（机械制造及其自动化专业论文）基于arm芯片的机车制动监测系统研究.pdf

摘要 内燃机车或电力机车的基础制动装置是执行对运行中的机车减速和停车的 机械装置，每台机车由1 2 个或2 0 个单元制动器组成。单元制动器的失效将引发 机车故障或列车脱轨重大事故，对铁路运输安全造成严重危害，因此对单元制动 器的监测具有重大的意义。 目前，机车对制动系统的安全措施有很多，但都是对制动过程的监控，如制 动气缸压力的监控、运行记录器监控等，而没有对闸瓦的工作状态进行监测报警 的装置。本论文基于这现状设计了单元制动器检测系统，本系统涉及到的控制 部分( 嵌入式技术) 也是目前国内外研究的热点和趋势，因此本文主要从以下两 个部分展开论述：控制部分硬件设计，控制部分软件设计( 包括u c l i n u x 嵌入式 操作系统和应用软件) 。本文的重点也在控制部分的软硬件设计上，针对本系统 的特殊应用，设计了基于a r m 芯片s 3 c 4 4 8 0 的硬件电路板，它完全满足机车 操作人员要求的交互作用好、便携，抗干扰的要求：软件部分采用基于嵌入式操 作系统u c l i n l l 】【的应用程序，它与般的前后台系统下的应用程序相比更复杂， 但它所实现的功能也是后者望尘莫及的，并且基于操作系统的应用程序运行更稳 定。本文在完成本系统的设计中也体现了一般嵌入式系统的开发方法和流程，对 于嵌入式系统设计人员有一定的参考意义。 关键字：单元制动器，嵌入式操作系统，a r m a b s t r a c t t h e p r i m a r y b r a k ee q u i p m c n to fl o c o m o t i v e si sak i n do fm e c h a l l i c a l e q u i p m c n t u s e dt os p e e dd o w nt l l el o m o t i v e s ，t h e r e 盯e1 2o r2 0t l l i sk i n do fe q u i p m e n to n e a c h l o c o m o t i v e t h e f a i k eo f t h i s e q u i p m e n t w mb r 堍o na c c i d e i 惜o id e v i a t i o no f w h e e l s ，w h i c hi sd a n g c r o u st ot h et r a n s p o n a t i o no nl o c o m o t i v e s s ot h ed e t e c t i o no f u n i tb r a k ci si m p o n 衄ta i i de s s e n t i a l _ a tt t l e p r e s e n tt i m e ，i ti s s t i l lav i 唱i nf i e l di nt h ed e t e c t i o n0 f 伽i tb r a k e0 n 1 0 c o m o t i v e s b a s e do nt h i sa c t u a l i t y w eh a v ed e s i g n e da s y s t e m t od e t e c tt h ew o r k i n g s t a t eo ft h el o c o m o t i v eu n i tb r a k c ，t h ee l e c 耐cc o n t r o lp a r ti n v o l v e d ( c h et e c h n o l o g yo f e m b e d d e di j n u x ) i st h ef o c u sa l l dh o t s p o ti 1 1 s j d ea n d0 u t s i d eo ft h ec o u n t i 弘s om i s c o n t e x tc o n s i s t so f 呐o p a n s ：t h ed e s j 印o f h a r d w a r e ，l h ed c s j 印o fs 咖a r e ( n s j s t s o fu a m u xe m b b e d 叩e r a t i n gs y s t e ma i l d a p p l i c a t i o ns o f t w a r e ) 1 1 l l ed e s i 印o f h a r d w a r ea n ds o f t w a r ei st h ce m p h a s e so ft h i sp a p e r t l l eh a r d w a r ec i f c u i tb o a r dw h i c h h a sa na r mc o r e s 3 c 4 4 8 0i s d e s i g n e df o rm es p e c i a ls “u a t i o na n du s e ，f o rt h e l o c o m a i ii ti se a s yt oo p e l a t ea n di th a sa f f i c n d l yi i l t e 血c e t h ea p p l i c a t i o ns o f t w 盯e i sd e s i g n e do nt h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m 山c l i n u x ，“i sm o r ec o m p l i c a t e dt h 趿 t h es o 觚a r ew h i c hi si 帕tb 镐eo n t h e 叩c r a t i n gs y s t e m ，b u t i th i n o r ef u n c t i o st h a n t h el a t t e r ，f u m l e 皿o r ei ti ss t e a d i e rw h e nr u l l i l i n g ，a n di ti se a s i e rt od e s i g nw h e nt h e o p e r a t i i l gs y s t e mh a sm a i l ya p if u n c t i o n st ou s e t h i st e x tr e n e c t e dd e v e l o p m e t a p p r o a c ha n dp r o c e d u r co ft h eg e n e r a ie m b e d d e ds y s t e md u r j n gf i n i s h j n gt 王i ed e s i g n o ft h i s s y s t e m ，m e a i l w h i l e j th a sc e r a i nr e f c r c n c c m e a i l i n g s t oi h ee m b e d d e d s y s t e m a t j cd e s i g n c r k e y w o r d s ：u n n b n k e ，e m b b e d0 p e m t i 呜s y s t e m ，删 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 目前，铁路运输在国民经济中的比重越来越大，这就推动我国铁路技术向 高速、重载的方向发展，在发展的道路上遇到的重要问题之一就是列车的制动 问题，我国大部分的电力机车和内燃机车的制动方式都是闸瓦制动。闸瓦制动 是通过压缩空气将闸瓦压紧车轮踏面，使车轮和闸瓦间发生摩擦，将机车动能 的大部分变为热能，并转移到车轮与闸瓦，再逸散于大气的制动方式，闸瓦制 动是目前机车上使用最广泛的一种制动方式。按照闸瓦的安装方式，它可分为 两种型式：单侧闸瓦制动和双侧闸瓦制动。单侧闸瓦制动构造简单，适用于速度 不高、载重不大的车辆。双侧闸瓦制动结构比较复杂，但制动效果较好，闸瓦 摩耗量小，因此，对缩短制动距离，提高运行速度都是有利的。我国客车大多 数采用双侧闸瓦制动。随着机车运行速度的提高，大吨位货车也有采用双侧闸 瓦制动的必要”1 。单元制动器是种闸瓦制动的装置，它是一种机械装置， 其外形如图卜1 。机车单元制动器是机车走行部分的重要部件，用于对机车施行 空气制动，因此它对机车运行的安全性、可靠性有着重要的影响。 田卜1 0 8 ，3 烈单j 亡制功嚣外j 俘 l 一制动矧浆僦2 一辅体二3 一僦托 盘腿：4 闸砘妊艰：5 闸砘扎： n 搠既：7 防尘睃嚣：8 端遵， 由于工作的磨损，闸瓦制动过程中不免出现一些问题，比如制动缸气压压 力不够、单元制动器出现机械故障等，这些制动中间环节出现的问题都会导致 闸瓦不能踏紧车轮踏面，或者闸瓦误抱闸，前者导致机车制动不能正常制动， 武汉理工大学硕士学位论文 后者导致轮箍过热膨胀，造成弛缓，轮箍弛缓直接造成机车脱轨。因此，对闸 瓦制动的安全检测就显的尤为重要了。 一股来说，对闸瓦制动的检测可以从以下三个方面着手： ( 1 ) 检测制动缸气压压力 ( 2 ) 人工定时检查单元制动器机械装置 ( 3 ) 在机车运行过程中实时监控闸瓦的状态 对于前两种检测方法，许多科研院所已经进行了研究，并且研制了一些监 测仪器，它们已经大量应用到现行的列车上，取得了一定的效果。然而由于这 些监测仪并不能监测到一些意外或人为因素( 如操纵机构机械故障、误操作等) 的故障，因此机车运行仍然存在一些隐患危及行车安全，比如： ( 1 ) 单元制动器的机械故障：鞴鞴卡滞，闸瓦间隙自动调整失灵。如果制 动缸内的制动鞲鞲冻结，造成常用制动不排风，出现紧急制动停车的险性事件； ( 2 ) 机车缓解后，少数单元制动器卡滞制动；个别闸瓦间隙不符合技术标 准，缓解后，该单元制动器仍呈制动状况； ( 3 ) 乘务员错误操纵制动机而未及时发现，使机车动轮长时间在抱闸状 态下运行，最终轮箍过热膨胀造成迟缓，轮箍迟缓直接造成机车脱轨。 如果在机车运行过程中操作人员可以实时监控闸瓦的状态，则可以及时发 现异常情况，本文所研究的就是一种实时监控闸瓦状态的装置。 近年来，随着现代科技的发展，特别是嵌入式计算机技术的发展，世界发 达国家的客运铁路争先进入了微电子控制的高速化时代，如日本的新干线、德 国的i c e 、法国的t g v 等。它们的制动系统无一例外地采用了司机嵌入式计算机 集中控制，各列车分别进行嵌入式计算机的具体控制。充分体现了现代科学技 术的优越性。 现代嵌入式计算机技术以其强大的控制功能、小巧的体积、卓越的性价比 在控制检测领域占有非常大的比重，同时嵌入式芯片具有的丰富的外围电路和 软件资源大幅度缩短了产品的开发周期。因此在控制检测领域选用嵌入式技术 无疑是开发研究人员明智的选择，这也是本系统选用嵌入式技术的主要原因。 当然，系统也可选用8 位的单片机进行开发，但这种技术首先是功能不够强大， 其次是系统可利用资源有限且可扩展性差，再就是即将被淘汰掉，其后续维护 武汉理工大学硕士学位论文 资源供应得不到保证。 另外，本系统除了做机车单元制动器监测装置之外，还可以应用于别的领域， 比如测温、测红外、内漏检测、测机车震动等测控应用领域。 本系统研究的目的：研制一种监测机车闸瓦状态的装置，同时对嵌入式开发 方法进行一定的研究。 1 2 机车制动监测原理 系统所要监测的是机车制动时闸瓦是否压紧车轮踏面，制动结束后闸瓦是 否离开车轮踏面。采用开关量可以很直观反映这种制动工作状态，开关型传感 器的工作原理就是把闸瓦状态以开关量输出，闸瓦压紧车轮踏面输出开关量l ( 数字信号) ，闸瓦离开车轮踏面输出开关量0 ( 数字信号) 。系统采集制动缸压 力信号和闸瓦状态信号，然后判断闸瓦的工作状态。当有制动缸压力时，机车 处于制动状态，这时如果闸瓦在闸瓦压力的作用下压紧车轮踏面，单元制动器 制动正常，否则制动不正常；没有制动缸压力时，如果闸瓦依然压紧车轮踏面， 表明单元制动器缓解不正常，否则缓解正常。传感器监测原理如下图1 2 。 + 6 v 位移争鲰m 图l - 2 传摩嚣监瘌j 原理 1 3 现代嵌入式系统概念简介 在工业控制、仪器仪表、测试计量等领域，嵌入式系统的蓬勃发展己经 有目共睹。到底什么是嵌入式系统? 我们有必要在这里向大家简单的介绍一下它 的基本概念。 首先谈谈现代计算机的技术发展史。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 始于微型机时代的嵌入式应用。 电子数字计算机诞生于1 9 4 6 年，在其后漫长的历史进程中，计算机始终是 供养在特殊的机房中，实现数值计算的大型昂贵设备，直到2 0 世纪7 0 年代， 微处理器的出现，计算机才出现了历史性的变化，以微处理器为核心的微型计 算机以其小型、价廉、高可靠性特点，迅速走出机房，成为人们办公桌上的必 备设备，而基于高速数值解算能力的微型机表现出的智能化水平也引起了控制 专业人士的兴趣，要求将微型机嵌入到一个对象体系中，实现对象体系的智能 化控制。例如，将微型计算机经电气加固、机械加固，并配置各种外围接口电 路，安装到大型舰船中构成自动驾驶仪或轮机状态监测系统。这样来，计算 机便失去了原来的形态与通用的计算机功能。为了区别于原有的通用计算机系 统，把嵌入到对象体系中，实现对象体系智能化控制的计算机，称作嵌入式计 算机系统。因此，嵌入式系统诞生于微型机时代，嵌入式系统的嵌入性本质是 将一个计算机嵌入到一个对象体系中去，这些是理解嵌入式系统的基本出发点。 ( 2 ) 现代计算机技术的两大分支 由于嵌入式计算机系统要嵌入到对象体系中，实现的是对象的智能化控制， 因此，它有着与通用计算机系统完全不同的技术要求与技术发展方向。 通用计算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算：技术发展方向是总 线速度的无限提升，存储容量的无限扩大。而嵌入式计算机系统的技术要求则 是对象的智能化控制能力，技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、 控制能力与控制的可靠性。早期，人们勉为其难地将通用计算机系统进行改装， 在大型设备中实现嵌入式应用。然而，对于众多的对象系统( 如家用电器、仪器 仪表、工控单元) ，无法嵌入通用计算机系统，况且嵌入式系统与通用计算 机系统的技术发展方向完全不同，因此，必须独立地发展通用计算机系统与嵌 入式计算机系统，这就形成了现代计算机技术发展的两大分支。 如果一说微型机的出现，使计算机进入到现代计算机发展阶段，那么嵌入 式计算机系统的诞生，则标志了计算机进入了通用计算机系统与嵌入式计算机 系统两大分支并行发展时代，从而导致2 0 世纪末，计算机的高速发展时期。 ( 3 ) 两大分支发展的里程碑事件 通用计算机系统与嵌入式计算机系统的专业化分工发展，导致2 0 世纪末、 2 l 世纪初，计算机技术的飞速发展。计算机专业领域集中精力发展通用计算机 系统的软、硬件技术，不必兼顾嵌入式应用要求，通用微处理器迅速从2 8 6 、3 8 6 、 4 武汉理工大学硕士学位论文 4 8 6 到奔腾系列；操作系统则迅速扩张计算机基于高速海量的数据文件处理能 力，使通用计算机系统进入到尽善尽美阶段。 嵌入式计算机系统则走上了条完全不同的道路。这条独立发展的道路就 是单芯片化道路。它动员了原有的传统电子系统领域的厂家与专业人士，接过 起源于计算机领域的嵌入式系统，承担起发展与普及嵌入式系统的历史任务， 迅速地将传统的电子系统发展到智能化的现代电子系统时代。 因此，现代计算机技术发展的两大分支的里程碑意义在于：它不仅形成了计 算机发展的专业化分工，而且将发展计算机技术的任务扩展到传统的电子系统 领域，使计算机成为进入人类社会全面智能化时代的有力工具。 综上所述，嵌入式系统的概念归纳如下： ( 1 ) 嵌入式系统的定义 按照历史性、本质性、普遍性要求，嵌入式系统应定义为：“嵌入到对象体 系中的专用计算机系统”。“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式 系统的三个基本要素。对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。 ( 2 ) 嵌入式系统的特点 嵌入式系统的特点与定义不同，它是由定义中的三个基本要素衍生出来的。 不同的嵌入式系统其特点会有所差异。 与“嵌入性”的相关特点：由于是嵌入到对象系统中，必须满足对象系统的 环境要求，如物理环境( 小型) 、电气气氛环境( 可靠) 、成本( 价廉) 等要求。 与“专用性”的相关特点：软、硬件的裁剪性；满足对象要求的最小软、硬 件配置等。 与“计算机系统”的相关特点：嵌入式系统必须是能满足对象系统控制要求 的计算机系统。与上两个特点相呼应，这样的计算机必须配置有与对象系统相 适应的接口电路。 嵌入式系统所具有的特殊要求包括嵌入式系统有不同程度的实时性要求； 嵌入式系统在体积、功能、能耗等方面受具体工作环境和开发、生产成本的限 制；嵌入式系统软硬件环境复杂多变，嵌入式系统的操作系统应该根据这些环 境有很好的可移植性、可配置性和可裁减性，以便灵活适应不一样的软硬件环 境1 “。 另外，在理解嵌入式系统定义时，不要与嵌入式设备相混淆。嵌入式设备 是指内部有嵌入式系统的产品、设备，例如，内含单片机的家用电器、仪器仪 武汉理工大学硕士学位论文 表、工控单元、机器人、手机、p d a 等。 1 4 国内外发展现状 目前，国内的嵌入式技术的应用已经兴起，很多的检测领域已经用到嵌入 式技术，如：上海交通大学研究的嵌入式系统监测服务器的研制“；浙江自集 成控制股份有限公司研制的工业现场记录仪“；中国农业大学研制的变电站自 动化智能化电气“们等。他们共同的特点是：系统以3 2 位a r m 芯片为核心部分， 这些嵌入式芯片不仅处理速度达到几十兆指令每秒，而且具有流水线功能，使 处理速度远远大于普通单片机；软件选用嵌入式操作系统，开发者可以利用嵌 入式操作系统自带的函数开发自己的应用程序，从而缩短产品的开发周期。因 此，将嵌入式芯片用于工业控制监测系统是必然的。 在机车检测领域，许多科研单位做了研究，研制出了一些监控设备，如； 天津大学与天津制博网络工程计算机有限公司合作，研制的控制机车车辆制动 功能的监控系统口3 ；哈尔滨铁路局齐齐哈尔研究所与三棵树机务段合作，研制了 一套便携式检测仪”；北方交通大学研制的机车制动机测试仪“；焦作工学 院研究的一种实现机车制动状态监测的方法；陕西安康机务段设计的机车制动 机检测仪0 3 等等。这些监测仪都有一些共同的特点：整个系统的检测控制手段一 般都是用8 位的单片机作为监铡的核心部分，数码管显示，此种系统装置可靠性 虽好，但人机交互作用差：这些监测仪监测的对象多数都是闸缸的压力，并不 是制动的最终状态即闸瓦和车轮之间的压力。 1 5 本文的主要研究内容和课题支撑 1 5 1 主要研究内容 本文提出并研制了一种基于a r m 内核的高性能嵌入式微处理器和u c l i n u x 操作系统的机车制动监检测报警系统。文中详细介绍了该系统的原理、构成及 其设计方法；着重分析了以s a m s u n g 公司3 2 位嵌入式微处理器s 3 c 4 4 b o 为核 心的嵌入式系统的软硬件原理；并开发了基于u a i n u x 操作系统的应用程序。 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 2 课题支撑 本课题支撑为：郑州铁路局科技发展计划项目：“内燃、电力机车单元制动 器工况监测装置”。 1 6 a 刚嵌入式微处理器简介 1 6 1 a r m 简介 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以认 为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。 1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前， 采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器，即我们通常所说的a r m 微处理器， 已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产 品市场，基于a r m 技术的微处理器应用占据了3 2 位r i s c 微处理器约7 5 以上的 市场份额，a r m 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。 a r m 微处理器目前包括下面几个系列，以及其它厂商基于a r m 体系结构的处 理器，除了具有a r m 体系结构的共同特点以外，每一个系列的a r m 微处理器都 有各自的特点和应用领域。 a r m 7 系列 a r m 9 系列 a r m 9 e 系列 a r m l 0 e 系列 s e c u r c o r e 系列 i n t e l 的x s c a l e i n t e l 的s t r o n g a r m 1 6 2 s 3 c 4 4 b o 硬件资源与结构 如图卜3 ，s 3 c 4 4 b o 片上集成功能描述如下： 带8 k b 高速缓冲储存器的2 5 v 静态a r m 7 t d m i 内核 外部内存控制器 l c d 控制器 2 通道d a m 控制器 武汉理工大学硕士学位论文 2 通道昴步串行收发嚣 l 逶道i i e 总线控毒l 嚣 5 通道p w m 控制器和通道定时器 看门狻定鼹器 7 1 个通用i o 口和8 个外部中断源 迄源模式：n o r 阮l ，s l o w ，l d l e ，s t o p 8 通道a d c 弱烫怼镑芯片 片上可编程交频电路 图l 一3s 3 c 4 4 8 0 结构图 8 武汉理工大学硕士学位论文 第二章系统总体方案设计 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，是按照如图2 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。 囟。固 图2 一l 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低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“。 囤一 固 圈囱一囱 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。 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，赢到满足要求。 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； ( 2 ) 软硬件分别设计、开发、调试、测试； ( 3 )系统集成；软硬件集成； ( 4 )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试阶段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。这是由于这些问 题，导致了产品的设计质量差，设计修改难，研制周期不能有效保证。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 图2 3 传统的嵌入式系统的设计方法 为避免上述问题，一种新的开发方法应运而生一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 、v h d l ) 或其它基于图形的表示工具，其作用是对硬件 软件统一表示，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，既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。 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： 这种方法的特点在协同设计( c o d e s i g n ) 、协同调试( 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。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 4 嵌入式系统的硬件软件协同设计方法 2 3 需求分析 铁路运输的实践证明：制动系统所出现的故障，决不可视之为一般的机破临 修。制动系统可靠性与机车可控性密切相关，制动失灵、机车失控，后果不堪 设想。历史上因制动失灵酿成的机车放扬、冒进信号、颠覆冲突等重大事故， 无不给人民生命财产造成巨大损失。 目前在我国机车制动的主要方式是闸瓦制动方式，单元制动器是典型的闸瓦 制动的装置。单元制动器工作状况的保证一般由机务段人员的定期维护来完成， 如果机车运行时单元制动器工作不正常，譬如制动时闸瓦没有踏紧车轮或非制 动时闸瓦没有离开车轮，这将导致机车不能制动或机车出轨等事故。目前还没 有成熟的监测技术和可靠的装置提醒机车司机避免这种状况导致的事故。 本监测装置通过计算机程序将机车速度信号、制动阀信号、每个单元制动器 的闸瓦位置信号进行逻辑分析判断，使机车操作者随时了解机车运行或整各作 业中每个单元制动器的工作状况，采用屏幕显示的方式提示操作者处理发生故 障的单元制动器。它的应用可以防止单元制动器故障致使机车轮对弛缓、踏面 剥离或制动力不够而引发的行车事故，对确保机车运行安全具有重要意义n 。 2 4 系统软硬件总体规划 2 4 1 硬件规划 武汉理工大学硕士学位论文 随着电子技术的发展，8 位的微控制器已经很难实现现代嵌入式系统复杂的 功能，复杂的嵌入式处理器一般选用微处理器( m p u ) 、数字信号处理器( d s p ) 、 混合处理器和片上系统( s o c ) 、可编程片上系统( s o p c ) 。 m p u 是有通用计算机中的c p u 演变而来，与之不同的是，在实际嵌入式应用 中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这 样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。 d s p 处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方 面进行了特殊设计，在数字滤波、f f t 、频谱分析等各种仪器上d s p 获得了大规 模的应用，它般用在快速执行算法，做控制比较困难，不适合运行操作系统， 核心代码使用汇编。 s o c ( 片上系统) 是i c 设计的发展趋势。采用s o c 设计技术，可以大幅度的 提高系统的可靠性，减少系统的面积和功耗，减低系统的成本，极大地提高系 统的性能价格比。 本系统硬件规划如下： c p u ：s a m s u n g 的3 2 位s 3 c 4 4 8 0 x ； s d r a m ：8 m b y t e ss d r a m ； f l a s h ：4 m b y t e sf l a s h ； l c d ：5 7 英寸，s t n2 5 6 色3 2 0 术2 4 0 象素； 键盘：4 ： 1 0 m 以太网卡； u a r t ：两个r s 一2 3 2 c 串行接口； 1 4 针j t a g 接口； i i c 总线接口； 2 0 路传感器接口电路； 2 4 2 系统硬件框图 本监测装置主要由传感器，主控制器及信号采集单元，辅控制器三部分组成。 系统框图2 5 ： 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 圈2 5 系统瑷转摇塑 2 。瘁，3 软传规划 h i 禳嘲蒋 嵌入戏系统魄软 牛开发瓣特点是：以蕊向过糕为主，代码鲍利用率意，代码 的规模小，实时髋强。过去的嵌入式系统软件开发，大多从汇编开发，并以汇 编语言开发为主。这样的开发只能做篱单的控制细算法，应用需求复杂辩，开 发周期大大增加，不和予新产品的快速面市。随稽嵌入式系统硬件的不断发展， 如处理器主频提赢，存储器容量扩大，硬件体积减小等特点，嵌入式系统的软 件开发也发生了一些变革。 现代嵌入式系统的软件开发从汇编启幼代码开始( 这部分代码主要用_ 米负责 翻始纯硬件) ，戳稻豁应弼程穿绝大部分阕e 语言来开发。c 语富作为一种中级 语言，具肖很好的灵活性，更贴邋于程序员的思维逻辑。因此用c 语言开发程 黪，大大的缩短了软件开发周期，也增强了可维护往稻胃升级往。 编译器是程序开发必不可少的重要工县之一。针对不同的硬件设备( 主要指 娥瑾器) ，深嗣不闷类登静编译器，可戳对程序进行优讫瓣理，挺鬻程序韵效率。 当今，g n u 的编译器越来越受到嵌入式系统开发工程师的欢迎。它可以在 胃i n d o w s 、嗡i x 、0 i n u x 环境下筏瘸，僵稻灵活，露设置戆强，群嚣太多跫免费 的软件。 奉系绞静嵌入式软箨开发，藏蔗采蠲g x u 戆开发工其( 惫摇编译、键攘、玺 成各种格式目标代码等等) 。由于采用了a r m 7 t d m i 系列的处理器内核，因此选 蠲了g c c f 。r a r 耩豹编译器。在k i n u x 撩锋系绕下舞发。 武汉理工大学硕士学位论文 在本系统中，程序体大致可以分成两个部分。一个是面向操作员的部分，也 就是人机交互程序，另一个部分则是后台运行的程序，如数据采集、逻辑控制、 数据保存等。 人机交互，主要通过按键和显示屏幕来完成。通过按键，操作员可以把指令 发送给处理器，让系统完成某些工作，或让它显示某些信息。屏幕则是系统把 信息反馈给用户的媒介。 武汉理工大学硕士学位论文 第三章系统硬件设计 3 1 系统功能要求 研制本系统的目的在于提供一种检测灵敏可靠、数据准确、不受环境干扰 影响的机车单元制动器的制动或缓解工况检测装置。 其技术方案规划如下：在单元制动器的闸瓦和闸瓦托间的受力部位装一个 用来检测闸瓦与车轮踏面接触的工况传感器，各工况传感器的开关电路信号输 出端接入可显示信号的装置，以显示各单元制动器的制动或缓解工况。 系统功能要求的工况传感器为开关型的传感器。 系统功能要求的可显示信号的装置可为计算机单片机及液晶显示屏，有图形 显示和语音报警功能，操作人员可以通过键盘简单操作。 系统功能要求的主机和辅机之间进行通信。 3 2 系统硬件选型与单元电路 3 2 1 电源电路 在该系统中，需要使用3 3 v 的直流稳压电源，其中，s 3 c 4 4 b o 及部分外围 器件需3 3 v 电源，电源有a c d ca d a p t o r 变压器提供，它是交流2 2 0 v 变直流 9 v 。系统电源电路如3 1 。 l 碰l o 箱c m 3 3 图3 1 系统电源电路 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 2 晶振电路和复位电路 晶振电路用于向c p u 及其他电路提供工作时钟。晶振一般分为有源晶振和 无源晶振。有源的那种应该称为“晶振”，一般有4 条腿。无源的那种应该称为 “晶体”，一般有2 条腿。使用有源和无源形成震荡电路各有优缺点： 有源晶振容易起振，接上电源和地就可以使用，但是体积一般较大。 无源晶体震荡电路中的辅助电容、起振反馈电阻、或反向器一旦出现异常 就会影响震荡电路，所以常常会出现无法起振的问题，但是一般体积小，频率 的精度高。 本系统使用的是无源晶振。根据s 3 c 4 4 b o x 的最高工作频率以及p l l 电路 的工作方式，选择1 0 m h z 的无源晶振，1 0 m h z 的晶振频率经过s 3 c 4 4 b ( ) x 片内 的p l l 电路倍频后最高可达7 5 m h z ，其实际工作频率在6 0 m h z 。片内的p l l 电路兼有频率放大和信号提纯的功能，因此，系统可以以较低的外部时钟信号 获得较高的工作频率，以降低因高速开关所造成的高频噪音。无源晶振的电路 图如下： c 5 图3 2 系统的晶振电路 在系统中，复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按键 复位功能。复位电路可有简单的r c 电路构成，也可使用其他的相对较复杂但功 能更完善的电路。 本系统采用的系统复位芯片a d m 7 0 6 构成的电路，a d m 7 0 6 监控电路集上 电复位、看门狗定时器、电源电压监控于一体，是解决嵌入式系统设计中抗干 扰问题的很好的一种芯片选择。复位电路如图3 3 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 辄”n i鬣瑚 由： v c o_ lj i瞳wdo m 垫丁享 v c cr 髓i 口 7 ； a i mw d i l ，f o 图3 3 系统复位电路 3 2 3f l a s h 存储接口电路 u t n 坫h f l a s h 存储器是一种可进行在线带电擦写，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 中得到广泛的应用。作为种非易失性存储器，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 、 i n t e l 、h y u n d a i 等，他们生产的同类型器件一般具有相同的电气特性和封装形 式，可通用1 。 本系统中使用的f 1 a s h 存储器是2 8 f 3 2 0 8 3 ，f l a s h 存储器2 8 f 3 2 0 8 3 的基本 特性如下： 2 8 f 3 2 0 8 3 单片容量为4 m 字节，工作电压为2 7 v 3 6 v ，采用4 8 脚t s o p 封 装，1 6 位数据宽度的方式工作。 2 8 f 3 2 0 8 3 仅需3 v 电压可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、整片擦除、按扇区擦除 以及其他操作。除此，2 8 f 3 2 0 8 3 也可在1 2 v 电压下进行快速编程、擦除。2 8 f 3 2 0 8 3 武汉理工大学硕士学位论文 的引脚分布分别如图3 4 所示。 a r m 微处理器的体系结构支持8 位1 6 位3 2 位的存储器系统，对应的可以 构建8 位的f 1 a s h 存储器系统、1 6 位的存储器系统或3 2 位的f l a s h 存储器系统。 3 2 位的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方面 占有优势，而8 位的存储器系统现在已经很少使用。本系统设计为1 6 位的f l a s h 存储器系统。 ；oi ： l”瓣群萋i 警毒裂譬煞 鎏 ： t op v l e w 嚣 z 12 a 2 22 7 2 3 赫 2 42 5 存储器地址引脚连接参考如下表3 1 l 存储器引脚8 位数据总线下的1 6 位数据总线下的3 2 位数据总线下的 s 3 c 4 4 b o x 地址s 3 c 4 4 b o x 地址s 3 c 4 4 8 0 x 地址 武汉理工大学硕士学位论文 a 0 a oa 1a 2 a 1a 1a 2 a 3 a 2a 2a 3 a 4 a 3 a 3a 4a 5 只需要将c p u 上的相应b a n k 连接到外设芯片的片选引脚上，便可以根据相应的 地址进行存储器或外设操作了。 图3 5 为f 1 a s h 存储器系统电路图。 图3 5f l a s h 存储器系统电路 3 2 4 s d r a m 接口电路 与f 1 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，但其存取速度 大大高于f 1 a s h 存储器，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，c p u 首先从o 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、运行数据也都放在s d r a m 中。 武汉理工大学硕士学位论文 s d r a m 具有单位空间存储容量大和价格便宜的优点，已广泛应用在各种嵌入 式系统中。s d r a m 的存储单元可以理解为一个电容，总是倾向于放电，为避免数 据丢失，必须定时刷新。因此，要在系统中使用s d r a m ，就要求微处理器具有刷 新控制逻辑，或在系统中另外加入刷新控制逻辑电路。s 3 c 4 4 8 0 x 芯片及其他一 些a r m 芯片在片内具有独立的s d r a m 刷新控制逻辑，可方便的与s d r a m 接口“。 s 3 c 4 4 b o x 芯片的s d r a m 接口引脚如图3 6 ，引脚描述如下： n s r a s 1 ：0 ：s d r 心行地址选通信号。 n s c a s 3 ：0 ：s d r a m 列地址选通信号。 n s c s 1 ：0 ：s d r a m 芯片选择信号。 d q m 3 ：o ：s d r a m 数据屏蔽信号。 s c l k ：s d r a m 时钟信号。 s d l k ： s d r a m 时钟允许信号。 目前常用的s d r a m 为8 位1 6 位的数据宽度，工作电压一般为3 3 v 。主要 的生产厂商为w i n b o n d 、h y u n d a i 等。他们生产的同类型器件一般具有相同的电 气特性和封装形式，可通用。 该系统使用的是w i n b o n d 公司的w 9 8 6 4 1 6 d h 芯片，其基本特性如下： w 9 8 6 4 1 6 d h 存储容量为4 组x1 6 m 位( 8 m 字节) ，工作电压为3 3 v ，5 4 脚 t s o p 封状形式，兼容l v t t l 接口，支持自动刷新和自刷新，1 6 位数据宽度。 引脚描述如下： c l k ：芯片时钟输入。接s 3 c 4 4 b o 的2 8 脚s c l k 。 c k e ：片内时钟信号控制。接s 3 c 4 4 8 0 的2 7 脚s c k e 。 c s ： 片选信号，禁止或使能除c l k 、c k e 或d q m 外的所有输入信号。 b s o ，b s l ：组地址选择，用于片内4 个组的选择。分别接s 3 c 4 4 b o 的地址总线 的a d d r 2 1 ，a d d r 2 2 。 a 1 l a o ：地址总线，行地址：a 1 l a o ，列地址：a 7 一a o ，自动预充电标志：a 1 0 。 r a s ，c a s ，w e ：分别为行地址锁存、列地址锁存、写使能信号线。分别接s 3 c 4 4 8 0 的8 脚n s r a s 、7 脚n s c a s 、1 6 脚n w e 。 d q i l ，d q m h ：数据i o 屏蔽信号线。分别接s 3 c 4 4 b o 的1 1 脚s d q m o 和1 2 脚s d q m l 。 1 6 位s d r a m 存储器系统的应用电路图如图3 7 ； 亟堡堡三盔堂堡主堂垡堡奎 图3 6w 9 8 6 4 1 6 阴引脚分布 图3 71 6 位s d r a m 存储器系统的电路图 ；i釜豪嚣誊善意罨麓 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 5 串行接口电路 几乎所有的微控制器、p c 都提供串行接口，使用电子工业协会( e i a ) 推荐的 r s 一2 3 2 一c 标准，这是一种常用的串行数据传输总线标准。早期它被应用于计算 机和终端通过电话线和m o d 附进行远距离的数据传输，随着微型计算机和微控 制器的发展，不仅远距离，近距离也采用该通信方式。在近距离通信系统中， 不再使用电话线和m o d e m ，而直接进行端到端的连接。 r s 一2 3 2 一c 标准采用的接口是9 芯或2 5 芯的d 型插头，以常用的9 芯d 型插 头为例，引脚定义如表3 2 所示。 表3 29 芯d 型插头引脚信号描述 引脚名称 功能描述 1 d c d 数据载波检测 2r x d 数据接受 3 t x d 数据发送 4 d t r 数据终端准备好 5g n d 地 6d s r 数据设备准备好 7r t s 请求发送 8 c t s 清除发送 9r i 振铃指示 要完成最基本的串行通信功能，实际上只需要r x d 、t x d 和g n d 即可，但由 于r s 一2 3 2 一c 标准所定义的高低电平信号与s 3 c 4 4 b o 系统的l v t t l 电路所定义的 高低电平信号完全不同，l v t t l 的标准逻辑“l ”对应2 v 一3 v 电平，标准逻辑“o ” 对应0 v 一0 4 v 电平，而r s 一2 3 2 一c 标准采用