（机械电子工程专业论文）嵌入式无线数据采集系统的设计与实现.pdf

北京科技大学硕士学位论文 摘要 设备状态监测是设备管理和设备维修的重要前端环节，与生产的效率和效益密切相 关。论文结合现有设备状态监测系统的特点，并针对实际工业现场中选用有线传输方式 时存在的诸多问题，采用无线通讯、数字传感器等新技术，以振动和温度监测为主要研 究目标，设计并实现了基于无线通讯的嵌入式数据采集系统。 论文研究的主要内容如下： 1 1 嵌入式无线数据采集系统的框架设计。系统充分考虑工业现场的需求，完成了以 低功耗、模块化为目标的数据采集和数据传输模块的集成和调试，并在z c o s i i 操作系 统上实现了基于可插拔s d 卡的文件系统和u s bm a s ss t o r a g e 类协议。 2 1 新型数字传感器在设备状态监测中的应用研究。主要包括数字加速度计和数字温 度传感器，文中给出了相应传感器的应用设计要点，并着重研究了振动和温度信号的无 线测量方案，解决了微型加速度计在工业现场的应用安装问题。 现场实际工况下的无线数据通讯和低功耗的研究。为解决无线通讯过程中存在的 丢包和速率匹配的问题，采用了大容量的数据缓存器，构建了适用于状态监测的无线通 讯协议。通过优化电源设计和采用动态电源管理技术，则有效地提高了电池的续航能力。 本文研究的嵌入式无线数据采集系统适用于布线困难、测点分布较广的场合，为今 后在工业环境下开展设备状态监测进行了较为系统的研究，并可以进一步拓展到其它对 象的状态监测，如石油管道的监测等。 关键词：数据采集，无线通讯，低功耗，嵌入式系统 1 北京科技大学硕= l 学位论文 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ee m b e d d e dw i r e l e s s d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m c o n d i t i o nm o n i t o r i n g ，w h i c hi sc l o s e l yr e l a t e dt op r o d u a i o ne f f i d e n c ya n de c o n o m i c b e n e f i t ，p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ne q u i p m e n tm a n a g e m e n ta n dm a i n t e n a n c e i ni n d u s t r i a lf i e l d t h e r ea l es e v e r a ld i f f i c u l t i e si nc a b l et r a n s m i s s i o n i nt h el i g h to fe x i s t i n gc o n d i t i o nm o n i t o r i n g s y s t e m ，a ne m b e d d e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dd i g i t a l s c l l s o ri sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d ，w h i c hr e g a r d sv i b r a t i o na n dt e m p e m t a r em o n i t o r i n ga st h e g o a l 皿em a i nc o n t e n t so f t h et h e s i sa l ea sf o l l o w s ： 1 、1 1 把f r a m e w o r kd e s i g no ft h ee m b e d d e dw i r e l e s sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m t a k et h e n e e do fi n d u s t r i a lf i e l di n t of u l lc o n s i d e r a t i o na n dr e g a r dl o wp o w e ra n dm o d u l a ra st h eg o a l ， d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ea n dd a t et r a n s m i s s i o nm o d u l ea l ei n t e g r a t e da n d d e b u g g e d f i l cs y s t e m b a s e do np l u g g a b l es dc a r da n du s bm a s ss t o r a g ep r o t o c o la l ea c h i e v e do nt h e 州：0 s o p e r a t i n gs y s t e m r c s c a l c ho nc u # t a ls c n s o r sa p p l i e di nc o n d i t i o nm o n i t o r i n g ，m a i n l yi n c l u d i n gd i g i t a l a c c e l e r o m e t e ra n dd i g i t a lt e m p e r a t u r es e n s o r t h e s es e n s o r sd e s i g np o i n t sa l ep r e s e n t e da n d w i r e l e s sm e a s u r e m e n ts c h e m eo fv i b r a t i o na n dt e m p e r a t u r es i g n a l si se s p e c i a l l ys t u d i e d t h e i n s t a l l a t i o np r o b l e mo f m i c r o - a c c e l e r o m e t e ri ni n d u s t r i a lf i e l dc o m e st oas e t t l e m e n t 3 、r e s e a r c ho nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dl o wp o w e ri nt h ei n d u s t r i a lf i e l d t or e s o l v e t h ep r o b l e mo fp a c k e tl o s sa n dr a t em a t c h i n g ，am a s sd a t ab u f f e ri sa d o p t e da n daw i r e l e s s c o m m u n i c a t i n np r o t o c o ls u i t a b l ef o rc o n d i t i o nm o n i t o r i n gi sc o n s t r u c t e d i no r d e rt oe x t e n d b a a e r yl i f e t i m e ，t h ep o w e rd e s i g ni so p t i m i z e da n dd y n a m i cp o w e rs u p p l ym a n a g e m e n ti s i n t r o d u c e d t h ee m b e d d e dw i r e l e s sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sa p p l i c a b l et ot h ec a s e so fc o m p l i c a t e d a r r a n g e m e n to fw i r e sa n dw i d ed i s t r i b u t e dm o n i t o r i n g0 b j e c 协ms y s t e m a t i cs t u d yo f c o n d i t i o nm o n i t o r i n gi nt h ei n d u s t r i a le n v i r o n m e n ti sc a r r i e do u t ，a n dt h es y s t e mc a l lb e e x t e n d e dt oo t h e ro b j e e t sc o n d i t i o nm o n i t o r i n g ，f o re x a m p l eo i lp i p e l i n e k e yw o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o n ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，l o wp o w e r ，e m b e d d e ds y s t e m 2 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得北京科技大学或 其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 签名：伍使日期：少o t - ；一汐 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：鱼丝导师签名：! k 北京科技大学硕士学位论文 引言 随着现代科学技术的进步与发展，设备越来越大型化，功能越来越多，结构越来越 复杂，自动化程度越来越高，如何最大限度地发挥设备的生产潜力直接关系到企业的生 产效率和经济效益。状态监测与故障诊断技术是目前普遍采用的解决方案，其通过了解 和掌握设备在运行过程中的状态，评价、预测设备的可靠性，早期发现故障，并对其原 因、部位、危险程度等进行识别，预报故障的发展趋势，并针对具体情况做出决策。 数据采集是设备状态监测与故障诊断技术的重要组成部分。虽然传统在线状态监测 系统具有实时性好、采样频率高等优点，但在工业领域，尤其是冶金行业，测量环境复 杂，不但布线困难、信号易受干扰、升级维护不方便，而且价格昂贵，从而限制了其应 用范围。鉴于许多情况下状态监测量对实时性和采样频率要求不是特别高，比如温度和 低频振动信号，故本文针对上述问题，提出了基于无线通讯技术的嵌入式数据采集系统， 通过选用数字温度传感器和微型加速度计有效地精简了系统的体积和降低了系统的功 耗。 在系统构建过程中，结合离线数据采集器的特点将系统终端扩展成独立的手持测振 仪，以更好地适应现场的测量需求。为提高系统的可靠性、灵活性以及可维护性，在系 统终端移植了a c o s i i 操作系统，构建了基于s d 卡的文件系统。为提高无线通讯的可 靠性，通过引入大容量的数据存储器，以先缓存后转发的方式来实现对振动量的采集。 针对系统采用电池供电的特点，为提高电池的续航能力，重点研究了系统的电源设计、 器件选型以及通过软件控制功耗的方法。 1 北京科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题目的与意义 本文研究嵌入式无线数据采集系统的主要目的是，针对现有设备状态监测系统因采 用有线传输方式而存在的布线困难、信号易受干扰、升级维护不方便等问题，在传统数 据采集器的基础上引入无线通讯技术，对设备状态监测中常见的振动和温度状态量进行 数据采集，从而为故障诊断提供依据。本系统适合于对设备进行巡检，特别是在设备处 于工作状态时，人员不能接近的场合。 随着现代科学技术的进步与发展，设备越来越大型化，功能越来越多，结构越来越 复杂，自动化程度越来越高。随之而来的问题是，一旦关键设备发生故障，不仅会造成 巨大的经济损失，而且可能危及人身安全，产生重大的社会影响。因此，人们对设备的 安全、稳定、长周期，满负荷运行的要求也越来越迫切，希望能及时了解设备运行状态、 预防故障、杜绝事故、延长设备运行周期、缩短维修时问，最大限度地发挥设备的生产 潜力1 1 】。设备状态监测与故障诊断技术的实质就是了解和掌握设备在运行过程中的状态， 评价、预测设备的可靠性，早期发现故障，并对其原因、部位、危险程度等进行识别， 预报故障的发展趋势，并针对具体情况做出决策。可见如何有效地对设备进行状态监测 直接关系到企业的生产效率和经济效益。 状态监测和故障诊断系统可分为在线和离线两种1 2 1 。前者主要用于对大型设备或关 键机组的监测和诊断。这类系统一般一次安装，可实现对机组的连续状态监测和诊断， 并且能够保存设备运行的历史信息，但是由于工况环境、监测和诊断的实时性要求、被 监测设备的多样性等苛刻的技术要求，在线监测和故障诊断系统一般灵活性差并且价格 昂贵。离线状态监测和故障诊断系统则正好弥补了其不足。 现有的状态监测系统多采用有线传输方式，常用传统的电缆实现传感器和中心采集 单元的通讯，存在成本高、布线困难、环境对传输信号的影响较大等缺点。如对于某些 测控系统，由于测量点比较分散，远程线路铺设及维护均需较高的代价：此外，对于运 动构件上的传感器信号的采集，由于传感器空间位置不固定，使得通过电缆引出信号变 得不可靠、甚至不可能。如采用无线传输则可以有效地克服上述缺点。可见无线传输与 传统的有线传输方式相比，具有安装方便、维护和升级费用低等优势，非常适合用于对 布线困难的区域、人员不能到达的区域进行状态监测c z , 4 1 。故采用无线传输技术进行数据 通信已经是现代数据采集系统的发展趋势。 2 北京科技大学硕士学位论文 数据采集是设备状态监测与故障诊断技术的重要组成部分。数据采集系统是计算机 与外部世界之间联系的桥梁，是获取信息的重要途径。数据采集技术是信息科学的重要 组成部分，已广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域，并且随着科学技术的发展， 尤其是计算机技术的发展与普及，数据采集技术将有广阔的发展前景。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 传感器技术与传感器网络 传感器是直接作用于被测量，能按照一定规律将其转换成同种或别种量值输出的器 件，通常由三部分组成：敏感元件、转换元件、信号调理电剃卵l 。它获取的信息可以是 各种物理量、化学量和生物量，而转换后的信息也有各种形式，通常是将非电量或电量 转换成易于处理和传输的电量。传感器技术是信息时代的重要组成部分，而新型传感器 技术又代表现代科学技术的发展方向。要推进国民经济、国防建设与社会的信息化，必 须抓住信息源这一环节。信息时代促使传感器技术有了长足的进步，其应用领域越来越 宽广，同时对其要求也越来越高，对其需求也越来越迫切。因此，及时了解并掌握传感 器技术的新发展和新技术，特别是传感器与高性能信号调理电路结合使用的新技术，对 于更有效地应用电子技术来促进科研、生产的发展和社会的信息化是非常必要的。 随着微电子、计算机和网络技术的发展，传感器技术正向着微型化、智能化、网络 化、集成化的方向发展俐。 所谓微型集成化就是指将敏感元件与信号测量及处理电路都集成在同一芯片上，使 检测与信号处理一体化，从而使得整个传感器体积小型化。微型传感器已经对大量不同 应用领域，如航空、远距离探测、医疗及工业自动化等领域的信号探测系统产生了深远 影响；目前开发并进入实用阶段的微型传感器已可以用来测量各种物理量、化学量和生 物量。 智能化传感器是指那些装有微处理器的，不但能够执行信息处理和信息存储，而且 还能够进行逻辑思考和结论判断的传感器系统【9 】。目前智能化传感器技术正处于蓬勃发 展时期，其中基于模糊理论的新型智能传感器和神经网络技术在智能化传感器系统的研 究和发展中的重要作用也日益受到了相关研究人员的极大重视。 传感器网络是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域。 传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信 息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环 境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网 络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端1 1 川。 3 北京科技大学硕士学位论文 1 2 2 短距离无线通信技术的现状与发展趋势 在过去的几年中，无线通讯领域取得了很大的进展，这其中包括数字电路和射频电 路制作上工艺的进步、低功耗电路、高能电池以及微电子技术的采用。以上诸多方面的 发展使移动通信设备更加灵巧、经济、可靠。同样，数字通信技术和数字调制技术的发 展也发挥了很大的作用，它们使无线通信网络向更加经济、更加容易操作的方向发展。 无线数据通信技术可分为两大类【1 l _ 1 3 】：一是基于蜂窝的接入技术，如蜂窝数字分组 数据( c d p d ) ，通用分组无线传输技术( g p r s ) 等。二是基于局域网的技术，如i e e e 8 0 2 1 1 w l a n ，蓝牙技术( b l u c t c i o m ) ，红外通信技术0 r d a ) ，h o m e r f 以及微功率短距离无线通 信技术等。 与目前已经具备相当规模的无线长距离通信网络( 如蜂窝移动通信网) 相比，短距 离无线通信系统在基本结构、服务范围、应用层次及通信业务( 数据、话音) 上，均有 很大的不同。 1 ) 红外通信技术。红外通信技术i r d a ( i n f i a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ) 采用人眼看不到的 红外线传输信息，是目前使用最广泛的短距离无线通信技术。它利用红外线的通断表示 计算机中的0 - 1 逻辑，通常有效作用半径2 米，传统速度可达4 m b p s ( m i l l i o nb i tp e r s e c o n d ) ，后将通信速率扩展到1 6 m b p s 。红外技术采用点到点的连接方式，发射、接收 均具有方向性，其具有体积小、功耗低、连接方便、简单易用、数据传输干扰少、速度 快、保密性强、成本低等特点。因此广泛应用于各种遥控器，笔记本电脑，移动电话， p d a 等移动设备。但红外技术只是一种视距传输技术，有效距离近，发射角度较小，一 般不超过2 0 度。两台相互通信的设备之间必须对准，传输数据时两台设备之间不能有阻 挡物，而且只能限于两台设备通信，无法灵活构成网络，更无法用于处于移动状态下的 工作设备。此外，i r d a 设备中的核心部件l e d 易磨损。 2 ) 蓝牙技术。蓝牙技术作为一种近距离无线连接的全球性开放规范，已经得到了全 球众多大企业的支持。其使用全球统一开放的2 4 g h z 的工业、科学及医疗设备( i s m ) 频 段，采用跳频扩频f h s s 技术实现设备之间的无线互连，有穿透能力，能够全方位传送， 主要面对网络中各种数据和语音设备。采用蓝牙技术通讯时可以通过无线方式连成一个 微微网0 a i c o n c t ) ，而多个微微网之间还可以形成分布式网络( s c a t t c m e t ) ，从而方便、快速 的实现各类设备之间的通信。蓝牙技术作为一种新兴的技术，主要具有以下特点：规范 的开放性、产品的互操作性及兼容性、公用通信频段以及提供大容量的语音和数据网络， 但蓝牙设备也存在不足之处，其价格昂贵，通讯距离近。 3 ) i e e e 8 0 2 1 l b 。i e e e 8 0 2 1 l b 技术标准是无线局域网的国际标准，使用2 4 g h z 的 4 北京科技大学硕士学位论文 i s m 频段，采用直接序列扩频d s s s 技术进行调制解调增强了抗干扰能力，提高了传输 速度。8 0 2 1 l b 无线网络的最大优点是兼容性，只要在原有网络上装上a p ( a c c c s sp o o h 0 ， 就可以提供无线网络服务，而终端设备只要装上无线网卡，就可以访问所有网络资源， 像使用有线局域网一样方便，却免除了布线的麻烦。8 0 2 1 l b 通过有线等价保密机制 w e p ( w i r e ae q u i v a l e n tp r i v a c y ) 来确保数据安全。因其具有穿透能力，全方位传送，建网 速度快，可用来组建大型无线网络。此外，其具有运营成本低，投资回报快等特点，故 正逐渐受到电信制造商和运营商的青睐。目前此种设备还比较昂贵，妨碍了其推广和应 用。更多新的w i - f i ( w k e l e s sf i d e l i t y ) 标准正在制定之中。如速度更快的8 0 2 1 l g 使用与 8 0 2 1 l b 相同的正交频分多路复用( o f d m ) 调制技术，同样工作在2 4 g h z 频段，但其通讯 速率达5 4m b ，比目前通用的8 0 2 1 l b 快了5 倍，并且完全向后兼容8 0 2 1 l b 。8 0 2 1 l g 将有可能被大多数无线网络产品制造商选择作为产品标准，而下一代的w i f i 标准 8 0 2 1 l n 有望达到1 0 0m b p s 。 4 ) 微功率短距离无线通信技术。近年来，随着大规模集成电路技术的发展，短距离 无线通信系统的大部分功能都可以集成到一块芯片内部。一般使用单片数字信号射频收 发芯片，加上微控制器和少量外围器件即可构成专用或通用的无线通信模块。其所有高 频元件包括电感、振荡器等已经全部集成在芯片内部，致性良好，性能稳定且不受外 界影响。射频芯片一般采用f s k 调制方式，工作于l s m 频段，通信模块一般包含简单透 明的数据传输协议或使用简单的加密协议，而且发射功率、工作频率等所有工作参数均 可通过软件设置完成，用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解，只需依据命 令字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能。新一代短距离无线数据通信系统具有 体积小、功耗低、稳定性好、抗干扰能力强等优点，而且开发简单快速，可以方便地嵌 入到各种设备中，实现设备间的无线连接，因此比较适合搭建小型网络，从而在工业、 民用领域得到了较为广泛的应用。 1 2 3 嵌入式系统 根据国际电气和电子工程师协会i e e e ( i n s t i t u t eo f e l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ) 的定义，嵌入式系统是对设备、机器或车间的运作，进行控制、监视或辅助的装置。另 外，国内有一个更通俗，而目前被普遍认同的定义：以应用为中心、以计算机技术为基 础，软件硬件可剪裁，能满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的 专用计算系统【1 4 1 。 一般来说，嵌入式系统的架构可以分为四个部分：处理器、存储器、输入腧出和软 件。软件可以分为应用软件和操作系统，但由于大多数嵌入式设备的应用软件和操作系 5 北京科技大学硕士学位论文 统都是紧密结合的，甚至无需操作系统，所以在这里不加区分，统一称为软件。与通用 计算机系统相比，嵌入式系统具有以下特点： 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式c p u 与通用型的最大不同之处就是 嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集 成度高等特点。 2 ) 嵌入式系统是将计算机技术、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，是一门综合技术学科。 3 ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进 行的，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，就具有较长的生命周期。 4 ) 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片 或单片机本身中，而不是存储于磁盘等载体中。 近几年，随着计算机、通讯、消费电子的一体化趋势日益明显，嵌入式技术已成为 一个研究热点。纵观嵌入式技术的发展过程，大致经历4 个阶段1 1 5 】：第一阶段是以单芯 片为核心的可编程控制器形式的系统，具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能，其 特点是系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口； 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础，以简单操作系统为核心的嵌入式系统，其主要特点是 c p u 种类繁多，通用型比较弱，系统开销小，效率高；第三阶段是以嵌入式操作系统为 标志的嵌入式系统，其主要特点是嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上， 兼容性好，操作系统内核小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性，具有文件和目 录管理、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；第四阶段是以i n t e m e t 为标 志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段，可以说嵌入式设备与i n t e r a c t 的结合将 代表嵌入式系统的未来。 2 0 世纪9 0 年代，嵌入式技术开始全面发展，目前已成为通信和消费类产品的共同 发展方向。嵌入式系统技术应用范围非常广阔，在工业控制、交通管理、信息家电、智 能小区、电子商务、环境检测及机器人等领域都有广泛的应用。随着市场对嵌入式应用 技术和产品的需求不断增长，以及半导体技术和系统设计方法的不断进步，嵌入式系统 呈现出以下几大发展趋势1 1 6 1 ： 1 ) 精简系统内核、算法。嵌入式产品的软、硬件结合非常紧密，为了降低功耗和成 本，需要根据实际应用需求对系统内核进行合理的剪裁，只保留和系统功能紧密相关的 软硬件，同时还需要改进和优化算法，提高代码质量。 2 ) 功能多样化、结构复杂化。实际应用要求在嵌入式芯片上集成更多的功能，如集 ，6 j e 京科技丈学硕士学位论文 成u s b , c a n b u s 等串行通信模块，加强对多媒体、图形等的处理能力，采用实时多任务 操作系统以满足性能和实时性方面越来越高的要求。 支持网络互连。为了适应网络发展的要求，必然要求在未来的嵌入式设备上提供 各种网络通信接口，如以太网，i e e e l 9 3 4 ，c a n 总线，b l u e t o o t h 等，甚至在设备上嵌 入w e b 浏览器，实现利用各种设备上网。 铆友好的人机界面。友好的人机界面是赢得用户支持和认可的重要手段，这就要求 嵌入式软件设计者在图形界面、多媒体技术上花更多的功夫。 1 _ 3 论文内容安排 论文全文共分6 章，各章的内容安排如下： 第一章绪论。主要介绍了国内外相关技术的研究现状和发展趋势，并阐述了本课题 研究的目的和意义。 第二章数据采集系统的总体设计。根据系统要实现的功能，首先确定了系统的设计 原则，进而构建了系统的总体框架。 第三章数据采集前端硬件设计。分别对组成数据采集前端的温度采集模块和振动采 集模块从设计思路入手对其硬件电路设计做了详细的说明。 第四章数据采集终端硬件设计。沿着功能和功耗这两条主线对组成系统终端的各硬 件单元分别进行了论述。 第五章数据采集系统软件设计。在这一章，着重介绍了操作系统的移植、文件系统 的构建以及通讯协议的完善。 第六章实验分析。为验证系统是否达到预期的设计效果，按预定的试验方法对本系 统进行了检验，并对实验结果进行了分析。 7 北京科技火学硕士学位论文 2 数据采集系统总体设计 2 1 系统设计原则 数据采集就是将被测对象的各种参量通过各种传感元件做适当转换后，再经信号调 理、采样、量化、编码、传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理或存储记录的过程。 其追求的主要目标有两个：一是精度，二是速度。对任何量值的测试都要有一定的精确 度要求，否则将失去采集的意义；提高数据采集的速度不仅仅可以提高工作的效率，更 主要的是可以扩大数据采集系统的适用范围，以便于实现动态测试f 切。具体到本系统， 有如下几个设计原则【1 8 ，1 9 】： 1 ) 数据采集系统的性能指标。数掘采集系统的性能要求与具体应用目的和应用环境 有着密切关系，对应不同的应用情况往往有不同的要求。主要有如下几个指标：系统分 辨率、系统精度、采样速率、动态范围以及非线性失真。其中系统分辨率是指数据采集 系统可以分辨的输入信号最小变化量。系统精度则是指系统工作在额定采样速率下，每 个离散予样的转换精度，其中模数转换器的精度是系统精度的极限值。 2 ) 便携与低功耗。本系统无论是需要在现场进行安装的数据采集前端还是作为手持 设备的数据采集终端，均需采用电池供电，同时对硬件的体积也有严格的限制，这就必 然涉及到便携和低功耗的设计要求。 3 ) 模块化。模块化在本系统中主要体现在软硬件的设计理念上。在硬件设计上，通 过采用自定义的传感器调理电路接口和可插拔的s d 卡存储器来实现。鉴于目前模数转 换器接口分为串行和并行两种，其中串行总线以s p i 总线居多。此外，数据采集终端的 微控制器自身也集成1 2 位的逐次逼近型模数转换器，故通过提供包含上述两种总线以及 微控制器模拟输入端口的接口，可以方便实现传感器调理电路的替换与升级。在软件设 计上，通过移植操作系统，提高代码的可重用性，来实现软件的模块化设计。 4 ) 可靠性。作为一个在工业场合应用的系统，特别是作为状态监测与故障诊断系统 原始数据的来源，其对可靠性的要求是不言而喻的。 5 ) 升级与维护。嵌入式系统的一个重要特点就是以应用为中心，软硬件可裁减，即 不同场合会有不同的需求，因此对软硬件进行相应的改动在所难免，而如何方便和快捷 地来实现，则是设计的一个很重要的指标。同样，在系统维护时，也会存在这样的问题。 2 2 系统总体设计 鉴于振动和温度是设备状态监测中常用的测量对象，采用无线通讯方式，选用相应 8 北京科技大学硕士学位论文 的传感器，设计了一个嵌入式数据采集系统。其系统结构图如图2 1 所示。 温度采集 模块 振动采集 模块 图2 1 系统结构图 系统采用星形的拓扑结构，各测点根据射频收发器n r f 9 0 5 中配黄的接收地址进行 标识。系统主要由三部分组成： 1 ) 温度采集模块i 瑚“。该模块主要用于温度采集，根据应用场合和性能要求的不同， 可以选用d s 6 2 0 和d s l 8 8 2 0 两种不同的温度传感器。其实物图见附录a 。在应用方面， 两者最主要的区别在于封装的不同，d s l 8 8 2 0 为直插的，而d s 6 2 0 为贴片，故后者在应 用上在很大程度上受到了限制，但其工作电压与模块其它器件的工作电压范围接近，从 而可以有效延长电池的工作寿命。模块功能结构如图2 2 所示。 id s l 8 8 2 0 | h m s b 4 3 0 f 1 3 5 h i 无线收发模块l i d s 6 2 0 l h 图2 2 温度采集模块结构图 9 北京科技大学硕士学位论文 2 ) 振动采集模块i 硐。本模块主要用于振动量采集。其实物图见附录a o 考虑到测 量环境对模块的体积要求，选用具有循环数字输出的微型传感器a d x l 2 1 0 e 。a d x l 2 1 0 e 除了可以以占空比的方式输出测量加速度外，还提供了模拟输出，从而可以根据采样频 率的高低选择不同的输出方式。此外，因为工业现场温度波动较大，为抑制温度漂移， 采用测量当前温度值的方式来进行温度补偿。同时为保证无线通讯的可靠性，系统扩展 了大容量的存储器n a n df l a s h 作为数据缓存器。其结构如图2 3 所示。此外，加速度采 集模块还可以选用压电加速度传感器，相对微加速度计而言，其具有安装方便、测量范 围宽等特点，因其功能与数据采集终端重合，故在此不再赘述。选用压电传感器时，其 自身的重量、调理电路的复杂度在某些方面会限制其应用范围。 图2 3 振动采集模块结构图 3 ) 数据采集终端网。数据采集终端不但可以通过无线通讯方式获取温度和加速度模 块采集的数据，而且可以作为一个独立的手持测振仪采集振动量。其实物图见附录b 。 其硬件按照模块化设计原则分为传感器调理电路和控制核心两部分。传感器调理电路负 责压电加速度传感器输出信号的放大、滤波、模数转换，而控制核心则负责信号的存储、 人机交互和数据传输。其结构如图2 4 所示。 系统工作原理如下：本系统针对不同的场合，有两种数据采集实现方式。对于方便 测量的测点，数据采集终端可以独立作为手持测振仪工作，实现测量信号的采集、显示 和存储。在工业场合，尤其是冶金行业，更多的情况是，当设备处于工作状态，为安全 起见，人员是不能接近的。这时如采用传统的有线传输方案，则需要将传感器与数据采 集器通过较长的信号线连接起来，- - n 布线困难，- - n 极大地增加了信号被干扰的可能 性。针对上述情况，本系统可选用将前端数据采集模块安装在测点位置，通过无线方式 将采集的数据发送到数据采集终端的方案。 1 0 北京科技大学硕士学位论文 图2 4 数据采集终端结构图 2 2 1 短距离无线通信方案 随着大规模集成电路技术的发展，单片数字信号射频收发芯片应用越来越广泛。目 前常见的无线收发芯片如表2 1 所示。本系统主要应用于工业现场的温度、加速度信号 采集，因此从经济性、传输距离和通讯速率、功耗等角度综合考虑，选用单片无线收发 芯片n r v - 9 0 5 。 表2 1 常见无线收发芯片 型号工作频段最高速率最大发射功率 工作电压 l l l u 砷54 3 3 8 6 8 9 1 5 m h z 1 0 0 k b p s + 1 0 d b m1 9 o 6 v n r f 2 4 0 12 4 g h z 1 m b p s 0 d b m 1 9 0 6 v c c l 0 0 03 1 5 ，4 3 3 8 6 8 9 1 5 m k 7 6 8 k t i , s + 1 0 d b m2 1 以6 v c c l l l 0 3 1 5 4 3 3 8 6 8 9 1 5 m h z 5 0 0 k b p s + 1 0 d b m2 0 6 v n r f 9 0 5 是n o r d i c v i s l 公司推出的单片无线收发器。采用g v s k ( g a u s s i a n f r e q u e n c y s h i f tk e y i n g ) 调制解调技术，收发模式为s h o c k b u r s t t m ，适用于低功耗场合，具有载波监 听功能，能有效防止r f 传输碰撞，数据传输速率高达1 0 0 k b p s ，输出功率可调，最大输 出功率为+ 1 0 d b m ，接收灵敏度高达1 0 0 d b m 。使用s p i 串行可编程接口协议与微控制器 进行通讯。数据发送时，n r f 9 0 5 可以自动将数据打包，自动加前同步码、目标地址和 c r c 校验码；接收时，自动去掉前同步码，自动检查地址是否匹配并进行c r c 校验， 若校验无误则产生中断信号告知单片机读取数据，因此n r f 9 0 5 不仅是一个无线收发的 1 1 北京科技大学硕士学位论文 物理层模块，而且集成了m a c 层的简单协议闭。 在本系统中，n r f 9 0 5 作为一个模块，通过一个1 6 针的i d c 接口与控制电路连接， 从而可以根据需要进行裁减。其电路原理如图2 5 所示。t r x _ c e 为芯片接收和发送使 能管脚，t x e n 为收发状态选择管脚，p w r _ u p 为工作状态控制管脚，通过控制这三个 管脚的电平即可选择n r f 9 0 5 的工作模式。m i s o 、m o s i 、s c k 以及c s n 为s p i 总线接 口，d r 为接收或发送就绪，当n r f 9 0 5 成功接收一数据包时，其输出高电平。 图2 , 5n l 疆9 惦接口电路原理图 2 2 2 嵌入式微控制器选型 目前市场上微控制器主要以8 位、1 6 位和3 2 位为主。其中符合本系统基本设计要 求的典型产品分别为a v r 、m s p 4 3 0 、a r m 7 系列。本系统从功能需求、功耗、开发成 本、性价比等诸多因素考虑，选定m s p 4 3 0 作为温度采集模块和数据采集终端的微控制 器，选定a t m e g a l 6 l 作为加速度采集模块的微控制器。 m s p 4 3 0 系列单片机是美国德州仪器生产的一种1 6 位超低功耗的混合信号处理器。 主要有如下特点【硐： 1 2 北京科技大学硕士学位论文 1 ) 超低功耗。工作电压为1 8 弓6 v ，采用独特的时钟系统设计，功能模块可以在指 令的控制下打开或关闭，用中断请求将c p u 唤醒只要断s ，共有一种活动模式和5 种低 功耗模式。总体而言，m s p 4 3 0 单片机堪称目前世界上功耗最低的单片机。 2 1 强大的处理能力。采用目前流行的、颇受学术界好评的精简指令集0 i a s c ) 结构， 在同样的指令速度下，1 6 位处理器比8 位处理器在运算性能上高远不止两倍。此外，某 些型号采用了一般只有d s p 才有的1 6 位多功能硬件乘法器、硬件乘加功能、d m a 等一 系列先进的体系结构。 高性能模拟技术及丰富的片上外围模块。结合1 r i 的高性能模拟技术，各成员都 集成了较丰富的片内外设。m s p 4 3 0 f 1 6 1 1 具有如下功能模块：看门狗、模拟比较器、定 时器、串口、硬件乘法器、1 2 位a d c 、1 2 位d a c 、1 2 c 总线、d m a 等。 钔系统工作稳定。上电复位后，首先由d c oc l k 启动c p i j ，以保证程序从正确 的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄 存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。 研方便高效的开发环境。采用f l a s h 技术、j t a g 调试、集成开发环境结合的开 发方式，具有方便、廉价、实用等优点。同时采用b o o t s t r a p 技术，利用它可在保密 熔丝烧断以后，只要几根硬件连线，通过软件口令字，就可更改并运行内部的程序，这 为系统固件的升级提供了又一方便的手段。 对于数据采集终端，考虑到移植c 徊s - 操作系统对r a m 的需求，故选用具有1 0 k 字节r a i d 的m s p 4 3 0 f 1 6 1 1 作为控制器。对于温度采集模块，考虑到其功能简单，仅涉 及到几种串行总线，同时为方便在某些特定场合采用模拟温度传感器，如温度超过目前 所选的两种温度传感器所能测量的范围，故选用价格较为低廉且集成1 2 位模数转换器的 m s p 4 3 0 f 1 3 5 。对于加速度采集模块，考虑到n a n df l a s h 存储器的读写特点，以及为提 高加速度计a d x l 2 1 0 e 采用占空比方式输出时的测量精度，选用工作电压范围为 2 7 - 5 5 _ v i ”，且具有1 k 字节s r a m 的a t m e g a l 6 l ( m 1 。 2 2 3 嵌入式操作系统选型 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件。它是嵌入式系统极为 重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通 信协议和图形界面等。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理 越来越复杂的系统资源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维 护中解脱出来：能够提供库函数、标准设备驱动程序以及工具集等。与通用操作系统相 比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的 1 3 北京科技大学硕士学位论文 专用性等方面具有较为突出的特点闭。 嵌入式系统的应用环境十分特殊，故选型时考虑的问题较多，大致主要注意以下几 个方面： 1 ) 操作系统的硬件支持。是否支持目标硬件平台。如果在此之前已经确定了嵌入式 微处理器，可以立即把不支持这款微处理器的操作系统从候选名单中排除。可移植性。 可移植性即操作系统相关性。当进行嵌入式软件开发时，可移植性是要重点考虑的问题。 因为具有良好可移植性的软件可以在不同平台、不同系统上运行，跟操作系统无关，但 软件的通用性和软件的性能通常是矛盾的。 2 ) 开发工具的支持程度。选择实时操作系统时必须要考虑与之相关的开发工具。在 线仿真器i c e 、编译器、汇编器、连接器、调试器以及模拟器等不同程度影响着操作系 统。有些在线仿真器供应商提供其i c e 与实时操作系统接口的软件。检查一下在线仿真 器是否能与实时操作系统协同工作，这在调试那些最隐蔽的小错误时是很有用的。然而， 重要的是要了解在线仿真器的操作对性能的影响。同时，要考虑到的一个问题是这种实 时操作系统与使用的编译器要能够兼容。 卸能否满足应用要求。主要考虑操作系统性能的要求、标准兼容性以及技术支持这 几个方面。 本课题主要对嵌入式系统操作系统的应用进行研究，所以适合本课题的嵌入式系统 应有如下要求：首先，要求免费。第二，本系统是一个多任务系统，要求嵌入式操作系 统必须支持多任务，同时内核要小。第三，容易移植，如果移植占有大量的开发时间， 就失去了本课题的意义。 g c o s - i i 是源代码公开的嵌入式实时操作系统，绝大部分源码使用a n s i - c 编写， 可移植性较强，而与微处理器相关的那部分是用汇编语言写的例。汇编语言写的部分已 经压到最低限度，使得其十分方便移植到其他微处理器上。它以其内核精巧、支持多任 务管理、支持占先式任务调度、可移植性强、内核可裁剪等特点非常适合本课题的研究。 其软硬件体系结构如图2 6 所示。 核心部分( o sc o r e c ) ：该部分是操作系统的处理核心，包括操作系统初始化、操 作系统运行、中断进出的前导、时钟节拍、任务调度、事件处理等多部分。能够维持系 统基本工作的部分都在这里。 任务管理部分( o st a s k o ：任务处理部分中的内容都是与任务的操作密切相关的。 包括任务的建立、删除、挂起、恢复等等。因为m c o