r u c t u r ed i a g r a mo f s 3 c 2 4 1 0 $ 3 c 2 4 1 0 还具有以下特性： 1 s v 内核供电，3 3 v 存储器供电，3 3 v 外部i o 供电； 内部3 2 位地址线，外部2 7 位地址线，数据总线宽度3 2 位； 外部存储控制器( s d r a m 控制和片选逻辑) ； 复位时引导芯片选择( 8 、1 6 比特存储或n a n d 可供选择) ； 3 通道u a r t ( i r d a i ，o ，1 6 字节t x f i f o ，和1 6 字节r x f i f o ) 2 通道s p i ： 多达5 6 个中断源的中断控制器，其中2 4 路为外部中断； 看门狗定时器； 具有日历功能的r t c 3 2 2f l a s h 存储器接口电路 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，掉电后信息不丢失的 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。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 主要的生产厂商为a t m e l ， a m d ，h y u n d a i ，s s t 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，可通用。 在本系统中使用k 9 f 1 2 0 8 u o m 作为n a n df l a s h 存储器，连接较为简单，如图 3 8 所示。 基于超声与嵌入式w e b 服务器的远程位移信息艏拄 摹3 c 2 o xh a n of l a $ 竹 d a t a e 7 胡m d 7 ：田 omo!pjnb n 8 u 8 y o m i ”f w en w e n f r 毫n r d a l e a l e n f c n c e c l ec l e 图3 8n a n df i a s h 存储电路示意图 f i g 3 8 s k e t c hm a po f n a n df l a s hm e m o r yc i r c u i t n a n df l a s h 不对应任何的b a n k ，它是通过几组寄存器来访问的，在上电后， n a n df l a s h 开始的4 k 数据被自动地复制到芯片内“s t e p p i n g s t o n e ”上。 s t e p p i n g s t o r e 被映射为地址0 ，上面的4 k 程序完成必要的初始化。 在以k 9 f 1 2 0 8 u o m 为数据存储介质的系统设计中，需要注意无效块的问题【4 7 1 。 无效块即包含一个和多个无效数据位的块。由于结构方面的原因，一块( 3 2 页) 中有一个无效位也会导致整个块无效。因此，系统必须在写入数据时避开无效块。 出厂时，每片k 9 f 1 2 0 8 u o m 的无效块信息均保存在一个无效块信息表中，可以根 据该表中的原始无效块信息识别无效块的位置。在k 9 f 1 2 0 8 u o m 的使用过程中， 应随时对无效块情况进行检查和更新，以保证无效块表内容的准确性；同时，应 该禁止任何试图擦除无效块信息表的操作。 3 2 3s d r a m 接口电路 与f l a s h 存储器相比较，s d r a m 不具有掉电保持数据的特性。但其操作都是由 时钟作为同步，存取速度大大高于f l a s h 存储器，数据吞吐量更大，且具有读 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。当 系统启动时，m c u 首先从复位地址o x o 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、运行数据也都放在s d r a m 中。 平台使用的k 4 s 5 6 1 6 3 2 c t c l 7 5 ，是三星生产的一款c m o s s d r a m 。存储容量 为4 b a n k x 4 m x1 6 位( 3 2 m b ) 1 4 8 j 。两片k 4 s 5 6 1 6 3 2 c - t c l 7 5 并联构建3 2 位的s d r a m 存储器系统，其中一片为高1 6 位，另一片为低1