（机械电子工程专业论文）基于arm的旅客列车平稳性测试系统的研究.pdf

北京交通大学硕士论文 1 2 国内外列车平稳性测试系统现状 铁道车辆动力学性能检测一直是各国铁路机构研究的重要内 容，平稳性指标是其中一个重要豹指标。对于平稳性澍试，国内外从 检测车到便携式设备检测都有相应的产品。目前国内外开展铁路客车 运行平稳性检测试验普遍采用试验列车加试验车的测量方法，如铁道 科学研究院在做铁道车辆动力学性能试验时采用的是基于网络技术 的分布式数据采集系统，数据采集系统和数据处理系统布置在试验车 上，传感器安装在各被试车上，通过屏蔽电缆连接到数采系统上，平 稳性数据是通过试验车的采集处理系统得到的，对列车进行平稳性评 价。通过专业部门使用专门实验设备来做动力学试验，需要投入相当 大的人力、物力和财力n “。 便携式平稳性测试仪器灵活多变、适应范围比较广，可以随车做 试验，也便于现场分析。国内外有相应一些产品，如国外的公司：英 国d a t aa c q u i s t i o nl t d 研制的1 6 0 0 型平稳性指标仪，英国t d m t a p es e r v i c e sl i m i t e d 公司生产的m l ( i i 型便携式平稳性指标仪， 日本铁路应用佐佐木研制的新型轻量化心盘加速度测定装置等“”，都 是属于便携式平稳性测试仪。国内的大学和公司也对此做了开发，有 铁科院的基于d s p 的平稳性指标仪“”，青岛四方车辆研究所、西南交 大国家牵引动力学实验室都开发了基于虚拟仪器的车辆平稳性测量 仪器等“”“1 平稳性指标测试需要知道车体的垂向振动加速度、横向振动加 速度、列车运行的速度、位置以及当前时间，并且对振动加速度进行 复杂的信号处理，涉及复杂算法，将来的功能不仅仅局限于数据的采 集和记录，而且增加一些较多外设控制和数据处理算法，能够便于移 动计算和网络连接。目前，国内外所研制的平稳性测试仪器都有局限 性：造价都比较高，例如基于虚拟仪器的平稳性测试仪是基于p c 和 数据采集卡，需要笔记本电脑；功耗高、可扩展性差，如d s p 平稳性 测试仪扩展外设需要另加芯片，编写单独的驱动程序：数据存储和传 输不方便等问题。 如何解决这些问题呢? 由于基于a r m 的嵌入式系统具有其本身 体积小、运算速度快、运行操作系统，支持包括u s b 、以太网、无线 传输等较多外设、存储容量大等优点，为解决上述问题提供了新的技 术保证。 1 3 嵌入式技术及发展趋势 2 第一章绪论 嵌入式系统被定义为；以应用为中心、以计算机技术为基础、 软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗 严格要求的专用计算机系统。 计算机和仪器的密切结合是当前仪器发展的一个重要趋势。这种 结合有两种方式： 将仪器装入计算机中。就是以通用的计算机硬件和操作系统为 依托，实现各种仪器的功能“”。虚拟仪器就是指的这种方式。 虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪 器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果，利用p c 机强大 的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理，利用接口设备 来完成信号的采集、测量与调理，从而完成各种测试功能。 将计算机装入仪器中。就是所谓的智能化仪器。目前出现含嵌 入式系统的仪器，它就是属于智能化仪器，可以称专用计算机 系统。本课题就是研究此类仪器的设计 将嵌入式技术结合传统的信号采集与处理进行手持计算开始逐 渐成为主流。嵌入式系统这一概念实际上很久以前就已经存在了。早 在上世纪六十年代，它就被用于对电话交换进行控制，当时被称为“存 储式过程控制系统”( s t o r e d p r o g r a mc o n t r o ls y s t e m ) 。真正意义 上的嵌入式系统是在上世纪7 0 年代出现的，发展歪今已经有3 0 多年 的历史，进入9 0 年代后，以计算机和软件为核心的数字化技术取得 了迅猛发展，不仅广泛渗透到社会经济、军事、交通、通信等相关行 业，而且深入到家电、娱乐、艺术、社会文化等各个领域，掀起了一 场数字化技术革命。多媒体技术与i n t e r n e t 的应用迅速普及，电子、 计算机、通信一体化趋势日趋明显，嵌入式技术再度成为一个研究热 点，嵌入式系统成为后p c 时代i t 领域发展的主力军。美国著名学者 尼葛洛庞帝1 9 9 9 年1 月访华时曾预言：4 5 年后嵌入式智能产品将是 继p c 和因特网之后最伟大的发明，现在可以说预言已经变成现实， 目前嵌入式系统正处于高速发展阶段”“”“。 嵌入式系统的发展大致经历了以下四个发展阶段： 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器系统，同时具有检 测、伺服、指示设备相配合的功能。这一类型的系统大部分用于专业 性极强的工业控制系统中，一般没有操作系统支持，通过汇编语言对 系统进行直接控制。这一阶段系统主要的特点是：结构和功能相对单 一、效率较低、存储容量较小、几乎没有用户接口。由于这种嵌入式 系统使用简单、价格便宜，以往在工业领域中应用较为普遍。 第二阶段是以嵌入式中央处理器( c p u ) 为基础，以简单操作系统 为核心的嵌入式系统。这一阶段系统的主要特点是：c p u 种类繁多、通 第一章绪论 在大多数情况下，振动是有害的，它对振动对象的精度、寿命和可靠 性都会产生影响。当然，振动也有可以被利用的一面，如振动加工、 振动监测、故障预报等。 在长期的科学研究和工程实践中，人们已逐步形成了一门较完整 的振动工程学科，可对振动进行理论计算和分析，但这些毕竟还是建 立在简化和近似的数学模型上，还必须用试验和铡量技术进行验证。 另外，随着现代工业和现代科学技术的发展，对各种机器设备提出了 低振级和低噪声的要求，以及对主要生产过程或重要设备进行监测、 诊断，对工作环境进行控制等等。这些都离不开振动的试验和测量设 备仪器。 振动测量是以振动对象的振动为信息源，通过振动参数的变化 特征判别振动对象的状态。从振动的频率范围来看，有高频振动、低 频振动和超低频振动，按振动信号转换的方式可分为电测法、机械法 和光学法，目前广泛应用的是电测法，电测法是通过振动传感器将振 动转换为电量进行测量，或可配用专门的运算分析器和计算机，对测 量结果做进一步的分析和处理。用于铁道车辆平稳性测试的振动测量 属运输工具振动测量，车辆的振动频率为低频，目前通常采用电测法 进行振动测量”。 在电测振动中，由测振传感器接收的信号通常是复杂的时间函 数，利用信号处理技术来处理。例如，通过傅里叶变换将时域信号转 换成频域信号加以分析的方法就称为频谱分析。频谱分析技术包括幅 值谱分析、自功率谱密度函数分析、互功率谱密度函数分析、相干函 数分析、倒频谱分析等。振动信号经过频谱分柝，可以求得信号的频 率成分和结构，并进而分析系统的传递特性；通过频谱分析，还可以 对被测对象按照实际情况进行振动监测和故障诊断。当然还有诸如时 序分析法、特征分析法等其他办法分析“”“2 ”。由于采集处理的数据 量大，振动采集处理实现计算机化是必须的。 1 。5 论文研究的主要内容和任务 本课题主要研制：旅客列车平稳性测试仪。 旅客列车平稳性测试系统尽管体积小，但牵扯的面比较广，涉 及a r m 、嵌入式l i n u x 、数字信号处理技术、传感器、电路设计、g p s 等技术和振动理论、平稳性理论、速度测量部分铁道车辆运行标准等。 这里把整个系统大致分为四部分：振动加速度测量部分、速度测量部 分、数据采集处理部分以及地面数据处理部分。本论文主要对实时数 据采集与处理部分利用a r m 嵌入 北京交通大学硕士论文 于3 2 位a 删嵌入式微处理器，软件刚基于专门为a 脚量身定做的嵌 入式l i n u x 操作系统一 r l 卜l i n u x 。本论文主要研究工作如下： 1 提出并设计平稳性测试系统的整体结构，并对系统的平稳性 理论基础及测试方法作一个介绍。 2 研究以a 芯片为核心的平稳性测试系统开发方法以及硬件 电路设计。 3 结合平稳性测试系统的研究，研究基于a 跚一l i n u x 的平稳性测 试系统软件设计方法及关键技术。 第二章系统理论基础及方案基础 的平稳性指标v r ，v r 平稳性指标不仅用于对样车和现有机车车辆的 试验结果进行评估，而且也在新车开发阶段普遍的用于评估数学模型 的输出。美国的杰奈威舒适性j 矗n e w a y 系数，是通过测定车辆的振动 加速度来判定乘坐的舒适性。日本国铁在早期参考美国的j 8 n e w a y 舒 适度标准方案，在1 9 8 1 年以i s o 一2 6 3 1 为基础，考虑了铁道车辆的 振动特性，提出了乘坐舒适度水平方案。i s o 一2 6 3 1 是国际标准化组 织( i s o ) 提出的影响人体的振动评价标准，虽然是一个不具约束力 的通用评价指南，但却给各国全身振动研究带来很大影响，成为有关 规范的重要组成部分。另一种狄克曼指标可以较简便地判别人体对结 构振动具有良好感觉的界限，它能基本判别司机、旅客和桥上行人在 列车过桥时的感觉“”。他们针对自己的标准都开发了相应的检测仪 器口4 1 在这里根据我国平稳性测试系统的实际应用情况，主要介绍 s p e r l i n g 平稳性指标和由此引出的g b 5 5 9 9 8 5 即“铁道车辆动力学 性能评定和试验鉴定规范”的平稳性指标。整个平稳性测试系统也是 围绕g b 5 5 9 9 8 5 的平稳性指标进行研究和开发的。 2 2 1 s p e r lin g 平稳性指标 德国铁路以及欧洲铁路联盟( u i c ) 均采用s p e r l i n g 提出的平稳 性指数来评定车辆的运行品质。s p e r l i n g 等人在大量单一频率振动 的实验基础上提出影响车辆平稳性的两个重要因素。m 一个重要因素是位移对时间的三次导数。亦即z 一口( 加速度变化 率) 。若上式两边均乘以车体质量m 。，并将m 一之积改写成，则 m 。；i f 或j t 彘，由此可见，；在一定意义上代表力的变化率，f 的增减变化引起冲动的感觉。如果车体做简谐振动，z - z 。s i nw f ，则 ；z o w 3s i n w f ，其幅值为目t m ，) 3 。 影响平稳指数的另一个因素是振动时的动能大小，车体振动时 的最大动能为： 丢m 。；2 - 三m 。( w ) 2 一圭m 。( z 。h ，) 2t 白 ( 2 叫 删枷，) 2 鼍 s p e r l i n g 在确定平稳性指数时，把反映冲动的加速度最大幅值 9 北京交通大学硕士论文 疡口j r 。和反映振动动能( 知，) 2 的乘积( 扫) 5 0 ，5 作为衡量标准 来评定车辆运行品质。车辆运行平稳性指数的经验公式为： 1 0 2 7 ”厄丐军丽= o 8 9 6 ( 2 2 ) 式中靠哼覆幅( c m ) o ，振动频率( 日z ) ； 4 加速度俘，其值为：d 一( 缸，) 2 ； f ( r ) 与振动频率有关的加权系数： 当矗的单位为占= 9 8 l 时，公式中的系数为7 0 8 。 f ( ，) 对于垂向振动和横向振动是不同的，具体取值如表2 1 。 表2 1s p e r l i n g 平稳性频率修正系数 垂向振动 横向振动 ，( m )，( ，)，( 胁)f ( ，) o 5 5 9 0 3 2 5 ，2 0 5 5 4 o t8 ，2 5 9 2 0 ： 5 4 2 6 6 形z 2 0l - 0 2 61 0 以上的平稳性指数只适用种频率一个振幅的单一振动，但实际 上车辆在线路上运行时的振动是随机的，即振动频率和振幅都是随时 间变化的。因此，在整理车辆平稳性指数时，通常把实测的车辆振动 加速度记录按频率分解，进行频谱分析，求出每段频率范围的振幅值， 然后对每一频段计算各自的平稳性指数啊，最后求出全部频段总的平 稳性指数： f ；似”+ 叼o + + 职o ) “1 ( 2 3 ) 根据f 值来评定平稳性指标与等级。s p e r l i n g 的客车平稳性等 级列于表2 2 中。 第二章系统理论基础及方案基础 表2 2s p e r l i n g 车辆运行平稳性指标与等级 w 值 运行品质w 值乘坐舒适度( 对振动的感觉) 1很好 l 刚能感觉 2好 2 明显感觉 3满意 2 5 更明显，但并无不快 4可以运行 3 强烈，不正常，但还能忍受 3 2 5 很不正常 4 5运行不合梧 3 5 极不正常可厌，不能长时忍受 5危险 4 极可厌长时忍受有害 2 2 2 国内的平稳性指标 当前，国际上还没有统一的平稳性指标，s p e r l i n g 平稳性指标在 我国铁路得到长期的非正式的应用，直到1 9 8 5 年发布了g b 5 5 9 9 和 1 9 9 3 年发布的t b 2 3 6 0 两个标准，我国才正式采用平稳性指标对客货 车辆以及机车的运行品质进行定量的评估。我国平稳性指标的计算公 式和频率修正系数等都基本与s p e r l i n g 平稳性指标相同，但是对指 标的分级做了简化，仅分为优、良好、合格三个级别，并规定新造客 车和货车的平稳性指标不得低于“良好”1 。 一客车运行平稳性指标公式为； o s ”阿 彤。7 0 8 1 二r _ f ( f 1 ( 2 4 ) 在g b 5 j 9 9 8 5 即“铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范” 中“，将平稳性指标分为3 个等级，如表2 3 所示： 表2 3 客、货车运行平稳性等级 | 平稳性等级评定平稳性指标 客车货车 f l 级优 a r m 7 系列 a r m 9 系歹4 a r m 9 e 系歹0 a r m l o e 系列 a r m l l 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 其中ra r 【7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l o 、a r m l l 为5 个通用处理 器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能来满较高的应用而 设计1 。 由于a r m 是3 2 位的r i s c 芯片，它的体系结构为：处理器有 七种运行模式、使用便于流水线操作的单周期指令、寄存器为3 7 个，存储器支持大端格式和小端格式，此外执行速度快，所以决 定了a 蹦适合运行操作系统。运行操作系统后才能完成一些复杂 的功能，如以太网协议、u s b 通信等，也便于应用程序开发。执 行速度快，存储空间大可以适合便携式产品设计。 3 3 2a r m 9 处理器的特点 a r m 9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供了好的 条件，它具有以下特点； 北京交通大学硕士论文 统。通常，应用系统对嵌入式软件的基本要求是体积小、执行速 度快、具有较好的可裁剪性和移植性。嵌入式操作系统负责嵌入 式系统的全部软、硬件资源的分配、调度工作，控制协调并发活 动，它必须体现所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到 系统所要求的功能。嵌入式操作系统的种类繁多，大体上可分为 两种：商用型和免费型。商用型实时操作系统功能稳定、可靠， 有完善的技术支持和售后服务，如v x w o r k s 和w i n d o w s c e 等，但往往 价格昂贵。免费型实时操作系统在价格方面具有优势，目前主要 有l i n u x 和u c o s 。不管选用什么样的系统，都要从以下几个方 面加以考虑： 操作系统的硬件支持( 包括是否支持目标系统、可移植 性) 。 开发工具的支持程度。 能否满足应用需求。 许多嵌入式系统一旦开始运行，就不需要过多的干预，而且 要求不能够在运行中出现什么故障。在这种条件下，要求负责系 统管理的嵌入式操作系统具有较高的稳定性。选择一款既能满足 应用需求，性价比又达到最佳的实时操作系统，对开发工作的顺 利开展意义重大。 在嵌入式平稳性测试装置的设计中，采用嵌入式l i n u x 作为操 作系统具有很大的优势，l i n u x 作为一个非常流行的通用操作系 统，人们在它的嵌入式应用的研究中取得了不少成果。l i n u x 与其 它嵌入式操作系统( q n x ，w i n d o w sc e ，v x w o r k s ，h o p e n ) 相比，具 有一些独特的优势，非常适合嵌入式应用。它的优势体现在以下 方面： 内核稳定、功能强大、支持多种硬件平台、应用软件多、 兼容性好 内核可根据需要任意裁减。 使用成本低，免费开放源代码。 多专业的商业公司参与，发展潜力大。 l i n u x 是一个类u n i x 的操作系统，其代码是完全重新开发的， 内核功能强大，实现简洁。最新的乙i n u x 内核支持多种体系结构的 处理嚣，包括目前流行的i n t e lx 8 6 ，m o t o r 0 1 a i b mp o w e r p c ， a r m 等微处理器体系结构。同时，l i n u x 平台上的应用软件也不断 地得到扩充。 比较常见的嵌入式l i n u x 操作系统有：r t l i n u x ( 实时l i n u x ) ， 第三章系统采集处理硬件平台设计 u c l i n u x ( 用于非m m u 设备的l i n u x ) ，m o n t a v i s t al i n u x ( 用于a r m ， m i p s ，p p c 的l i n u x 分发版) 、a r m l i n u x ( 专门用于a r m ) 的l i n u x 等。本系统采用的是a r m l i n u x ，它专用于a r m 处理器，支持具 有a r m 9 2 0 t 内核的a r m 处理器“”“。 3 4 2 嵌入式l n u x 特点 嵌入式l i n u x 具有以下四个特点： 第一，l i n u x 系统是层次结构且内核完全开放。l i n u x 是由很 多体积小且性能高的微内核系统组成。在内核代码完全开放的前 提下，不同领域和不同层次的用户可以根据自己的应用需要方便 地对内核进行改造，低成本地设计和开发出满足自己需要的嵌入 式系统。 第二强大的网络支持功能。l i n u x 诞生于因特网时代并具有 u n i x 的特性，保证了它支持所有标准因特网协议，并且可以利用 l i n u x 的网络协议栈将其开发成为嵌入式的t c p i p 网络协议 栈。此外，l i n u x 还支持e x t 2 、f a t l 6 、f a t 3 2 、r o m f s 、j f f s 2 等文侉 x 第三章系统采集处理硬件平台设计 的交互，向上通过一个通用的接口挂接到虚拟文件系统上。它是 系统软件和硬件设备间的一个抽象层。 总之，在l i n u x 系统中，文件操作是对设备操作的组织与抽 象，、而设备操作则是对文件操作的最终实现。 当用户进程发出i o 请求时，l i n u x 把请求的处理权限放在 虚拟文件系统，虚拟文件系统通过设备驱动程序提供的接口再把 任务下放到驱动程序，驱动程序根据需要对设备控制器进行操作， 设备控制器再去控制设备本身。这样，通过逐层隔离，l i n u x 对 用户进程基本上屏蔽掉了设备的各种硬件特性。 3 。5 平稳性测试仪器开发模式 平稳性测试系统数据采集处理的设计在大体上可以分为硬件 平台设计、软件平台设计和嵌入式应用软件设计。硬件系统功能 和设计的正确性需要通过软件在硬件系统的运行来验证，操作系 统的移植和驱动程序测试需要应用程序配合，而应用程序的测试 只需要按照软件工程理论测试的方法来进行。如图3 3 所示。 图3 3 平稳性测试仪开发模式 北京交通大学硕士论文 3 6 核心平台设计 3 6 1 核心平台硬件设计 嵌入式平稳性测试仪器要求能够把现场测量数据经过a d 变 换，采集到存储器里，并进行处理和显示，可以通过u s b 或网络 实时传输。由于测量数据即使经过压缩但仍具有很大的数据量， 为了便于在本地直接存储，可以通过u s b 接口直接对仪器操作， 也可以使用以太网传输。由于时间和技术原因，本文没有使用以 太网接口，只是使用了u s b 接口。 根据a t m e l 公司的a t 9 l r m 9 2 0 0 处理器芯片的特点，本系统 以a t 9 l r m 9 2 0 0 处理器芯片为核心，配备f l a s h 、s d r a m 、u s b 接 口、串口转换等芯片完成系统所要求的核心模块。详细的硬件设 计原理见第四章。 3 6 2 核心平台软件设计 软件结构基本框图如图3 4 ： 图3 4 嵌入式平稳性测试系统核心平台软件结构框图 l i n u x 强大的网络支持功能，低廉的价格以及众多开发人员 第三章系统采集处理硬件平台设计 的维护成为设计嵌入式平稳性仪器的首选操作系统。同时硬件平 台众多的存储器资源为运行l i n u x 提供了强大的物质基础。由于 本系统的功能较为复杂，因此嵌入式操作系统已不可缺少。 a r m l i n u x 支持具有a r m 内核的微处理器，尤其是具有a r m 9 2 0 t 内核的a t 9 1r m 9 2 0 0 ，这样嵌入式l i n u x 操作系统的移植将会变 得简单( 详见第五章) 。 软件平台包括如下几部分： 引导程序：能实现系统的快速引导，提供瞬间开机功能。负 责将l i n u x 内核加载到内存，并将控制权交给内核初始化程序。 具体工作包括：寻找或将指定的内核映像解压，解压文件系统。 l i n u x 内核：l i n u x 是一个单一内核操作系统，但可以动态 装入和卸载内核中的部分源代码。l i n u x 内核由内存管理、进程 管理、定时器中断管理、模块管理、虚拟文件系统、接口文件系 统、设备驱动程序、进程间通信、网络管理及系统启动等构成。 设备驱动程序是内核的一部分，它像内核中其它代码一样运行在 内核模式。l i n u x 设备驱动程序的主要功能有：对设备进行初始 化；使设备投入运行和退出服务；从设备接收数据并将它们送回 内核；将数据从内核送到设备；检测和处理设备出现的错误。 文件系统：包括根文件系统r a m d i s k 和建立于存储设备的 j f f s 2 文件系统。 初始化进程：系统在刚刚启动时，运行于内核方式，这时候 只有一个初始化进程在运行，首先做系统的初始化，然后执行初 始化程序( 一般是s b i n i n i t ) 。初始化进程是系统的第一个进程， 以后所有的进程都是初始化进程的子进程。初始化的时候被调用 a d 驱动程序、键盘驱动、l c d 驱动、u s b 驱动以及串口驱动等驱 动程序，它们主要监测所要驱动的硬件设备是否存在和能否正常 工作。 应用主程序：包括数据采集模块、处理模块、通信模块、转 储模块及人机交互模块等。主要任务是将 x 第三章系统采集处理硬件平台设计 图3 5 a d s l 2 开发界面 调试工具需要示波器、万用表等，同时需要支持a d s 的仿真器。 3 7 一软件调试 嵌入式系统通常为一个资源受限的系统。直接在此嵌入式系 统的硬件平台上编写软件是不可行的。这里，采用的办法是，先 在通用计算机上编写程序，然后，通过交叉编译，生成目标平台 上可运行的二进制代码，最后通过串口或者网口下载到目标平台 上的特定位置上运行。建立调试环境的具体步骤如下。 第一步建立嵌入式l i n u x 交叉开发环境。这里采用开放的交 叉开发环境，典型的代表是g n u 工具链，目前已经能够支持x 8 6 、 a r m 、m i p s 、p o w e r p c 等多种处理器。交叉开发环境是指编译、链 接和调试嵌入式应用软件的环境。它与运行嵌入式应用软件的环 境有所不同，采用宿主机目标机模式。 第二步进行交叉编译和链接。在完成嵌入式软件的编码之后， 就是进行编译和链接，以生成可执行代码。开发过程是在i n t e l 公司x 8 6 系列c p u 的通用计算机上进行，而本系统目标 x 第四章系统采集处理硬件平台设计 第四章系统采集处理硬件平台设计 a r m 最小系统一般包括a r m 芯片、电源电路，时钟电路、复位 电路、存储器( 包括a r m 芯片内s r a m 、外扩f l a s h 和s r a m ) 、u a r t 接口电路等“”“”。本章重在介绍以a r m 芯片为核心的平稳性测试系 统数据采集处理模块具体硬件设计。为了实现程序运行的基本环境， 除了设计以a i 【m 为核心的最小系统外，同时为了满足实现数据采集显 示和转储的需求，还设计了a d 、l c d 接口、g p s 接口的串口、键盘输 入、u s b 等其他接口。这里介绍硬件平台的组成衣电路设计的实现。 4 1 硬件系统的功能框图 便携式平稳形测试系统核心模块并不复杂，核心模块功能图如图 4 1 所示。 p 器e tl i 串口1 【啦9 6 6 4l 斗 + 1 与g p s 通信 i l 一通信 卜慧z 。卜 p ( r 9 1 r m 9 2 0 0 时钟电路 |- i u s b h _ 毪篇卜一 一比d m a x 8 l lf 删1 2 8 6 4 意鎏裟卜 - _ j 键盘输入 a s 2 8 3 0 和s p x l l l 7l 图4 一l 核心模块功能框图 翠 北京交通大学硕士论文 4 2c p u 处理器 嵌入式平稳测试系统采用 片，此芯片采用a r m 9 2 0 t 核， 特性外，还具有如下特点“： 集成a 删9 2 0 t 芯核 a t 脏l 公司的a t 9 1 胁9 2 0 0 处理器芯 除了具有a 蹦9 系列微处理器一般的 1 8 0 婀z 运行时有2 0 0 m i p s 处理能力 1 6 k b 的数据c a c h e ，1 6 k b 的指令c a c h e 全功能舢支持w i n c e 和l i n u x 1 6 i ( b 的内部s r a m 和1 2 8 k b 的内部r o m 外部总线接口髓i 。支持s d r 脒、s r a m 、b u r s tf 1 a s h 、 c o m p a c t f l a s h 、s m a r t m e d i a 以及n a n df l a s h 的无缝连接 全电源管理功能 带有报警中断的实时时钟 带有八个优先级、可单个屏蔽中断源、s p u r i o u s 中断保护 的先进中断控制器 七个外部中断源和一个快速中断源 四个3 2 位的p i o 控制器可以达到1 2 2 个可编程i o 引 脚( 每个都有输入控制、可中断及开路的输出能力) 2 0 通道的外部数据控制器( d m a ) l o m 1 0 0 m 的以太网接口 4 个u s a r t 3 个异步的串行控制器 s p i 接口。4 个外设芯片可选 2 个全速的u s b2 o 主接口和1 个从口 2 个3 通道1 6 位的定时计数器( t c ) 两线接口( t w i ) i e e e1 1 4 9 1j t a g 标准扫描接口 工作环境温度一4 0 。ct o + 8 5 。c a t 9 1 啪2 0 0 共有2 0 8 只引脚，采用t q f p 封装。尽管引脚多，但 分布很有规律。电源和接地引脚有近5 0 根，再除去地址总线数据总 线和通用的i o 口，以及其他的专用模块，如u a r t 、u s b 、姒c 等的 接口，需要认真研究的的引脚主要是控制信号。由于相关功能模块集 成在芯片内，所以简化系统设计，提高系统的可靠性。芯片电路图如 图4 2 所示。 北京交通大学硕 童? 仁叫 蠢鹭璧 ； fj l 措 ；善地檑 式彝錾霎 蓁。：| 耄| 彝2 。鬟 资源的方式。 夔r l 鬻囊 模块虽然是内核的一部分，但是并没有被编译到内核里面去。 蚕一臻一萎 它们被编译并连接成一组目标文件，不是固定地链接到某一地址 一瑷蓊目霎罄“ ；擘二 i 要 开始运行，而是根据需要在系统启动后动态地加载到系统核心之 ；i ! 瓣 椰i ：圭；i s 中。通过动态地将代码载入操作系统的核心不仅可以减小核心代 繁 码的规模，而且使核心配置更为灵活。若在调试新核心代码时采 巍 ”5 “冀! 鏊 薹嚣 _ 萋 矍 _ ； v 囊 m | 鐾孽l ， 雩薹篓等 臻霆_ j 熏 一j 鼍 目! i肆 矗 j ! 日| j j 謇 ? 毒 爱 群蓁 羹 载入运行中的内核。成为内核的一个有机组成部分( 通常是设备驱 动程序) ，这也为系统资源有限的嵌入式系统提供了一种有效利用 ?，可以 根据需要在不重新编译内核的条件下将模块动态地 用模块技术，用户不必在每次修改后都需重新编译核心和启动系 统 。 模块机制是l i n u x 内核提供的一种非常有用的机制，可以通 过模块编程来改造l i n u x 操作系统，如添加设各驱动程序、文件 系统、修改和增加系统调用等。 34 4l in u 的设备管理 操作系统的主要任务之一就是管理i o 设备，完成向设备发 出命令、捕获中断并进行出错处理，向系统其余部分提供一个统 一接口，从而将系统硬件设备细节从用户视线中隐藏起来。在 l i n u x 中管理硬件设备的代码并没有放置在每个应用程序中而是 北京交通大学硕士论文 4 6 所示。 图4 6 复位电路原理图 4 5f l a s h 存储器电路设计 f 1 a s h 存储器用来存放用户编写的启动程序、操作系统内核以及 应用程序以及采集数据。s 2 9 g l 0 6 4 是s p a n s i o n 公司生产的8 m 闪存， 共有1 2 8 个扇区，4 8 管脚的t s 0 p 封装具有如下主要特点： 单电源供电：3 v 读、写、编程操作 灵活的块结构 与j e d e c 标准兼容：命令通过微处理器的标准写时序写入，写 周期会依据编程及擦除操作的需要内部锁存地址和数据信号 每个块可经历l o o o o o 次擦除 数据存储期为2 0 年 9 0 n s 访问时间 4w o r d 8b y t e 大小的页读缓冲区 2 5 n s 页读取时间 引脚定义如下： c e 片选信号 s c k c l k串行时钟时钟 w p 硬件写保护引脚 r s t 芯片复位引脚 r d y b u s y 准各好忙引脚 本系统采用f l a s h 存储的程序在系统启动后加载到r 栅中运 行，所以一旦系统启动之后，f l a s h 就不与m c u 交互( 维护f l a s h 操 作除外) ，基于以上原因对于f l a s h 速度不做很高的要求。电路的设 北京交通大学硕士论文 图4 8s d r a m 电路原理图 4 7 键盘输入接口电路设计 键盘是实现人机联系最简便的输入设备。通过键盘可以向微处 理器送入数据和控制命令，它是最常用的一种输入操作。 键盘系统的主要工作包括及时发现有键闭合，求闭合键的键码。 根据这一过程的不同，键盘可以分为二种，即编码键盘和非编码键盘。 本系统采用的是8 8 行列式非编码键盘。在系统中，非编码键盘由 c p u 通过键盘处理程序完成整个工作过程。相对c p u 来言，按键闭合 是随机发生的，键盘处理程序必须能够及时捕捉到闭合的键，并求出 键码。按照这一过程的不同，非编码键盘的工作方式可分为程序扫描 方式和中断扫描方式。 本系统采用中断方式连接，共1 6 个功能键，通过控制芯片b c 7 2 8 1 a 与m c u 的接口，b c 7 2 8 l 共需要三根线，数据线d a t 、时钟线c l k 和按 键指示k e y 。其中c l k 和k e y 引脚分别为输入和输出引脚。当有按键 被按下时，会实时产生中断请求信号，通知c p u 处理。 键盘输入电路原理图如图4 9 所示。 l c d 接口数据定义如表4 一l 所示。 表4 一l l c d 接口数据定义 1 、i s so 电l 鞲地 2哪 s o v 睬电n 3v 0 eo v 一一1 0 v溅妯盟幂| 嚣攀础曦雎 l肌 i “l “震秣口盯t o 为疑毋描沓取群 s州札，l t ，”h ，“。h 戴群靛臻判睢7 悱嘲 隹，h “l 。h 一l 。毂赣哥烈慷媲豫 6 eh l 靶，h l ”档吁。f 雠沁铺弹o b ? 一哪 r a - “h ”，b “h “啪r 一般搬难棚d 时讹帕o 7啪 h l虢姑拽 孽船1h ，l虢非； k 9d b 2l戡船残 1 0睫3h l差 i 批线 1 1暇h ，l 壤甜= k 1 2雅5h l敉制f 1 3 d 瞒聃，l 枯萎4 r 譬 t 4d b 7h l般烈栈 1 5c s lh lh ：地抒稿 ：( zr 阜俯峙 1 6c s 2，l特：避钎嚣i jc ，1 f 一 稿坶 1 7i hh l 艇俯。哮f f 吼 j 螋能 1 8 ) l i t1 0 vl c d 驰，由辆瓢坪 1 e _h+ 5 o v 2 0孵 4 9a d 转换电路设计 振动加速度传感器传来的模拟电压信号需经由a d 变换为数字量 送入a t 9 l r m 9 2 0 0 的s p i 做进一步处理。根据测试要求，a d 数模转 换芯片采用t l v 2 5 4 8 芯片，对c p u 访问是通过s p i 口访问，a d 模 拟量输入通道为8 路。通过a t 9 1 r m 9 2 0 0 的n p c s o 片选该芯片，外围 电流转电压电路可以实现4 路的电流输入和4 路电压输入。 a d 模数转换硬件主要是由t v l 2 5 4 8 转换芯片和a d 7 0 4 构成。 t v l 2 5 4 8 是1 2 位8 通路逐次逼近式a d 转换器，输入电压在o 5 伏，最大不可调误差小于l l s b ，它具有高速、高精度、温度、依赖 度低以及在长期工作条件下能耗小、重复性好等优点。 s p i 是一个同步协议接口，用来在微处理器和外围设备芯片之间 提供一个低成本易使用的接口，可以用来连接存储器、模数转换器、 传感器、l c d 驱动器等“1 。t l v 2 5 4 8 与c p u 接法如下图4 一l l 所示。 t l v 2 5 4 8 共有8 路输入信号，可以通过配置，输入相应的电压或 者电流信号。这里配置为四路电压和四路电流信号。电压输入电路设 4 0 第四章系统采集处理硬件平台设计 器盏出o i ii t 二舅誉卜一，。虑拳镣。w 薯i t o c m p 可卿际 1 4o o 。 i s，i 二- 7 事晶。 “uu j t 童懿 4 x t r i 。i 。钶i t r罩域； n c 1 6，i 磷 图4 1 1t l v 2 5 4 8 电路原理图 计如下图4 1 2 所示。 图4 1 2电压输入原理图 v i n l 4 是放大器a d 7 0 4 输出，为t v l 2 5 4 8 提供输入电压信号。 v i n p u t l 4 是a d 模块外部模拟量输入端子，接外部电压输入。 4 1 0u s b 设备电路设计 在现场的实际应用当中，有众多场合需求用u s b 串行接口来进行 数据传输“”。所以u s b 从设备的电路设计是为数据转储的需求。a t 9 l r m 9 2 0 0 内部集成的u s b 设备端口( u s bd e v i c ep o r tu d p ) 具有如下特 性： 遵从u s bv 2 ，0 规范，每秒1 2 m b p s 每秒。 嵌入u s bv 2 o 全速收发器。 每个端点配有双口r a m 。 这里可以直接从c p u 引出线外接即可，电路图如图4 1 3 。 4 1 北京交通大学硕士论文 酲4 一1 3u s b 电路原理圈 4 1 1 串口电路设计 串口电路的设计一方面为了满足调试程序作为标准的输入和标 准的输出设备，另一方面可以通过串口通信来设置一些系统的参数。 此外，可通过串口向上位机传输数据。同时这里另设计一个串口作为 g p s 标准模块的通信接口，接收列车速度和位置。 目前r s 一2 3 2 是p c 机与通信上业中应用最广泛的一种串行接口。 它是在1 9 7 0 年由美国电子工业协会( e i a ) 联合贝尔系统、调制解调器 厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它适合 于数据传输速率在o 2 0 0 0 0 b s 范围内的通信，这个标准对串行通信 接口的有关问题，如信号线功能、电器特性都作了明确规定。由于通 讯设备厂商都生产与r s 一2 3 2 c 制式兼容的通信设备，因此，它作为一 种标准，目前已在微机通信接口中广泛采用。 这里使用了a t 9 lr m 9 2 0 0 两个串口，输出的串行信号是t t l 电平， 必须经过电平转换输出符合e i a t i a 一2 3 2 电平。s p 3 2 3 2 e 是s i p e x 公 司生产的r s 一2 3 2 收发器，适用于嵌入式设备的应用“”，串口电路设 计见图4 1 4 所示。 图4 一1 4 串口电路原理图 北京交通大学硕士论文 5 2 存储器系统分配 本系统的硬件设计包括8 mb y t e 的f 1 a s h 和3 2 mb y t e 的 s d r a m 。所以f 1 a s h 空间软件分配如下图5 2 所示： r o m b o o t b i n1 0 0 0 0 0 0 0 u 咱o o t b i n1 0 0 0 f f f f 环境变量参数 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 i f f f f z i m a g e 1 0 0 2 0 0 0 0 l 0 0 7 f f f f r d i s k l 0 0 8 0 0 0 0 应用文件1 0 2 圩f f f j f f s 2 文件系统1 0 3 0 0 0 0 0 数据文件 1 0 7 e f f f f 图5 2f l a s h 空间分配 f l a s h 空间地址显示如图5 3 。 图5 3f l a s h 空间地址显示 北京交通大学硕士论文 b 初始化内存，包括启用内存库、初始化内存配置寄存器等。 c 初始化串行端口( 如果在目标上有的话) 。 d 初始化网络接口。 e 启用指令数据高速缓存。 f 设置堆栈指针。 ： g 设置参数区域并构造参数结构和标记( 这是重要的一步，因为内 核在标识根设备、页面大小、内存大小以及更多内容时要使用引导参 数) 。 h 执行p o s t ( 加电自检) 来标识存在的设备并报告任何问题。 i 为电源管理提供挂起。 x 北京交通大学硕士论文 不仅支持m 丁d ，而且可以在m t d 基础上实现多种文件系统，比如 c r 鲫f s 、f a t 和j f f s 2 等。 支持中断。这为测试硬件中断的响应提供了方便。 详细的开发文档。由于大多数b o o t l o a d e r 都是开源项目，所以文 档都不是很充分。u b o o t 的维护人员意识到了这个问题，充分记 录了开发文档，所以为移植提供了方便。 5 3 3u b 0 0 t 移植 u b 0 0 t 的移植必须与设计的硬件相匹配。这就要求对于硬件的设 计以及u b 0 0 t 码有较为深入的理解。移植过程中可以