（计算机应用技术专业论文）基于fpga的嵌入式计量系统的研究与设计.pdf

哈尔滨t 程大学硕士学位论文 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ i _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ - _ l i i 摘要 据调查，我国定量包装商品的需求量很大，单冶金企业每年新增和更换 的各类工业计量装置就达约5 0 0 0 台，而其他工业及商业部门也都需要装备数 量很大的电子计量装置。面对国内巨大的需求，我国自动定量计量控制仪表 技术相对落后的现状急需改变。一般情况下，若想提高系统计量速度，就会 影响计量精确度，若想确保计量准确度，就要适当降低计量速度，二者相互 影响，相互制约。如何同时提高计量精度和计量速度，一直是工厂企业和研 究领域亟需解决的难题之一。 在这样的背景下，本文针对粉末状产品计量系统展开深入研究，设计了 一种基于f p g a 的双处理器动态计量系统。本系统由双处理器分担不同的控 制环节，在同一块芯片上工作，与目前广泛使用的单处理器结构的产品相比， 在成本显著降低的同时，具有更高的处理能力。为进一步提高系统运行速度， 提出了使用硬件手段进行双处理器共享资源访问并在文中给出具体实现方 法。使用v e r i l o g 语言设计了f m 2 4 读写i p 软核，实现外部存储器的高速读 写，经过功能验证后集成入本系统中。通过对复合采样滤波算法和落差值补 偿方法的仔细研究，本文提出根据第一次计量的偏差和物料流量对切换系数 进行实时修正的反馈控制方法。它既改进了复合采样滤波算法不能很好的处 理外界干扰的不足，又弥补了落差值补偿方法不具备在线处理能力的缺陷， 提高了系统的计量精度。 最后，本文为系统搭建了实验平台，选用a l t e r a 公司的c y c l o n e l ie p 2 c 8 作为主芯片，两个n i o s l i 软核作为处理器，实现了粉末状物料的高精度实时 计量，取得了较好的效果，为今后进一步的研究奠定了基础。 关键词：双处理器；动态计量；反馈控制：嵌入式系统：软核 哈尔滨 ：挥大学硕七学位论文 l 一i i i i i i i i i i i - i 一 a b s tr a c t i ti s r e p o r t e d t h a ti t si n g r e a td e m a n df o rq u a n t i t a t i v ep a c k a g i n g c o m m o d i t i e si nc h i n a f o ra l li n s t a n c e ，m e t a l l u r g ye n t e r p r i s e sa l o n en e e dt o u p d a t ea n dr e p l a c eu pt o5 0 0 0p i e c e so fv a r i o u si n d u s t r i a lm e a s b r ee q u i p m e n t ，l e t a l o n eo t h e ri n d u s t r i a ld e p a r t m e n t sa n dc o m m e r c i a lp a r t s t h i st r e n dc a l l sf o r i m m e d i a t es o l u t i o nf o rr e v e r s i n gt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fr e l a t i v eb a c k w a r d t e c h n o l o g yf o ra u t o m a t i cq u a n t i t a t i v em e a s u r ec o n t r o la p p a r a t u s e si no u rc o u n t r y t oe n s u r eo ft h em e a s u r e a c c u r a c y , t h em e a s u r es p e e dm u s tb el o w e r e d a p p r o p r i a t e l y , w h i c hi nt u r ni n f l u e n c e st h ea c c u r a c yo fm e a s u r e o n es i d ea f f e c t s t h eo t h e r , a n dr e s t r i c t st h eo t h e r t h e r e f o r eh o wt oi m p r o v et h ea c c u r a c ya n d s p e e do fm e a s u r es y s t e mh a sb e e no n eo ft h et o u 醮p r o b l e m st h a tn e e di m m e d i a t e s o l u t i o nf o re n t e r p r i s e s f a c t o r i e s b a s e do nt h i s ，t h i sp a p e re x p l o r e st h em e a s u r es y s t e mf o rp o w d e rp r o d u c t s d o u b l e - p r o c e s s o rd y n a m i cm e a s u r es y s t e mu s i n gf p g ai sd e s i g n e d t h ed o u b l e p r o c e s s o r sc o n t r o ld i f f e r e n tl i n k si nt h i ss y s t e m ，a n dt h e yw o r ko nt h es a m ec h i p c o m p a r e dt ot h ec u r r e n t l yw i d e l yu s e ds i n g l ep r o c e s s o rs t r u c t u r e dp r o d u c t s ，i t p o s s e s s e sh i g hp e r f o r m a n c ea n dn e e d sl e s sc o s t s t of u r t h e rs p e e du ps y s t e m o p e r a t i o n , d o u b l ep r o c e s s o r sa r eu s e df o rs h a r e dr e s o u r c e sa c c e s si nh a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o n ，a n dt h ed e t a i l e di m p l e m e n t a t i o nm e t h o di sd e s c r i b e d f m 2 4i s d e s i g n e di nv e r i l o gl a n g u a g et or e a da n dw r i t ei ps o f tc o r e ，w h i c ha t t a i n sh i 馥 s p e e do fr e a d i n ga n dw r i t i n gf o re x t e r n a ld e v i c e s t h e ni ti si n t e g r a t e di n t ot h e p r o p o s e ds y s t e ma f t e rf u n c t i o nv e r i f i c a t i o n a f t e rc a r e f u li n v e s t i g a t i o ni n t o c o m p l e xf i l t e ra l g o r i t h ma n dd i f f e r e n c ec o m p l e m e n t a r ym e t h o d ，t h i sp a p e rp u t su p f o r w a r daf e e d b a c kc o n t r o la p p r o a c hu s i n gt h ef i r s tt i m em e a s u r ed i f f e r e n c ea n d m a t e r i a lf l u x 幻m o d i f ys w i t c h i n gc o e f f i c i e n ti nr e a lt i m e 。i th a st h ea d v a n t a g eo f e f f i c i e n t l yd e a l i n gw i t ht h ei n t e r f e r e n c eo u t s i d et h es y s t e mt h a tc o m p l e xs a m p l i n g f i l t e ra l g o r i t h ms u f f e r sf r o m ，i na d d i t i o nt ot h em e r i t so fo n l i n ep r o c e s s i n ga b i l i t i e s 哈尔滨+ i ：程人学硕士学侍论文 t h a td i f f e r e n c ec o m p l e m e n t a r ym e t h o di s s h o r to f t h em e a s u 】汜a c c u r 暑l c vi s i m p r o v e da tt h es a m et i m e f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi se s t a b l i s h e d c y c l o n e i ie p 2 c 8 舶m a l t e r ac o m p a n yi su t i l i z e da s m a j o rc h i p ，a n dt w on i o s l is o f tc o r e sa c t 嬲 p r o c e s s o r st oi m p l e m e n th i g ha c c u r a c yr e a lt i m em e a s u r ef o rp o w d e rm a t e r i a l s a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s p r o v et h ee f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e dm e t h o d w h i c hl a yg o o df o u n d a t i o nf o rf u t u r ef u r t h e rr e s e a r c hw o r k s k e y w o r d s ：d o u b l e - p r o c e s s o r ；d y n a m i cm e 嬲u r e m e n t ；f e e d b a c kc o n t r o l ： e m b e d d e ds y s t e m ：s o f tc o r e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的拳有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：阳8 年月10 e l 第1 章绪论 1 。- l 课题研究背景及意义 随着各个领域应用需求的多样讫，嵌入式设计技术也经历着一次又一次 的革新。利用e d a 工具和硬件描述语言( h d l ，h a r d w a r ed e s c n p f i o n l a n g u a g e ，根据产品的特定要求，设计出性能价格比高的系统，是墨翦国际 上广泛使用的方法。集成电路设计技术和制造技术的快速进步使得i c 设计者 能够将越来越复杂的功能集成到单硅片上。s o c ( s o c ，s y s t e mo nac h i p ) 正是 在集成电路向集成系统转变的大方宾下产生的。s o c 是现代电子系统设计的 一个发展方向，通过提高芯片的集成度、减少系统芯片的数量和相互之间的 p c b 连线、减少p c b 面积来降低整个系统的成本，同时使系统的性能、功能 和可靠性都有很大的提高i l 2 1 。它的定义多种多样，这是幽于其内涵丰富、应 用范围广，很难给出准确定义。从狭义角度讲，它是信息系统核心的芯片集 成，是将系统关键部件集成在一块芯片上；从广义角度讲，s o c 是一个微小 型系统，如果说中央处理器是大脑，那么s o c 就是包括大脑、心脏、眼睛和 手的系统。囡内外学术界一般颧向将s o c 定义为将微处理器、模拟i p 核、 数字i p 核和存储器( 或片外存储控制接口) 集成在单一芯片上。它拥有独立的 处理器以及蠢定基础的软件，通常是客户定制的，或是甏向特定用途的标准 产品 3 - 5 1 。 。 s o c 的实现方式有两种，一种是以专用集成电路( a s i c ，a p p l i c a t i o n s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 为物理载体的实现方式；另一种是以高密度现场可 编程门阵列器件( f p g a ，f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 为物理载体的实现方 式。s o c 系统传统上一直都是用掩膜a s i c 去实现，但是掩膜a s i c 的最低定 购量大，流片费用高，设计完成后如果不能满足要求，需要重新设计再进行 验证，其结采是导致设计开发周期变长，产品土市时闻难于保证，因此，这 种方式只有在单片能分担流片费用的时候才适合采用，否则，开发成本让人 无法容忍。使用f p g a 作为物理载体进行芯片设计的技术称为可编程片上系 晗宠；滨一 ：程人学硬士学位论文 统技术。顾名思义，首先，它是片上系统，即由单块芯片完成整个系统的生 要逻辑功能：其次，它是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩 充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。相对于掩膜a s i c 的片上 系统，它还具有价格优势，因此，对于小批量、多品种的产品需求，f p g a 往往是设计者的首选1 6 , 7 1 。 作为一个人口大囡，国内对于定量包装商品的需求数量相当巨大。调奄 结果显示，单单冶金企韭每年新增和更换的各类工业电子计量装置就达约 5 0 0 0 多台，其他工业及商业部门也都需要装备数量很大的电子计量装置。而 我因现有的一些电子称重装置技术含量不高，特剐是在定量计量这一方匿， 无论是速度还是精度都无法与欧美国家的同类产品相抗衡，因此，在快速自 动计量中如何提高动态计量准确度，一直是工业企业及商业部f 1 急需解决的 难题 4 1 。随着我国加入w t o 步伐的加快，投资和贸易环境不断改善，一个必 然趋势是国际知名称重包装企业将进一步加大在华的投资和生产力度，对我 国国内的企业势必带来一定的冲击，因此全面提升我国称重包装制造业的技 术含量刻不容缓。鉴于我国的现状以及考虑到目前出口的对象主要是东南豫、 中东及菲渊市场，在未来一段时闯墨我毽定量包装视械制造监应以注重开发 快速、成本较低的包装设备为主，使设备往更小型、更灵活机动、多用途、 高效率的方肉发展。 鉴于这种情况，对计量系统展开相关研究，将先进的f p g a 技术应用到 嵌入式计量系统中去，对于提高系统的控制能力及其动态称量精度的准确性 无论是理论上还是在实际应用中均具有十分重要的意义。 。2 相关研究和应用现状 1 。2 1 国内外计量系统研究现状 国内外生产定量计量包装设备的企业大体可以分为两类，一类是包装机 械制造企业，如我国的华夏包装机械有限公司、仅一包装设备有限公司，德 国的w o l f v e r p a c k u n g s m a s c h i n e ng m b h 、日本的t o y om a c n u f a c h i n g 等公司； 另一类是衡器制造企业，如我图的金钟电子衡器股份有限公司、大和衡器有 限公司，瑞士的m e t t e r - t o l e 曲、德国的p f r e u n d t 等公司。 2 哈尔滨：f 程大学硕士学侮论文 国内企业生产的定量计量包装设备大约速度为平均每袋8 7 秒，精度为 0 5 f s ；豳外企业生产的定量计量包装设备的速度为每袋7 9 秒，精度为 o 3 0 5 f s 。仅从纯包装机械的包装速度看，国内生产的包装机的包装速度 与囡外生产的包装机的包装速度，几乎没有什么差别。国内的多家公司( 如仅 一公司、上海安可公司等) 生产的包装机包装速度可达每袋8 秒。可以说，圈 前定量计量包装设备的速度上不去的关键是在动态计量的速度上，即在保证 一定糖度要求的前提下，动态物料定量计量的速度主不去剐o l 。隽了提高动态 物料定量计量的速度，国际上一些对定量计量包装颇有研究的著名高校( 如美 国的u n i v e r s i t yo fw a s h i n g t o n 、加拿大的m c g i l lu n i v e r s i t y 、芬兰的h e l s i n k i u n i v e r s i 西o f t e c h n o l o g y ) 也正在进行相关的研究工作。国内的企业和高校( 如 山东大学) 也为解决这一关键问题展开? 研究实验工作。 1 2 2 国内外计量系统应用现状 尽管近年来我圜定量称重包装枫械行业的翻动化水平有了明显的提高， 但是由于在我国此行业的形成仅经过了2 0 年时间，而这2 0 年又是世界先进 技术发展最快的时期，国外已将很多先进技术，如远距离遥控技术、自适应 误差补偿技术、信息处理技术应用在定量称重包装机械上。再者，我国定量 包装行业不顾行业发展要求，重复生产那些成本低、工艺水平比较落后、易 于制造的机械产品的现象+ 分普遍。这种低水平重复现象如果不加以控制，8 会造成低水平、低档次的产品不断生产出来，对资源造成极大浪费，同时大 量这类产品充斥市场，供大予求，造成机械市场的混乱，使合法的知识产权 得不到有效的保护，阻碍行业产品的不断升级换代和创新，最终阻碍社会经 济向前发展f l l l 。 目前我国许多中小企业还在用人工称重、人工包装，或是自动称重后再 人工包装，这大大制约了现阶段我国社会劳动生产率的提高，造成了人力和 物力资源的睡大浪费瓣2 i 。出现这类情况的主要原因是现有的定量称重包装设 备要么称重过程的速度慢( 国内制造) ，要么就是价格高( 国外制造) 。速度慢 不能满足一些企业的生产要求，两价格高又使这些中小企业无力购买。当蘸 我图劳动力成本低使得这些企业暂时得到了一些生存的空间，但从长远来看， 这种状况的存在必然会制约了我国产业的结构井级和技术进步。阉时劳动赣 哙尔滨下程大学硕学使论文 所得太低，必然导致整个社会收入结构不合理，进而导致市场和生产结构的 援蓝和畸形化，使社会生产资源得不到合理有效的分配f 婚l 。 1 2 3 计量系统发展趋势 在优工、水泥、粮食、饲料等行业的生产过程中，都需要对产晶进行定 量包装。传统的定量计量和包装是采用人工来进行，不但生产效率低下，而 且计量精度低。随着工业自动化水平的提高和微电子技术的不断发展，计量 技术也在不断的发展。大致可以划分为以下的3 个阶段： ( 1 _ ) 采用单处理器为核心的结构 这种结构的计量系统主要采用单片祝结构，单片机不但要完成高速的数 据采集，而且还要对采集的数据进行处理，发出相应的控制命令。它的功能 j 常有限，只能完成一路控制和计量状态的曼示，并且不能提供操作秀面和 通讯功能。 ( 2 ) 采用单处理器和可编程逻辑器件为核心的结构 这种结构的计量系统的处理器主要采用单片机和可编程逻辑器件相结合 的结构，可编程逻辑器件主要采用通用阵列逻辑。系统利用可编程逻辑器件 完成高速的数据采集，同时单片机负责对采集的数据进行处理，发出相应的 控制命令。但是由于单片机处理能力有限，它只能完成一路控制，提供简单 的交互操俸界亟和透讯功能。 ( 3 ) 采用双处理器为核心的结构 这种结构的计量系统的双处理器主要采用两个单片机。其中一个单片机 专门负责高速的数据采集，使系统具有进行多路的数据采集的能力；另外一 个单片机对采集的数据进行处理，发出多路控制命令。这种结构的系统虽然 可以进行多路控制，但是单片机处理能力有限，不具备向网络化发展的能力。 如果一个处理器采用单片机，另外采用一个采用3 2 位a r m 处理器对采集的 数据进行处理，这样的系统虽然可以进行多路控制和向网络化发展的能力， 但是开发过程中要采用两种不同的开发工具，硬件设计和软件编程过程复杂， 会导致开发周期长，成本比较高潜一6 1 。 在目前的粉末状产品包装领域，计量系统的误差一般在士o 4 ，主要采 用成熟的单片机技术进行数据处理和设备控制。为了实现包装系统过程的自 4 哈尔滨t 程大学硕士学靛论文 动化，除了机械装置支持外，还需要引入一定的控制算法。同时，如果需要 提态计量精度，防止外赛的多种干扰，需要采用复杂的滤波控制算法对采样 数据进行处理。单片机系统由于本身性能的缺陷，在面对复杂控制算法的运 行中难以提高系统运行的速度，因此也必然难以提高系统的效率旧。虽然有 些设备应用了先进的f p g a 技术，但是单处理器有限的运算速度和处理能力 在面对结构复杂且需要大量数据计算的设备时力不从心。 麸当前计量系统豹发展趋势来看，它麸简单的l e d 显示向具有良好交互 界面的方向发展；从一路控制逐渐向着多路控制的方向发展；从实现简单的 逶讯功能向便捷的网络化方向发展。嚣此，采篇多处理器为核心的结构实现 多路控制的计量系统是未来的发展趋势呻l 。 1 3 本论文研究的主要工作 在对f p g a 实现方法和计量系统的理论及应用研究的基础上，本文设计 开发了采用双n i o s 软核处理器分别进行数据采集处理和系统控制的f p g a 嵌 入式自动计量系统。主要在下列几个方面开展工作： ( 1 ) 在对当前计量系统和嵌入式技术的研究与发展情况进行了深入研究 的基础上，设计了本系统的整体结构，提出使用两个软核处理器处在同一块 f p g a 芯片中，共同参与系统z 作的新方法，提高了系统计量速度。 ( 2 ) 对复合采样滤波算法和落差值补偿方法这两种广泛应用于计量系统 中的方法进褥深入研究，设计出反馈控制薪方法，使系统具有在线实时控制 能力，提高了系统的计量精度。 3 ) 利用硬件设诗软件化的思想，力系统设计了l p 软核，解决了双处理 器共享资源访问和外部存储器高速读写的问题，通过对i p 软核施加测试激励 的方法，对其进行了功能验证，并集成入系统中。 ( 4 ) 为系统的验证搭建了实验平台，并分别使用复合采样滤波算法、落差 值补偿方法和反馈控制方法对给料系统进行控制，通过对不同结果的比较得 出反馈控制方法能在连续工佟的情况下保持良好的计量效果的结论。 5 哈尔滨j l ：程大学硕士学豫论文 1 4 论文组织 本论文一共分为五章，各章节主要内容如下： 第l 章为绪论。主要介绍了课题的研究背景及意义，国内外计量系统和 嵌入式技术的研究及应用现状。 第2 章为对嵌入式计量系统相关技术的研究。对计量系统中的嵌入式技 术进行深入研究，分别扶硬髂系统和软件系统两方恧进彳予了分季厅，并对嵌入 式技术在计量行业的应用情况进行了阐述。重点分析了动态计量系统的相关 情况，指出动态计量系统的两个关键阀题就是计量精度和计量速度。 第3 章为反馈控制方案设计。在对目前广泛使用的复合采样滤波方法和 落差值补偿方法进行仔细研究的基础上，分析了螺旋加料过程的物理机理， 对给料系统进行建模，提出控制策略，设计了反馈控制方法来提高系统的计 量精度。 第4 章为双处理器结构与撙软核设计。提出双处理器共同参与系统工作 的新结构，并使用硬件互斥的方法解决了两个处理器之间资源共享的问题， 给爨臻软核设计的详细过程和功能仿真盼结果分析。 第5 章为实验及结果分析。为验证系统的性能搭建了实验平台，进行系 统的整体配墅和编译下载工作，并且对f p g a 的资源使用情况进行了分析， 对于实验结果进行总结，对尚待解决的问题进行探讨。 6 哈尔滨l ：挥人学颈士学侮论文 第2 章对嵌入式计量系统相关技术的研究 计量技术在人类的历史发展中占有相当重要的地位，可以说它的发展是 伴随着人类历史的前进而发展的。早期的计量系统都是机械式的结构，如天 平、游跎秤和弹簧秤等。但是这类器件容易磨损、称量的精度差、维护操作 比较复杂、在称量的过程中也很容易产生人为的误差，这些致命的缺点使得 机械式的计量系统的应用受到了非常大的限制。随着微处理器的如现，以微 处理器为核心的微型计算机以其微小、可靠性高、智能化水平高等特点引起 了自动控制应用行业的广泛兴趣，要求将微型计算机嵌入到一个对象体系中， 用予实现智能化控制成为普遍的要求。在计量领域，基于嵌入式系统设计的 开发平台因其较强的功能性、高稳定性、高可靠性、高柔化性等特点也越来 越多的应用于各科l 各样的计量产品中。本章主要讨论计量系统中的嵌入式技 术以及对动态计量系统的研究结果。 2 1 计量系统中的嵌入式技术 计量技术中的嵌入式系统是以应用为中心麴，整合计算枧的软件和硬件 技术，针对我们特定的计量目的，以“量体裁农 的方式把所需的功能嵌入 到计量系统的设各中。使用电子计量方法以及对功能、可靠性、成本、体积、 功耗严格要求的控制系统，通过标准化设计的计算机硬件系统和基于应用目 的修改的操作系统，形成柔性化的开发平台，在此基础上开发面向对象的应 用软件嘲。对于嵌入式系统较为全面的理解应分别从硬件和软件两方面来认 识。其中硬件系统是由嵌入式处理器作基础平台，软件系统是以嵌入式软件 秀运行平台。 2 。1 1 硬件系统 嵌入式计量系统的硬件结构如图2 1 所示。图中的a d 接口部分主要是 针对计量领域的应用，为了降低计量系统中计算机处理的负担，需要针对a 他 转换电路设置接口芯片电路，一般采用数字信号处理器( d s p ，d i g i t a ls i g n a l 7 哈尔滨l ：琏人学硕士学位论文 p r o c e s s o r ) 。d s p 除了实现上述的功能外，还可以针对信号数据进行多种数学 运算处理，这样做可以太大减轻中央处理器的负担，同时它通常具有一定的 加密特性，可以保护生产厂家的知识产权，具体采用的实现方案要视实际需 要和系统配置，一般来说，信号处理难度大、速度要求较高的场会建议采用 d s p 进行数据的处理潲。 图2 1 硬件结构 一般情况下，系统的内部存储器可最大选择1 2 8 m ，但是为了降低成本， 需要对内部存储器的容量进行缩减，也就是应该根据使用的操作系统和软件 合理的选择内存的容量。通常如果是应用到动态的计量系统，选择l i n u x 或 者是更小的操作系统，这样的情况下，3 2 m 的内部存储器就可以满足要求。 如果应用到需要数据库管理、图像和音频信号处理、连接网络等处理的计量 系统，就需要相应煞增加内部存储器的容量了。电子硬盘的选择通常是采用 铁电存储器等外部存储器件，可以集成到电路板上，也可以采用s d 卡或c f 卡进行存赭，如果是应用于工业现场，建议采用铁电存储器。 8 哙尔滨下程人学硕学使论文 硬件系统中的人机界面主要提供系统的人机交互功能，基于嵌入式技术 的计量系统可以支持l c d 液晶显示和c r t 显示，考虑到体积和功耗等原因， 目前大多系统都是采用l c d 液晶显示。对于系统操作者来说，如果系统不但 支持传统的键盘，还支持触摸屏的使用，将会大大提高系统的可操作性，触 摸屏的使用将会越来越广泛。但是，要注意触摸屏的实现有电阻、电感、电 容、红外等多种方法，考虑到在工业现场，系统在有灰尘、油渍和机械冲击 的环境下可靠性降低，所以最可靠的不是我们在商业领域常见的电阻、电感、 电容方式，而是采用红外原理的触摸屏( ：- 】。 嵌入式计量系统的体系架构可分为三种形式：s o c 形式、芯片级架构和 将x 8 6 处理器嵌入到系统中的结构。其中，s o c 形式，即是根据系统功能的 需求，将不同的i p 核，集成在一块芯片中，它包含有处理器功能，l ，o 接阏 功能及相应的嵌入式软件。芯片级架构，则通常选用相应的微处理器，如 m c u 、m p u 、d s p 、r i s c 等芯片，并将r a m 、r o m 及i o 接口芯片等组 成相应的嵌入式系统，相应的系统软徉、应用软件以固件的形式霾化在r o m 中，这是目前常用的嵌入式系统的架构方式。众所周知，m c u 、m p u 属于 单片机系列，r i s c 处理器具有结构简单、处理速度快和处理功栽强等优点， 因此，新型的嵌入式系统大多数采用烈s c 处理器。这种处理器因前典型的 代表是a r m 架构处理器，世界上许多公司均基于a r m 絮构开发怨相应的微 处理器芯片，如：a t m e i 公司的a t 9 1 系列m c u ；i n t e l 公司的s a 1 1 l o 微 处理器m p u ；c i r r o s 公司的e p 及c l p s 系列手持式计算机产品的m p u 等， 其产品中均采用a r m 内核。另外一种新型的微处理器是i n t e l 公司的x s e a l e ， 它是新一代为无线手持式应用产品开发的嵌入式处理器，是可编程计数器阵 列( p c a ，p r o g r a m m a b l ec o u n t e ra r r a y ) 开发式平台架构中应用在子系统与透 信予系统中的嵌入式处理器。将x 8 6 处理器嵌入到应用系统中的结构，这样 可充分利用计算机的通用性和便利性，采用嵌入式操作系统，并且通过将操 作系统和应用软件均固化在固态电子盘中，达到缩小体积，增加可靠性的目 的州。从目前国内嵌入式发展趋势来看，采用a r m 架构的处理器因其支持 厂家多，性价比较高，开发环境理想将成为嵌入式系统的主流。 系统的外部接口中u s b 、串行r s 2 3 2 4 8 5 都是目前常用的连接外部设备 酌接口。蔼音频、视频接口可以在计量的露时采集现场图像和指导系统操作 9 哈尔滨工程人学硕学像论文 者。以太网接口主要功能是连接计量系统到和网络，用来进行数据传送和接 收。考虑到今后无线数据连接的便利性和广泛的薏；求，建议在接圈配置蓝 牙或红外以便连接打印机、远距离显示器等外部设备，用来减少有线接口的 损坏比例。 2 1 2 软件系统 通常，计量系统的嵌入式软件部分包括系统软件程序和应用软件程序两 部分。所有的软件都要集成到硬件系统之中，简单的说就是系统的软件与系 统的硬件需要一体化，类似予基本输入输出系统( b i o s ，b a s i ci n p u t o u t p u t s y s t e m ) 的工作方式。为了适应于对实时和多任务有要求的体系，要求系统具 有软件代码小、高度自动化和响应速度快等特点 2 2 1 。 由于嵌入式计量系统的反震软件要根据具体的生产要求进行编制，下面 介绍嵌入式系统中常用的操作系统。 第一类是传统的经典实时多任务操作系统( r t o s ，r e a lt i m eo p e r a t i n g s y s t e m ) 。其中最主要的便是v x w o r k s 操作系统，以及其t o r n a d o 开发平台。 因为v x w o r k s 出现时间阜，且实时性很强，可在l m s 内响应外部事件请求， 并且内核最小可到8 k ，可靠性较高，所以在北荚，v x w o r k s 占据了嵌入式系 统的大部分。v x w o r k s 的很多概念和技术都和l i n u x 很类似，主要是c 语畜 开发，但v x w o r 虹也存在缺点就是价格很高，嚣前市场上与v x w o r k s 类似的 实时操作系统还有p s o s 、q n x 、n u c l e u s 等r t o s 。 第二类是大家耳熟能详的嵌入式l i n u x 操作系统。l i n u x 除了馋为服务器 操作系统外，其最成功的便是在嵌入式领域的应用。由于它的免费开源、支 持软件多、呼拥者众等特点，嵌入式产品的成本会相应降低。同时，l i n t l x 本身不是一个为嵌入式设计的操作系统，与v x w o r k s 相比，实时性不强。目 前，应用在嵌入式领域的l i n u x 系统主要有两类：一是专为嵌入式设计的已 经被裁减过的l i n u x 系统，如u c l i n u x ；二是是将l i n u x 内核移植在a r m 9 上，使其拥有更多的l i n u x 功能。 第三类是w i n d o w sc e 嵌入式操作系统。由于w i n c e 开发都是在程净员 熟悉的v c + 十环境下，所以开发环境方便快速，与微软的其他软件连接容易， 因此容易被人们接受，并且有微软的强大技术支持，其开发难度远低于嵌入 l o 哙尔滨程大学硕士学靛论文 式l i n u x ，但是它也存在价格偏高，实时性差的缺点阻2 4 j 。 嵌入式操作系统必须具备代码容量小、面向应用、响应速度快、实时处 理能力强、可靠性高等特点。如果是应用在静态计量，则主要工作是进行数 据麾管理和网络传递，考虑到与w i n d o w s 的兼容性，建议可采用w 嫩d o w sc e 或l i n u x 作为操作系统。如果动态计量，则主要工 乍是数据处理和实时控制， 建议选用面向工业的v x w o r k s 的操作系统。 2 1 3 嵌入式技术在计量行业的应用 随着计量行业技术水平的提高，用户对产品技术和产品可靠性的要求也 随之不断提升。采用嵌入式技术的计量产品随着其技术的商品化普及，在最 近几年开始出现在国内外市场，目前主要应用在以下几个领域： ( 1 ) 基予离端的静态计量领域 在静态电子计量使用中，为了提高物资的计量管理水平，往往需要将电 子计量系统的显示器件连接到计算机上，通过专f 1 的软佟进行计量数据的管 理和传送，甚至有些计量系统的计算机还要连接控制杆、红绿灯、摄像监控 系统、物料识别等多个外部设备，同时计算机本身还要连接入企业的局域网， 所以，在这种高层次的应用领域，电子计量系统已经不仅仅是完成计量功能， 更主要的还担负着信息采集和物流控制作用。又由于计算机本身存在对环境 的特殊要求，在部分工业现场无法采焉，同时个入计算机作为控制器还存在 一定的局限性。为了克服以上方案成本偏高，系统可靠性和抗干扰能力差的 缺点，应用嵌入式系统的显示控制器毒现在该产品中，它集成了计量显示器 的转换功能和嵌入式计算机硬件系统，采用面向互联网适应能力强的操作系 统，应用软件固化在举导体存储器中。这种系统在提高了可靠性的同时，兼 容性和可操作性也大为改善，可直接连接图像采集设备、以太网、f o 连接 设备和物料识别等相关设备，同时可以进行数据库操作和数据传送，大大简 化了系统的集成工作【2 5 1 。 ( 2 ) 动态车辆计量领域 在动态车辆计量领域的应用中，传统的解决方法是采用a d 转换通道与 计算机系统的组合，这就要求使用电子计量设备的现场必须满足计算机的使 用环境要求。同时因为重量的显示和运算均是在计算机上完成的，因此不存 哈尔滨一 ：挥犬学硕七学侮论文 在传统意义上的计量仪表，而计算机系统要满足计量显示器的标准要求，如 温度、湿热等条件显然困难重重。使用计算机来对计量信号进行显示和处理， 对计量系统的校验参数进行存储，其防作弊能力和数据存储的安全性都会受 到计算机的特性影响，并且系统连接的复杂程度限制了传统方案的应用。所 以，嵌入式系统逐步开始替代原来的计算机和a d 转换通道的系统组合，尤 其是在高速公路计重收费的动态车辆计量领域中，小巧而且集成化的嵌入式 系统仪表完全替代了原有的彤d 转换通道和计算机处理识别功麓，其防护水 平和环境适应能力大大提高，并且系统可靠，数据保密性相对较好【2 6 l 。 3 ) 动态工业自动计量系统领域 在各种工业自动计量系统领域中，为了适应各种各样的使用要求，同时 又考虑到产品的可升级能力和扩展性，控制系统和计量系统模块往往集成在 一起，为了方便系统调试，又需要系统具有丰富的人机界面功能和扩展柔性， 因此在包装系统、分选设备、配料控制系统等多种自动计量控制系统中，各 种各样嚣基子嵌入式系统的计量技术被大量应耀 2 7 1 。 2 。2 动态计量技术 计量是测量物体的质量，一直以来关于物体质量的计量都是通过在重力 场作用下对重力的测量得出的。磊前，世界各地所用的计量系统中，不管怒 利用杠杆原理研制出的，还是利用弹性元件的恢复力与需计量的物体的重力 达劐平衡的方式来计量的，都需要重力场和静力平衡这蘧个必要条件。需要 重力场说明现代各种计量系统都不可以在没有重力场的情况下工作，需要静 力平衡说明各种计量系统都必须保持平衡z 能进行物体质量的计量。 但是在日常的生产和生活中经常需要对于处于运动中的，在存在震动源 干扰条件下的物体的质量进行计量，这就对于传统的计量系统提出了新的要 求。为了颁应这种需求，静态计量开始向着动态计量过渡。 2 2 1 动态计量系统 为了提高计量系统的效率，人们常常希望得到快速连续的自动计量结果， 使计量在正常的生产过程中完成，丽不是去占用生产以外的时间。但是在生 1 2 哈尔滨r l i 器大学硕士学传论文 _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ii ii i i i i i i l l l li l l l - _ - _ r 产的过程中这些产品都是处予动态的，产品的计量也是在运动或振动的环境 下进行的，所以必须要在动态的条彳牛下实施快速的计量才雒提高生产的效率。 动态的计量系统已经由一个单一的质量计量装雹逐渐发展成一个集质量计 量、自动控制和信息处理等部分共同组成的综合性的计量系统。 所谓的动态计量系统就是在需要计量的物体质量未达到稳定值之前，根 据计量质量随时间变化的规律，得出计量稳定值的系统。产品在运动中进行 计量，刘其称重传感器缀成的动态计量系统不是闭环豹自动控制系统，蔼是 一种数据采集处理系统，它根据动态计量系统给出的信号特征和量值进行处 理，再麸中分离出与质量成正比的直流成分，所以说蜀前的动态计量方法可 以说是以信号处理为主的一种方法。 一个动态的计量控制系统通常由以下几个部分组成：计量测力传感器、 信号适调部分、信号处理部分和显示记录部分。传感器部分是计壁系统的输 入端，它与计量物体或系统相连接，并且给出计量物体重量的输出信号。接 下来信号的适调部分将传感器的输出部分进行加工，例如信号的放大或衰减、 信号的滤波等。信号处理部分接收信号适调部分输出的信号，并对其进行必 要的运算处理然后转换成用予显示和记录的信号。对于这几部分进行正确的 分析和描述，消减动态计量的不定度，提高动态响应速度，并进行动态补偿， 这样就可以对产品重量进行快速准确的计量【2 s l 。 2 2 2 动态计量信号处理 动态计量系统的计量值近似产品实际值的程度主要取决于两方匿的条 件。一个是动态计量时的干扰，另一个是计量系统本身的动态特性，即计量 系统的传递函数。可通过动态计量系统的传递函数、实验频率特性、阶跃和 脉冲响应等多种方法来确定被计量信号。在动态电子秤和动态计量系统中， 所用的计量方法不外乎均值、最大最小傻、多重积分、速度、均值和分频法 等。而应用较多的动态计量信号处理方法主要有数字滤波、估算和比较法。 数字滤波法主要是在模拟滤波器基础上发展起来的数字滤波器。它是一 种具有频率选择性的线性离散系统，可以通过软件来实现硬件功能，其特点 是灵活性大、精度高、稳定性好。估算法是动态称重的一个基本方法，其理 论基础之一是概率统计分孝厅，严格的说也是一种滤波方法，只不过估算过程 哈尔滨工程人学颈七学位论文 是在时域进行的。比较法则是用已知质量和待测质量进行比较来消除运动加 速度的影响f 捌。 2 2 3 动态计量的关键问题 动态定量计量中的秀个关键问题，一是计量准确度，二是计量速度。实 际计量配料过程中，系统的计量速度和准确度是相互影响，相互制约的。一 般动态定量计量过程的生产率都有规定，所以在给定的生产率前提下，即计 量配料时间周期一定的情况下，同时要使配料精度达到要求。动态计量过程 含有振荡、时变、非线性、不确定性以及随机干扰等因素，当加快计量速度 时，计量传感器的欠阻尼震荡，物料冲击力变化弓| 起振动和不确定的空中飞 料等干扰因素将影响计量准确度。为提高称重准确度，有时就不得不降低称 重速度。同时实现高称重准确度和较嵩称重速度的动态计量是计量领域的难 题之一。 要实现定量下料的快速度和高精度，首要解决的是系统的动态计量精度 问题。通常，影响计量的静态精度的因索主要有：计量传感器的测量误差； 模数转换带来的量化误差；噪声干扰误差等。影响计量的动态精度的因素主 要有：称重测量系统的欠阻尼震荡；物料下料的冲击力：测量的滞后( 空中物 料) 带来的落差误差等。 物料定量计量的简单过程为：启动进料装置，物料在自身重力的作用下 进入计量料斗，料斗上装有称重传感器，料斗的重量信号由称重传感器转换 成与之对应麴电压信号，经放大器把该电压信号放大后送入计算机进行数据 处理，当到达预定值时，停止进料，完成一次定量计量。造成定量配料误差 的原因