（控制科学与工程专业论文）列尾无线风压监测系统的研究设计.pdf

摘要 传统的列车制动试风测试由工作人员携带对讲机和机械压力表 到列车尾部的指定位置量取压力，然后通过对讲机向中心口述报告测 量情况，观察结果不能存储备查。为提高列检试风设备技术水平，适 应长大列车列检试风作业要求，需要研制开发列车试风尾部智能风压 实时监测系统。这对于加强列检安全监控，确保行车安全，适应列车 提速重载有着重要的意义。 本文基于m s p 4 3 0 系列单片机主要研究了以低功耗实现风压数 据无线监测的关键技术，研制了一种便携式风压数据自动采集记录装 置。分析了系统低功耗设计的一般原则和实现方法，并结合实际应用 需求，从系统的硬、软件方面进行了针对性的低功耗设计。系统外围 扩展了f l a s h 存储器以增强系统存储实测数据的能力、提供了实时 时钟芯片以便于对实时数据记录和查询。为了进一步降低功耗并提高 数据存储能力，本文根据系统硬件资源确定了一种适用于本系统的改 进l z s s 数据压缩算法。为增加系统的稳定性且达到实时检测的能力， 在硬件架构上移植p c o s l i 操作系统，可实现实时多任务操作。风 压终端与监控中心的数据传输是通过串行外围设备接口( s p i ) 连接 m s p 4 3 0 与无线通信模块p t r 8 0 0 0 ，可以保证数据传输的可靠性。 本文提供了一种符合铁路标准要求的智能列尾风压无线监测实 用技术方案，该方案能保证列车试风实验稳定、可靠、准确。本文中 提出的实时解决方案、选定的数据压缩算法和降低系统功耗的措施以 及无线传输技术等关键技术能使监控中心遥控终端，同时使便携式的 终端能够适应现场恶劣环境，在满足铁路需要的同时也能工作在其他 工_ 芝场合。 关键词无线风压测量，低功耗设计，m s p 4 3 0 单片机，实时监测， 数据压缩 a bs t r a c t t r a d i t i o n a l l y ，t h er e a ra i rp r e s s u r ed a t ao ft r a i na i rt e s t i n gi nr a i l w a y s t a t i o ni sf e t c h e dm a n u a l l yb ym e c h a n i c a lm a n o m e t e ra n dr e p o r t e dt o m o n i t o r i n gc e n t e rb yi n t e r c o m t h ea i rp r e s s u r e d a t ac o u l dn o tb e p r e s e r v e da n dt h et e s t i n gi sn o tb ei m p l e m e n t e da u t o m a t i c a l l y i no r d e rt o i m p r o v et h ea i rb r a k et e s t i n go nt r a i n ，i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pa n i n t e l l i g e n tr e a l a i rp r e s s u r er e a l - t i m em o n i t o rs y s t e m ，w h i c hi ss i g n i f i c a n t t oe n h a n c i n gt h es a f e t yo ft r a i ni n s p e c t i o n ，e n s u r i n gt h es a f e t yo ft r a i n d r i v i n ga n da d a p t i n gf o rr a i s i n gs p e e da n dl o a d i n gh e a v i l y t h i st h e s i sw o r k so nt h ek e yt e c h n o l o g ya b o u tu l t r a - l o wp o w e rt r a i n a i rp r e s s u r ed a t aa c q u i r i n gs y s t e mb a s e do nm s p 4 3 0m i c r o - c o n t r o l l e r a n dd e v e l o p sap o r t a b l et r a i n a i rp r e s s u r ed a t aa c q u i r i n ga n dr e c o r d i n g d e v i c e t h et h e s i sg e n e r a l l ya n a l y z e st h ep r i n c i p l ea n di m p l e m e n t a t i o n a b o u tu l t r a - l o wp o w e rd e s i g n t h eu l t r a - l o wp o w e rd e s i g n i n go nt h e r e q u i r e m e n to ft h es y s t e mi sa c h i e v e di nt h et h e s i s i nt h es y s t e m ，o n e f l a s hm e m o r yi sa d d e dt oe n h a n c et h ed a t as t o r a g ec a p a b i l i t ya n do n e r e a l t i m ei ci ss u p p l i e df o rc h e c k i n gu ph i s t o r yd a t a i no r d e rt of u r t h e r r e d u c ep o w e ra n de n h a n c ed a t as t o r a g ee f f i c i e n c y , t h ea i rp r e s s u r ed a t ai s c o m p r e s s e da n dt h er t o s t c o s i ii st r a n s p l a n t e dt os y s t e m ，w h i c h c o u l dr e a l i z em u l t i t a s ko p e r a t i o n ，f o ri m p r o v i n gs y s t e m ss t a b i l i t ya n d m a k i n ga i rp r e s s u r et e s tm o r er e a l t i m e u s i n gs p ib u st o c o n n e c t p t r 8 0 0 0w i r e l e s sm o d u l e ，t h em s p 4 3 0 f1611m i c r o - c o n t r o l l e rc o u l d c o m m u n i c a t ew i r e l e s s l y , w h i c hg u a r a n t e e sar e l i a b l ed a t at r a n s m i s s i o n t h et h e s i s p r e s e n t sap r a c t i c a lt e c h n i q u es c h e m ea b o u tw i r e l e s s i n t e l l i g e n tr e a ra i rp r e s s u r em o n i t o rs y s t e m t h et e c h n i q u es c h e m ec o u l d s a t i s f yr a i l w a ys p e c i f i c a t i o na n dc o n f i r mam o r es t a b l e ，r e l i a b l ea n d a c c u r a t er e a l a i rp r e s s u r et e s t i n g t h er e a l t i m es c h e m e ，d a t ac o m p r e s s i o n a l g o r i t h m ，l o wp o w e rd e s i g na n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u eu s e d i nt h es y s t e mc o u l dm a k et h em o n i t o rs y s t e mt o s a t i s f yr a i l w a y s p e c i f i c a t i o na n dt ob ec o n t r o l l e dr e m o t e l yi nh a r de n v i r o n m e n t , a sw e l l a sa d a p tt oo t h e ri n d u s t r i a lo c c a s i o n s k e yw o r d sw i r e l e s st r a i na i rp r e s s u r et e s t ，l o wp o w e rd e s i g n ， h m s p 4 3 0m c u ，r e a l t i m em o n i t o r ，d a t a c o m p r e s s i o n i i ! 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者日期：丝量年丛月盟日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者 1 旷_ p 一 师签名望【l ：鳓期：丝年上月扯f 硕士学位论文篇章绪论 1 1 本课题的研究背景 第一章绪论 列车的制动原理来源于1 0 0 多年前的空气制动机。其原理可以概括为：增压 缓解、减压制动。机车风泵产生压缩空气并送往机车的总风氟，再使阑嚣在基础 制动装置作用下离开车轮踏面，车辆缓解；制动主管压力下降，然后副风缸储存 的压缩空气经三通阀进入制动缸，车辆制动i h 。 通常铁路上都以列车试风实验作为检验列车制动性能的重要手段。试风就是 在捌车出发翦对空气裁动枫制动作用进行实验的蒿称，它是列车出发翦螫须执行 的一项作业。当一趟列车编组以后，在发车前机车乘务员总要配合列检人员进行 风压实验。有时列车在车站停留时间过长，般超过2 0 分钟或更换机车后，列 车出发前也要试风，试风的目的是为了铁路运输的安全。因为列车载重量很大， 运行速度快，因此在运行中的动能很大，为了使列车到站或遇到紧急情况下及时 减速或停车，以防止列车譬进、冲突和人身伤亡事故的发生，就得保证列车有正 常的制动作用1 2 j 。 过去试风实验完全采用手动控制，不但精度不能保证，而且劳动强度很大。 近些年来逐步开始采用微机测量和控制。但现有的大部分系统采用计算机加各种 接露板卡的结构方式，现场操作人员通过对讲橇将实验数据通过口述方式传送给 实验中心。这样的系统可靠性、耐用性及智能化、自动化程度都不够高。 随着科技的发震，对列车试风监测系统的要求也在逐步提高。现代试风工具 一般由传感头、信号调理电路、微控制器、通信模块以及其他外围存储器等模块 组成。首先要用压力传感器对风压数据进行寅时采集并转化为电信号，对电信号 进行滤波、d 转换等信号调理，得到的数字信号再通过总线或无线的传输方式 将数据传回试风室以确定列车制动系统是否正常，其中试风实验包括充风、泄露、 感度、安定四个过程。监测系统还能够提供实时时钟，天气状况等信息，试风室 通过信息能够对监测系统进行指挥”l 。 硕士学位论文 第一章绪论 1 2 风压监测系统研究目的及意义 本文研究系统为广铁集团横向科研项目，研究的目的在于使列尾风压监测系 统能满足在铁路工作的要求，即满足以下几个特性。 可靠性：列车试风在室外进行，要使系统在现场作业时能抗干扰、抗高温、 抗腐蚀。 准确性：在终端采集风压过程中，会受到各种频率信号的干扰，要对电压信 号进行调理。风压数据量大而存储器容量有限，减少实时数据传输可以降低功耗， 因此采取压缩算法对风压数据进行压缩。准确度是指对数据的压缩及压缩后数据 在监控中心能够还原。 实时性：通常单片机系统的软件采用前后台式的设计方法，前台是一个无限 循环，后台是中断程序，处理异步时间。这种设计使得中断得不到及时响应，任 务多时会降低系统的可靠性，而且各任务间信息交换困难。对于植入了实时操作 系统( r t o s ) 的多任务实时操作软件能克服这些困难。 耐用性：低功耗体现在硬件与软件上的结合，它的实现能增加系统的寿命， 且对终端充电能增加终端的灵活性。 智能化：终端能根据传感器提供的信号自动检测是否为风压信号，若所采集 到的不是风压信号能自动进入节能状态。 风压采集终端和监控中心构成监控系统，作为试风实验的工具，对列车风压 监测系统的研究对保证列车安全有着十分重要的意义。要提供符合铁路标准要 求的列尾风压无线监测技术，实现经久耐用的智能风压监测系统，以保证在列车 试风实验中能可靠、准确、实时地自动获取风压数据，并有利于安全管理。 1 3 关键技术的研究现状 1 3 1 列车试风工具的发展历程及现状 几年前出现了一种列车风压检测系统进行试风实验，它采用r s 4 8 5 总线或 c a n 总线等有线方式进行数据传输。这种系统灵活性较差，且不能应用于货场 在临时编组车辆后进行的列车风压测试，由于采用工控机及c a n 总线传输，故 只能在列车内部进行传输，不能将数据传回试风室【5 1 。 2 硕士学位论文 第一章绪论 最近的一种列车风压监测系统由便携式无线移动风压测量仪和控制终端两 部分组成。移动风压测量仪包括压力传感器、手持电台和无线m o d e m ，控制终 端则包括无线m o d e m 、串行通道和控制模块。该系统采用t d x 2 2 0 0 0 专业无线 数传模块构成数据传输链路，利用串口复用方法在一条通信链路上与试风室的 p c 机实现数据与控制指令的双向传输。这种系统具有结构简单，数据存储方便 等优点。由于其采用传统的5 l 单片机进行控制，且传感器和无线模块耗电量大， 不能达到低功耗的目的 4 1 ，单次使用时间很短，不适应高密度作业的需求。 目前又出现了一种基于g p r s ( 通信分组无线业务) 通信网络的无线风压采 集系统，该系统由手持式风压测量装置群、地面数据中心等组成，具有建网方便、 一次性投资少、实时在线、快捷登录、高速传输、切换方便等优点。该系统按 g s m 短消息方式实现主动上报，短信息是按条收费，运行费用高，在节假日短 消息中心服务器繁忙时延时相当长，难以保证无线监测的实时性。 以上进行试风实验的监测系统存在操作不方便、测量精度不高、使用时间较 短、成本较高、实时性不好、系统不可靠等缺点。针对以上不足之处，本文提供 的设计方案在继承以上方案优点的同时，采用精度较高的压力传感器，还根据现 有的新技术做了改进，新技术在硬件之上加入操作系统以提供实时性和可靠性， 用数据压缩算法压缩提高传输的效率并降低功耗，还利用无线传输技术使工作现 场免于布线等，以下对这些技术的现状做了简介。 1 3 2 嵌入式系统发展历程及现状 近年来，随着嵌入式系统在通讯、网络、消费类电子、工业控制、汽车电子、 航空航天等行业的成功应用，使得嵌入式软硬件及技术获得了极大的发展。嵌入 式系统主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统等几部分组成。 其发展经历了以下四个阶段。 l 、以单片机为核心的可编程控制器形式的系统。 2 、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。 3 、以嵌入式操作系统为标志的嵌入式环境。 4 、以i n t e m e t 为标志的嵌入式系统。 嵌入式系统发展的同时，嵌入式软件设计也在向软件平台靠近，单片机软件 设计不再是单一线程结构方式，而是逐步采用多任务的设计思想。实时内核也称 为实时操作系统即r t o s 。这是一种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，以及提供多任务管理等功能的稳定、安全的软件模块 集合。它使得实时应用程序的设计、扩展和维护变得更容易，不需要大的改动就 3 硕士学位论文 第一章绪论 可以增加新的功能。通过应用程序分割成若干个独立的任务，r t o s 使得应用程 序的设计过程大为简化。 国外有很多嵌入式操作系统，如v x w o r k s ，w i n c e ，p s o s ，l i n u x ，u c o s ， d e l t a o s 等。国内也有同类产品：北京凯思吴鹏的h o p e n 、中科院计算所的e e o s 、 西安易捷的e j e o s 、广州博利思的嵌入式p c l i n u x ，p e n c i l ，渐大的h b o s 等。 如今嵌入式操作系统不仅能用于a r m ，随着单片机的性能提高。为实现实 时多任务，很多单片机也嵌入了操作系统 6 1 ，如在5 l 单片机上和m s p 4 3 0 单片 机上嵌入u c o s 等。 1 3 3 数据压缩方法的发展历程及现状 数据的压缩方法和技术的研究已引起了普遍的关注，在采集系统中进行数据 压缩对于信号的处理、存储和传输等诸多方面，都具有非常重要的实际意义。 关于数据压缩的研究开始于四十年代初形成的信息论。早期信息论研究的内 容之一是在己知消息中各符号出现的概率时，设法构造一种编码方法使该消息所 占用的存储空间尽可能少。随着计算机技术的飞速发展，对数据压缩算法的研究 也不仅仅局限于信息论中有关信源编码的范畴，数字图像信号、语音信号的分析 处理、遥测数据压缩技术被大量的引入到有关的研究领域： 数据压缩主要分为两大类，即有损压缩和无损压缩。无损压缩包括霍夫曼编 码、算术编码、游程编码、l z 编码；有损压缩包括预测编码、量化、变换编码、 多分辨率编码、模型基编码、分形图像编码，其中预测编码包括差分脉码调制、 非线形预测，线形预测、运动补偿；量化包括标准量化。矢量量化、块截断编码； 变换编码包括离散余弦变换、k - l 变换、离散哈德码变换、离散斜变换；多分辨 率编码包括子带编码、小波变换编码、金字塔编码1 7 1 。 1 3 4 无线通信技术的发展现状 近年来无线通信技术发展迅猛，其发展速度与应用领域已经超过了固定通信 技术。其中蜂窝移动通信从上世纪8 0 年代出现到现在，已经发展到了第三代移 动通信技术，目前业界正在研究面向未来第四代移动通信的技术；宽带无线接入 也在全球不断升温，近几年来我国的宽带无线用户数增长势头强劲。 另一条发展主线是短距离无线通信技术，短距离无线通信技术的范围很广， 只要通信收发双方通过无线电波传输信息，并且传输距离限制在几十米以内的范 围内就可以称为短距离无线通信。短距离无线通信技术的特征是低成本、低功耗、 4 硕士学位论文 第一章绪论 对等通信。终端之间对等通信，无须网络设备进行中转，因此空中接口设计和高 层协议都相对比较简单，无线资源的管理通常采用竞争的方式。高速短距离无线 通信技术包括高速w p a n ( 无线个人域网) 技术；u w b ( 超宽带技术) 高速无 线通信技术和w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ，无线高保真) ，其中u w b 覆盖了m b o f d m ( 多波段正交频分复用) 、d s u w b ；w i r e l e s s u s b 等技术。低速短距离无线通 信则覆盖了低速w p a n 技术、b l u e t o o t h ( 蓝牙) 、z i g b e e 、r f i d ( 电子标签) 等。这些短距离无线通信的成果已经在各个方面得到了应用l s 】。 1 4 本文研究内容及论文结构安排 本文研究课题系广铁集团横向科研项目，列车试风实验要求终端对所采集的 风压数据能够准确反应列车的刹车制动系统情况，智能化及低功耗技术能够使工 作人员操作方便，使用寿命增加。并能够适应现场恶劣环境，达到防水、防震等 功能和高可靠性技术要求。 为实现列尾风压监测系统的基本功能，同时满足智能化、低功耗、实时性、 透明传输等特点，本文从以下几个方面做了研究。 首先本文结合列车风压实验的相关理论和嵌入式系统技术设计了系统的框 架结构，并利用硬件平台对现场进行了风压采集和高频信号测试。为使系统能够 在所设计的硬件平台实时、智能、稳定地运行，本文在硬件平台上移植了 l a c o s i i 操作系统，并测试了移植效果。同时在操作系统之上开发了符合多任 务的软件。 为了减少终端的数据存储负担和提高监测数据无线传输的实时性、降低无线 传输的功耗，本文提供了一种l z s s 和游程编码结合的数据压缩算法，该算法适 合于存储单元有限的单片机系统。 为使系统有足够的电能，以使得系统对实测数据能可靠保存，并且延长其有 效工作时间，本文对风压采集终端进行了硬件和软件结合的低功耗设计，分析计 算了风压终端各模块和总体的功耗，确保了列尾风压监测系统的低功耗运行要 求。 。 本文后续章节主要内容安排如下： 第二章：系统的硬件设计。首先对系统的总体框架做了介绍，随后分析了硬 件各个部分的原理及在本次设计的应用，包括分压采集模块、信号调理模块、信 号控制模块、以及数据传输模块。 第三章：系统的软件设计。首先对r t c o s i i 在m s p 4 3 0 单片机中的移植做 5 硕士学位论文第一章绪论 了详细讲解并对移植后的系统做了运行实验，然后给出了各部分程序的流程图。 第四章：数据压缩算法。对各种无损压缩算法的思想及流程做了介绍，针对 实际情况并多方比较，对l z s s 编码和游程编码做了改进，提出了适合与本系统 的无损压缩算法。 第五章：系统的低功耗设计与分析。首先介绍了实现低功耗的意以及低功耗 的一般应用。然后提出了实现低功耗的硬软件相结合的实现方法，最后对本系统 进行了总功耗分析、计算，表明系统能达到了较低的功耗水平。 6 硕士学位论文第二章系统的硬件设计 第二章系统的硬件设计 2 1 风压监测系统的结构 无线风压实时监测系统由风压采集终端和监控中心两部分组成，风压采集终 端是典型的数据采集系统，监控中心控制并接收终端传输的数据。两者协同工作 来监视每趟列车的制动系统是否正常，同时保存数据以便以后查询。终端和监控 中心的整体结构，信号传输方向如图2 1 所示。 无线传输模块 监控中心 端 图2 - 1 风压系统结构图 风压采集终端用于铁路现场工作。由压力传感器、信号调理电路、信号控制 模块、无线传输模块、存储器模块、时钟模块等组成。压力传感器采集风压数据 后，经过放大器放大，滤波后进行a d ( 模拟数字) 转换，然后单片机把数据进行 压缩，通过实时时钟模块得到实时时间，再存入数据存储模块。当接收到监控中 心的命令时，通过无线传输模块把数据发送到监控中心。 除了风压采集终端外，还需要一个监控中心收集终端所采集的数据。监控中 心由微控制器和无线传输模块组成，无线模块接收终端发送经过压缩后的风压数 据，然后由微控制器对数据进行解压缩，再通过串口把数据传输给p c 机。 7 硕士学位论文筇二章系统的硬件殴计 无线风压数据采集系统能够对分布式环境中的数据进行采集、处理以及管 理。要求在数据采集处理过程中充分考虑数据的完整性，可靠性、准确性、实时 性及使用性能、寿命和独立性。 风压终端的实物图如图2 - 2 所示。外壳采用铝合金材料，能够完全密封防水， 经检验能工作在恶劣的环境。无线通信模块及天线需要在工作中用s p i 接口引出 来，其中指示灯颜色能够反应终端的工作状态。该终端操作简便，只需把它的接 口同列尾风压接【 相接便可自动上作。 图2 2 风压采集终端实物图 2 2 压力传感器及信号调理电路 2 2 1 压力传感器的原理及功能 压力膜片传感器主要由金属膜片和在膜片上粘贴的或者通过溅射工艺制作 的电阻应变片构成，电阻应变片将被测压力导致的膜片的力应变变化转换成应变 片的电阻变化，从而使加在电阻上的电压发生变化。一般情况下，应变片在受力 时产生的阻值变化较小，通常将这些应变片按电桥方式接线组成电阻应变电桥， 并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路( 通常是a d 转换和 c p u ) 显示或执行机构。 电阻桥的原理图如图2 3 所示。由于应变基体的应变发生变化，粘贴在其上 的电阻应变片的电阻值也随之变化，受拉的电阻应变片电阻值增加，而受压的电 阻应变片电阻值减少，把四个电阻应变片组成一个电桥，这便成为差动电桥。 硕士学位论文第二章系统的硬件设计 图2 - 3 电桥原理图 受力时，四个电阻的变化值分别为a r l ，a r 2 ，a r 3 ，a r 4 ，输出电压u 为： u ：一墅生汐。 r i + a r i + 恐一a r 2 4一鱼二垡玑 玛+ a r 3 + 凡一a r 4 4 ( 2 1 ) 若r i = r 2 = r 3 = r 4 和a r l = a r 2 = a r 3 = a r 4 ，则有： u ：墨笔堕一鱼三鱼：丛以 ：r 2 马 4 2 蜀 4 j4(2-2) 风压系统采用的压力传感器是带温度补偿的压力传感器，测压范围为 0 - - , l m p a 。在较宽的温度范围( 4 肚8 5 0 c ) 内有理想的温度补偿效果。由于温度 和环境原因，应变桥在无压力作用时会发生零点飘逸现象，为避免零飘的发生， 在上图的基础上加了电阻平衡调节装置。其内部原理图如图2 4 所示。 b 图2 - 4 压力传感器电桥原理图 电桥中具有电阻平衡和电容平衡调节装置。当温度变化时，差动电桥各桥臂 电阻的电阻值不可能完全相等，连接各电阻的导线也不可能完全相等，为了使电 桥电阻平衡，压力传感器在桥路中加电阻平衡调节装置。在a c 之间连接了多圈 电位器r b 和电阻r s 组成，r b 是电阻桥平衡旋钮，并联在电阻相邻桥臂上，滑 动点串联一大电阻r s 后接于b ，当环境变化时，调节r b 改变b a 和b c 电阻比 例，使电桥满足平衡条件，平衡的范围取决于r s 值【9 】。四个桥臂电阻均为2 k q ， 预调平衡范围为电阻值的0 9 ，允许桥臂电阻值相差1 8 q ，则： a r = r r 胎( r + 船) = 1 8 q ( 2 3 ) 将r = 2 k 入上式，解出r s = 2 2 0 k o 。 9 硕士学位论文 第二章系统的硬件设计 2 2 2 信号调理电路及供电电路 压力传感器的耐压范围是o l m p a 、输出灵敏度是1 5 m v ，在供电电压为 5 v 的情况下，则电压输出范围是o 7 5 m v 。m s p 4 3 0 f 1 6 1 1 的a d c 提供精确的 o 2 5 v 输入。为了使输出电压达到m s p 4 3 0 f 1 6 1l 的输出标准，需要对原始电压 信号进行放大。 a d 6 2 3 是一个集成单电源仪表放大器，它能在单电源( + 3 1 2 v ) 下提供满电 源幅度的输出，a d 6 2 3 允许使用单个增益设置电阻进行增益编程，以得到良好 的灵活性。在无外接电阻的条件下，a d 6 2 3 被设置为单位增益；外接电阻后， a d 6 2 3 可编程设置增益，其增益最高可达10 0 0 倍。a d 6 2 3 通过提供极好的随增 益增大而增大的交流共模抑制比似cc m r r ) 而保持最小的误差，线路噪声及谐 波将由于共模抑制比在高达2 0 0 h z 时仍保持恒定而受到抑制。虽然a d 6 2 3 在单 电源方式进行优化设计，但当它工作于双电源( 2 5 v 6 y ) 时，仍能提供优良 的性能。低功耗、宽电源电压范围、满电源幅度输出1 1 0 1 。 设a d 6 2 3 的输入电压为v e ，输出电压为v o ，则根据以下公式计算。 ：il + 了1 0 0 k f 2 | i ( 2 4 ) 差分电压通过输出放大器转变为单端电压，6 脚的输出电压以5 脚的电位为 基准进行测量。基准端( 5 脚) 的阻抗是1 0 0 k f 2 。在靠近电源引脚处加去耦电容 c 4 和c 5 。去耦电容c 4 选用o 1 f 的瓷片电容，c 5 选用1 0 0 1 a f 的钽电解电容。 r g 的阻值由放大倍数决定。电压的输入范围是o 7 5 m v ，输出范围是a d 转换的基准值毗5 v ，放大倍数为5 0 ，电阻值取整数为2 k q ，放大电路的原理 图如图2 5 所示。 2 k r l 图2 - 5 信号放大电路 1 0 硕士学位论文第二章系统的硬件设计 如上图，j 2 的l 、2 口分别提供传感器的正、反相输入，3 口接地，4 口为 提供给传感器的电源。c 1 ，c 2 ，c 3 为高频滤波电容，在j 1 输出端，1 口为提供 给单片机的电源，2 口接地，3 口为经过放大后的电压信号，直接接于 m s p 4 3 0 f 1 6 1 l 的a o 口。 系统需要两种规格的电源，传感器的供电电压为5 v ，以提高电压输出灵敏 度。其余器件的供电均为3 3 v 。锂电池工作电为3 3 v 。为提供稳定的5 v 电压， 需要电压转换芯片把3 3 v 转换为5 v 。 图2 - 6 压力传感器供电电路 m a x 6 6 0 是一种开关电容电荷电压转换器，也可用作电压加倍器。当用作 电压转换器时可将1 5 v 到5 5 v 的正电压转化为相应的负电压。用作电压加倍器 时可将1 5 v 到5 5 v 的正电压放大一倍。在本系统中m a x 6 6 0 用作电压加倍器， 只需要搭配两个低价电容器。 3 3 v 电压进入m a x 6 6 0 后使电压变为6 6 v 由v i n 输出，然后输入m a x 6 6 6 的v i n 。通常在便携式智能仪表中，在信号采集与放大电路，a d 转换电路中， 要求仪表电源系统能够提供多种形式且高度稳定的直流电压。例如高低直流电压 和正负极性直流电压等，另一方面这些仪表使用锂电池供电，希望电源系统本身 功耗极低，使用三端稳压器件和变频技术或分立元件构成的变换电路已经不能满 足要求，因此本系统选择m a x 6 6 6 。 m a x 6 6 6 是一种新型微功耗直流电源控制器，它需要的外围元件少，功耗 低，效率高，利用它可以方便地组成多种直流电源变换电路。m a x 6 6 6 有两种 输出模式，种是固定+ 5 v 输出，输出电压的反馈信号由片内分压器中点引入 误差放大器的反相端；另一种是1 5 v 1 5 v 的可调输出。此时，输出电压的反馈 信号由片外电阻分压器从v s e t 端引入反相输入端。在本系统中使用前一种方案 给压力传感器供电，在v o u t 端输出+ 5 v 。 硕士学位论文第二章系统的硬件设计 测量部分的电源，也即给传感器的供电电压是直接影响测量精度的一个重要 因素。这里采用m a x 6 6 6 产生5 v 电压提供给传感器电桥，m a x 6 6 6 的输出电 压稳定度可达0 2 。由于对传感器已作温度和零点补偿，非线性误差可以采用 软件校正，而后续a d 转换( m s p 4 3 0 f 1 6 l l 内含1 2 位a d c ) 的误差小于0 1 ， 因此综合考虑测量模块中的主要误差因素可得知系统的测量误差不超过o 5 ， 低于系统实际要求的l 。 2 3 主控电路的设计及应用 要使系统的功耗尽可能低，m c u 的选择是非常重要的。要使m c u 能够达 到系统的电流预算，断电模式最重要。在本系统m c u 的选择上，没有使用m c s 5 1 单片机。首先因为m c s 5 1 单片机速度慢；另外m c s 5 1 单片机的i o 需要上拉 电阻，当i o 为高电平时上拉电阻不费电，但是下拉电流的时候却也有不小的功 耗产生。此外，m c s 5 1 单片机的运算速度比较慢，运算较多时需要很高的主频， 这就意味着更高的功耗【l 。 时钟系统是m c u 功耗的关键。可以每秒多次或几百次进入与退出各种低功 耗模式。进入或退出低功耗模式以及快速处理数据的功能极为重要，因为c p u 会在等待时钟稳定下来期间浪费电流。大多低功耗m c u 都具有即时启动时钟， 可以在不到l o - 2 0 u s 时间内为c p u 准备就绪。某些m c u 具有双级时钟激 活功能，该功能在高频时钟稳定化过程中提供一个低频时钟( 通常为3 2 7 6 8 h z ) 。 c p u 在大约 5 u s 时间内正常运行，但是运行频率较低，效率也较低。如果c p u 只需要执行数量较少如2 5 条的指令的话，需要7 6 3 u s l l 2 1 。c p u 低频比高频时 消耗更少的电流，但是并不足于弥补处理时间的差异。相比而言，某些m c u 在 6 微秒时间内就可以为c p u 提供高速时钟，处理相同的2 5 条指令需要大约 9 u s ( 6 u s 激活+ 2 5 条指令0 1 2 5 u s 指令速率) ，而且可以实现即时启动的高速串 行通信。 2 3 1 m s p 4 3 0 f 1 6 1 l 单片机 t l 公司生产的m s p 4 3 0 f 系列单片机是1 6 位新型低功耗m c u ，与其它目前 市场上的其它单片机相比，在功耗、性能、执行效率、开发环境、外设配置等方 面都具有明显的优势。这里选用的m s p 4 3 0 f 1 6 1 l 单片机。 m s p 4 3 0 系列单片机具有如下的特点： l 、1 6 位r i s c 结构，具有丰富的寻址方式( r 种源操作数寻址、4 种目的操 作数寻址) 、简洁的2 7 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内 1 2 硕士学位论文 第二章系统的硬件设计 数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理方法；有较高的处理速度， 在8 m h z 晶体驱动下，指令周期为1 2 5 n s 。这些特点保证了可编制出高效率的源 程序1 1 渊i i4 1 。 2 、将大量的c p u 外围模块集成在片内，包括： 看门狗啪比较器 串e l0 ，l ( u s a r t 0 ，1 ) 硬件乘法器端口l - 6 ( pl p 6 )定时器( t i m e ra ，1 如e rb ) 液鼹驱动器1 2 位a d c 4 8k bf l a s hr o m 和1 0 k br a m 3 、j t a g 和f l a s h 在线编程技术。j t a g 是一种边界扫描技术标准，是为 了在线测试的需要而发展起来的针对芯片和线路板测试的接口标准，它利用串符 移位输入及输出的方式对芯片的输出端加载特定的代码序列，并获得输出端给定 的响应序列。m s p 4 3 0 f 1 6 1l 可通过j t a g 控制器可以实现程序代码的下载、实 现运行控制和对现场进行观察与修改。 m s p 4 3 0 f 1 6 1 1 具有4 8 k 的f l a s h 存储器，这一特点使得它的开发工具相 当筒便。利用单片枫本身具有的j t a g 接髓，可以在一台p c 及一个结构小巧的 j t a g 控制器的实现程序的下载，完成程序调试。本项目开发平台由利尔达公司 的f e t 在线仿真器、p c 以及工i a re m b e d d e dw o r k b e n c h 集成开发环境构成。 4 、m s p 4 3 0 系列单片枕的另一大特点是低功耗设计。将很多努圈模块集成 到了m c u 芯片中，增大硬件冗余，内部以低功耗低电压的原则设计，这样系统 不仅功裁强、性鼹爵靠、成本降低褥且便于进一步微型纯和便携化。 内部电路可选择性工作。m s p 4 3 0 单片机可以通过特殊功能寄存- 器( s r r ) 选 择使用不同的功能电路，即依靠软件选择不同的外围功能模块。对于不使用的模 块使其停止工作，以减少无效功耗。 具有高速和低速两套时钟。系统运行频率越高，电源功耗就会相应增大。为 更好地降低功耗，m s p 4 3 0 单片枫可采用三套独立的时钟源。高速的主时钟、 低频时钟如3 2 7 6 8 k h z 以及d c o 片内时钟。根据需要，可随时切换c p u 和外设 的时钟频率1 1 5 1 。 具有多种节能工作模式。如图2 7 所示，m s p 4 3 0 单片机具有五种节能模式 a m ，l p m l ，l p m 2 ，l p m 3 ，l p m 4 这五种模式，为其功耗管理提供了极好的 性能保证。由于m s p 4 3 0 f 1 6 x 系列是专为超低功耗的便携式应用开发的。利用 先进的集成电路技术和生产工艺，其功耗已经跨越了毫安级，真正进军到了微安一 级。 1 3 硕十学位论文第二章系统的硬件设计 、园v c c = 3一k_ 一v c c = 2 、 。瞄驰。) v 2v a ml p m 0l p m 2l p m 3l f m 4 t 作模式 图2 7m s p 4 3 0 单片机的工作模式 低功耗模式0 ( l p m o ) 会关诩c p u ，但是保持其他功能j f 常运转。l p m l 与 l p m 2 模式在禁用功能列表中增加了各种时钟功能。l p m 3 是最常用的低功耗 模式，只保持低频率时钟振荡器以及采用该时钟的外设运行。l p m 3 通常称为 实时时钟模式，因为它允许定时器采用低功耗3 2 7 6 8 h z 时钟源运行，电流消耗 低于1 u a ，同时还可定期激活系统。最后，l p m 4 完全关闭器件上的包括r a m 存储在内的所有功能，电流消耗仅0 1u a 。 2 3 2 m s p 4 3 0 接口电路设计 m s p 4 3 0 f 1 6 11 是风压监测系统的核心控制器，不但负责风压数据的采集， 还要负责大量实时数据的处理、压缩以及电源、通信等的管理控制，其原理图如 图2 8 所示。 图2 8m s p 4 3 0 f 1 6 11 原理图 5 o 5 o 5 o 5 0 剐刀 丝他侧9 4 nz至ig_1uq 硕士学位论文第二章系统的硬件设计 由于风压数据只需要占用一个a d 通道，选用p 6 o 口作为风压电压的输入 口。m s p 4 3 0 f i1 6 1 的a d 转换器是1 2 位，分辨率为1 4 0 9 5 ，压力传感器的测量 精度为0 0 1 m p a ，分辨率为l ，这样能确保在采集压力信号过程中保持很小的 误差。复位电路是典型的r c 复位。r s t 、t c k 、t m s 、t d i 、t d o 是j - t a g 口， s c k 、m i s o 、m o s i 、c s n 、t r xc e 控制p t r 8 0 0 0 t 1 6 1 。 压力传感器的电源由a d g 8 2 1 控制。a d g 8 2 1 是一个电源管理芯片，可由 p 5 4 口控制电源的关断，v o u t 是电源输出，当p 5 4 口为高电平时，v o u t 给传感 器供电，当p 5 4 口为低电平时1 1 7 1 ，v o u t 为低电平。这样做的目的是让传感器不 工作时切断其电源便于节省功耗，其原理图如图2 9 所示。 g n d 棼墨喘县 十眦d 2 恃 广_ 二一s 2 卜_ = _ 一 l 己一一j l a d g 8 2 1 二2 9 电源管理芯片原理图 2 3 3 数据存储和实时时钟 为了增强风压数据的存储能力，终端中使用了数据存储芯片a t 4 5 d b 0 4 1 ， a t 4 5 d b 4 1 是3 3 v 供电的串行接口的f l a s h 存储卡。适用于系统内重复编程， 它共有4 ，3 2 5 ，3 7 6b i t s ，内存组织为2 0 4 8 页，每页2 6 4 字节。除主内存之外， a t 4 5 d b 0 4 1 还有两个s r a m 数据缓存。每个2 6 4 字节缓存使得主内存的一页 正在编程的同时可以接收数据。与用多条地址线和一个并行接口随机访问的传统 f l a s h 存储器不同，其数据闪存d a t a f l a s h 采用串行接口顺序访问数据。d a t a f l a s h 的典型应用有数字语音存储、图像存储和数据存储。器件工作时钟高达1 0m h z ， 典型工作状态电流损耗为1 5 m a 。其原理图如图2 1 0 所示。 u 4 p 6 3l p 6 22 p 6 63 p 6 14 a t 4 5 d b 0 4 1 图2 1 0f l a s h 存储芯片原理图 a t 4 5 d b 0 4 1 的同单片机共用一个电源，由p 6 1 - p 6 6 控制。其中p 6 1 为写 1 5 硕士学位论文第二章系统的硬件设计 保护。p 6 2 p 6 4 软件模拟s p i 的三个通信接口，p 6 5 为复位口，p 6 6 为片选。 实时时钟芯片可以提供实时时间，从而为以后的试风实验查询提供历史依 据。本文使用d s l 3 0 2 时钟芯片，d s l 3 0 2 是美国d a l l a s 公司推出的一种高性 能、低功耗、带r a m 的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、 秒进行