（機(jī)械電子工程專業(yè)論文）基于arm的旅客列車平穩(wěn)性測(cè)試系統(tǒng)的研究.pdf

北京交通大學(xué)碩士論文 1 2 國(guó)內(nèi)外列車平穩(wěn)性測(cè)試系統(tǒng)現(xiàn)狀 鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能檢測(cè)一直是各國(guó)鐵路機(jī)構(gòu)研究的重要內(nèi) 容，平穩(wěn)性指標(biāo)是其中一個(gè)重要豹指標(biāo)。對(duì)于平穩(wěn)性澍試，國(guó)內(nèi)外從 檢測(cè)車到便攜式設(shè)備檢測(cè)都有相應(yīng)的產(chǎn)品。目前國(guó)內(nèi)外開(kāi)展鐵路客車 運(yùn)行平穩(wěn)性檢測(cè)試驗(yàn)普遍采用試驗(yàn)列車加試驗(yàn)車的測(cè)量方法，如鐵道 科學(xué)研究院在做鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)時(shí)采用的是基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)布置在試驗(yàn)車 上，傳感器安裝在各被試車上，通過(guò)屏蔽電纜連接到數(shù)采系統(tǒng)上，平 穩(wěn)性數(shù)據(jù)是通過(guò)試驗(yàn)車的采集處理系統(tǒng)得到的，對(duì)列車進(jìn)行平穩(wěn)性評(píng) 價(jià)。通過(guò)專業(yè)部門使用專門實(shí)驗(yàn)設(shè)備來(lái)做動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，需要投入相當(dāng) 大的人力、物力和財(cái)力n “。 便攜式平穩(wěn)性測(cè)試儀器靈活多變、適應(yīng)范圍比較廣，可以隨車做 試驗(yàn)，也便于現(xiàn)場(chǎng)分析。國(guó)內(nèi)外有相應(yīng)一些產(chǎn)品，如國(guó)外的公司：英 國(guó)d a t aa c q u i s t i o nl t d 研制的1 6 0 0 型平穩(wěn)性指標(biāo)儀，英國(guó)t d m t a p es e r v i c e sl i m i t e d 公司生產(chǎn)的m l ( i i 型便攜式平穩(wěn)性指標(biāo)儀， 日本鐵路應(yīng)用佐佐木研制的新型輕量化心盤加速度測(cè)定裝置等“”，都 是屬于便攜式平穩(wěn)性測(cè)試儀。國(guó)內(nèi)的大學(xué)和公司也對(duì)此做了開(kāi)發(fā)，有 鐵科院的基于d s p 的平穩(wěn)性指標(biāo)儀“”，青島四方車輛研究所、西南交 大國(guó)家牽引動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室都開(kāi)發(fā)了基于虛擬儀器的車輛平穩(wěn)性測(cè)量 儀器等“”“1 平穩(wěn)性指標(biāo)測(cè)試需要知道車體的垂向振動(dòng)加速度、橫向振動(dòng)加 速度、列車運(yùn)行的速度、位置以及當(dāng)前時(shí)間，并且對(duì)振動(dòng)加速度進(jìn)行 復(fù)雜的信號(hào)處理，涉及復(fù)雜算法，將來(lái)的功能不僅僅局限于數(shù)據(jù)的采 集和記錄，而且增加一些較多外設(shè)控制和數(shù)據(jù)處理算法，能夠便于移 動(dòng)計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)連接。目前，國(guó)內(nèi)外所研制的平穩(wěn)性測(cè)試儀器都有局限 性：造價(jià)都比較高，例如基于虛擬儀器的平穩(wěn)性測(cè)試儀是基于p c 和 數(shù)據(jù)采集卡，需要筆記本電腦；功耗高、可擴(kuò)展性差，如d s p 平穩(wěn)性 測(cè)試儀擴(kuò)展外設(shè)需要另加芯片，編寫單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)程序：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳 輸不方便等問(wèn)題。 如何解決這些問(wèn)題呢? 由于基于a r m 的嵌入式系統(tǒng)具有其本身 體積小、運(yùn)算速度快、運(yùn)行操作系統(tǒng)，支持包括u s b 、以太網(wǎng)、無(wú)線 傳輸?shù)容^多外設(shè)、存儲(chǔ)容量大等優(yōu)點(diǎn)，為解決上述問(wèn)題提供了新的技 術(shù)保證。 1 3 嵌入式技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì) 2 第一章緒論 嵌入式系統(tǒng)被定義為；以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、 軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗 嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是當(dāng)前儀器發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。這種 結(jié)合有兩種方式： 將儀器裝入計(jì)算機(jī)中。就是以通用的計(jì)算機(jī)硬件和操作系統(tǒng)為 依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器的功能“”。虛擬儀器就是指的這種方式。 虛擬儀器的實(shí)質(zhì)是利用計(jì)算機(jī)顯示器的顯示功能來(lái)模擬傳統(tǒng)儀 器的控制面板，以多種形式表達(dá)輸出檢測(cè)結(jié)果，利用p c 機(jī)強(qiáng)大 的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析、處理，利用接口設(shè)備 來(lái)完成信號(hào)的采集、測(cè)量與調(diào)理，從而完成各種測(cè)試功能。 將計(jì)算機(jī)裝入儀器中。就是所謂的智能化儀器。目前出現(xiàn)含嵌 入式系統(tǒng)的儀器，它就是屬于智能化儀器，可以稱專用計(jì)算機(jī) 系統(tǒng)。本課題就是研究此類儀器的設(shè)計(jì) 將嵌入式技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)的信號(hào)采集與處理進(jìn)行手持計(jì)算開(kāi)始逐 漸成為主流。嵌入式系統(tǒng)這一概念實(shí)際上很久以前就已經(jīng)存在了。早 在上世紀(jì)六十年代，它就被用于對(duì)電話交換進(jìn)行控制，當(dāng)時(shí)被稱為“存 儲(chǔ)式過(guò)程控制系統(tǒng)”( s t o r e d p r o g r a mc o n t r o ls y s t e m ) 。真正意義 上的嵌入式系統(tǒng)是在上世紀(jì)7 0 年代出現(xiàn)的，發(fā)展歪今已經(jīng)有3 0 多年 的歷史，進(jìn)入9 0 年代后，以計(jì)算機(jī)和軟件為核心的數(shù)字化技術(shù)取得 了迅猛發(fā)展，不僅廣泛滲透到社會(huì)經(jīng)濟(jì)、軍事、交通、通信等相關(guān)行 業(yè)，而且深入到家電、娛樂(lè)、藝術(shù)、社會(huì)文化等各個(gè)領(lǐng)域，掀起了一 場(chǎng)數(shù)字化技術(shù)革命。多媒體技術(shù)與i n t e r n e t 的應(yīng)用迅速普及，電子、 計(jì)算機(jī)、通信一體化趨勢(shì)日趨明顯，嵌入式技術(shù)再度成為一個(gè)研究熱 點(diǎn)，嵌入式系統(tǒng)成為后p c 時(shí)代i t 領(lǐng)域發(fā)展的主力軍。美國(guó)著名學(xué)者 尼葛洛龐帝1 9 9 9 年1 月訪華時(shí)曾預(yù)言：4 5 年后嵌入式智能產(chǎn)品將是 繼p c 和因特網(wǎng)之后最偉大的發(fā)明，現(xiàn)在可以說(shuō)預(yù)言已經(jīng)變成現(xiàn)實(shí)， 目前嵌入式系統(tǒng)正處于高速發(fā)展階段”“”“。 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下四個(gè)發(fā)展階段： 第一階段是以單芯片為核心的可編程控制器系統(tǒng)，同時(shí)具有檢 測(cè)、伺服、指示設(shè)備相配合的功能。這一類型的系統(tǒng)大部分用于專業(yè) 性極強(qiáng)的工業(yè)控制系統(tǒng)中，一般沒(méi)有操作系統(tǒng)支持，通過(guò)匯編語(yǔ)言對(duì) 系統(tǒng)進(jìn)行直接控制。這一階段系統(tǒng)主要的特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)和功能相對(duì)單 一、效率較低、存儲(chǔ)容量較小、幾乎沒(méi)有用戶接口。由于這種嵌入式 系統(tǒng)使用簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，以往在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用較為普遍。 第二階段是以嵌入式中央處理器( c p u ) 為基礎(chǔ)，以簡(jiǎn)單操作系統(tǒng) 為核心的嵌入式系統(tǒng)。這一階段系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：c p u 種類繁多、通 第一章緒論 在大多數(shù)情況下，振動(dòng)是有害的，它對(duì)振動(dòng)對(duì)象的精度、壽命和可靠 性都會(huì)產(chǎn)生影響。當(dāng)然，振動(dòng)也有可以被利用的一面，如振動(dòng)加工、 振動(dòng)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)報(bào)等。 在長(zhǎng)期的科學(xué)研究和工程實(shí)踐中，人們已逐步形成了一門較完整 的振動(dòng)工程學(xué)科，可對(duì)振動(dòng)進(jìn)行理論計(jì)算和分析，但這些畢竟還是建 立在簡(jiǎn)化和近似的數(shù)學(xué)模型上，還必須用試驗(yàn)和鍘量技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。 另外，隨著現(xiàn)代工業(yè)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)各種機(jī)器設(shè)備提出了 低振級(jí)和低噪聲的要求，以及對(duì)主要生產(chǎn)過(guò)程或重要設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)、 診斷，對(duì)工作環(huán)境進(jìn)行控制等等。這些都離不開(kāi)振動(dòng)的試驗(yàn)和測(cè)量設(shè) 備儀器。 振動(dòng)測(cè)量是以振動(dòng)對(duì)象的振動(dòng)為信息源，通過(guò)振動(dòng)參數(shù)的變化 特征判別振動(dòng)對(duì)象的狀態(tài)。從振動(dòng)的頻率范圍來(lái)看，有高頻振動(dòng)、低 頻振動(dòng)和超低頻振動(dòng)，按振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換的方式可分為電測(cè)法、機(jī)械法 和光學(xué)法，目前廣泛應(yīng)用的是電測(cè)法，電測(cè)法是通過(guò)振動(dòng)傳感器將振 動(dòng)轉(zhuǎn)換為電量進(jìn)行測(cè)量，或可配用專門的運(yùn)算分析器和計(jì)算機(jī)，對(duì)測(cè) 量結(jié)果做進(jìn)一步的分析和處理。用于鐵道車輛平穩(wěn)性測(cè)試的振動(dòng)測(cè)量 屬運(yùn)輸工具振動(dòng)測(cè)量，車輛的振動(dòng)頻率為低頻，目前通常采用電測(cè)法 進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量”。 在電測(cè)振動(dòng)中，由測(cè)振傳感器接收的信號(hào)通常是復(fù)雜的時(shí)間函 數(shù)，利用信號(hào)處理技術(shù)來(lái)處理。例如，通過(guò)傅里葉變換將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn) 換成頻域信號(hào)加以分析的方法就稱為頻譜分析。頻譜分析技術(shù)包括幅 值譜分析、自功率譜密度函數(shù)分析、互功率譜密度函數(shù)分析、相干函 數(shù)分析、倒頻譜分析等。振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)頻譜分柝，可以求得信號(hào)的頻 率成分和結(jié)構(gòu)，并進(jìn)而分析系統(tǒng)的傳遞特性；通過(guò)頻譜分析，還可以 對(duì)被測(cè)對(duì)象按照實(shí)際情況進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)和故障診斷。當(dāng)然還有諸如時(shí) 序分析法、特征分析法等其他辦法分析“”“2 ”。由于采集處理的數(shù)據(jù) 量大，振動(dòng)采集處理實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)化是必須的。 1 。5 論文研究的主要內(nèi)容和任務(wù) 本課題主要研制：旅客列車平穩(wěn)性測(cè)試儀。 旅客列車平穩(wěn)性測(cè)試系統(tǒng)盡管體積小，但牽扯的面比較廣，涉 及a r m 、嵌入式l i n u x 、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、傳感器、電路設(shè)計(jì)、g p s 等技術(shù)和振動(dòng)理論、平穩(wěn)性理論、速度測(cè)量部分鐵道車輛運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)等。 這里把整個(gè)系統(tǒng)大致分為四部分：振動(dòng)加速度測(cè)量部分、速度測(cè)量部 分、數(shù)據(jù)采集處理部分以及地面數(shù)據(jù)處理部分。本論文主要對(duì)實(shí)時(shí)數(shù) 據(jù)采集與處理部分利用a r m 嵌入 北京交通大學(xué)碩士論文 于3 2 位a 刪嵌入式微處理器，軟件剛基于專門為a 腳量身定做的嵌 入式l i n u x 操作系統(tǒng)一 r l 卜l i n u x 。本論文主要研究工作如下： 1 提出并設(shè)計(jì)平穩(wěn)性測(cè)試系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，并對(duì)系統(tǒng)的平穩(wěn)性 理論基礎(chǔ)及測(cè)試方法作一個(gè)介紹。 2 研究以a 芯片為核心的平穩(wěn)性測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法以及硬件 電路設(shè)計(jì)。 3 結(jié)合平穩(wěn)性測(cè)試系統(tǒng)的研究，研究基于a 跚一l i n u x 的平穩(wěn)性測(cè) 試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方法及關(guān)鍵技術(shù)。 第二章系統(tǒng)理論基礎(chǔ)及方案基礎(chǔ) 的平穩(wěn)性指標(biāo)v r ，v r 平穩(wěn)性指標(biāo)不僅用于對(duì)樣車和現(xiàn)有機(jī)車車輛的 試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，而且也在新車開(kāi)發(fā)階段普遍的用于評(píng)估數(shù)學(xué)模型 的輸出。美國(guó)的杰奈威舒適性j 矗n e w a y 系數(shù)，是通過(guò)測(cè)定車輛的振動(dòng) 加速度來(lái)判定乘坐的舒適性。日本國(guó)鐵在早期參考美國(guó)的j 8 n e w a y 舒 適度標(biāo)準(zhǔn)方案，在1 9 8 1 年以i s o 一2 6 3 1 為基礎(chǔ)，考慮了鐵道車輛的 振動(dòng)特性，提出了乘坐舒適度水平方案。i s o 一2 6 3 1 是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組 織( i s o ) 提出的影響人體的振動(dòng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，雖然是一個(gè)不具約束力 的通用評(píng)價(jià)指南，但卻給各國(guó)全身振動(dòng)研究帶來(lái)很大影響，成為有關(guān) 規(guī)范的重要組成部分。另一種狄克曼指標(biāo)可以較簡(jiǎn)便地判別人體對(duì)結(jié) 構(gòu)振動(dòng)具有良好感覺(jué)的界限，它能基本判別司機(jī)、旅客和橋上行人在 列車過(guò)橋時(shí)的感覺(jué)“”。他們針對(duì)自己的標(biāo)準(zhǔn)都開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的檢測(cè)儀 器口4 1 在這里根據(jù)我國(guó)平穩(wěn)性測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況，主要介紹 s p e r l i n g 平穩(wěn)性指標(biāo)和由此引出的g b 5 5 9 9 8 5 即“鐵道車輛動(dòng)力學(xué) 性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范”的平穩(wěn)性指標(biāo)。整個(gè)平穩(wěn)性測(cè)試系統(tǒng)也是 圍繞g b 5 5 9 9 8 5 的平穩(wěn)性指標(biāo)進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)的。 2 2 1 s p e r lin g 平穩(wěn)性指標(biāo) 德國(guó)鐵路以及歐洲鐵路聯(lián)盟( u i c ) 均采用s p e r l i n g 提出的平穩(wěn) 性指數(shù)來(lái)評(píng)定車輛的運(yùn)行品質(zhì)。s p e r l i n g 等人在大量單一頻率振動(dòng) 的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出影響車輛平穩(wěn)性的兩個(gè)重要因素。m 一個(gè)重要因素是位移對(duì)時(shí)間的三次導(dǎo)數(shù)。亦即z 一口( 加速度變化 率) 。若上式兩邊均乘以車體質(zhì)量m 。，并將m 一之積改寫成，則 m 。；i f 或j t 彘，由此可見(jiàn)，；在一定意義上代表力的變化率，f 的增減變化引起沖動(dòng)的感覺(jué)。如果車體做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，z - z 。s i nw f ，則 ；z o w 3s i n w f ，其幅值為目t m ，) 3 。 影響平穩(wěn)指數(shù)的另一個(gè)因素是振動(dòng)時(shí)的動(dòng)能大小，車體振動(dòng)時(shí) 的最大動(dòng)能為： 丟m 。；2 - 三m 。( w ) 2 一圭m 。( z 。h ，) 2t 白 ( 2 叫 刪枷，) 2 鼉 s p e r l i n g 在確定平穩(wěn)性指數(shù)時(shí)，把反映沖動(dòng)的加速度最大幅值 9 北京交通大學(xué)碩士論文 瘍口j r 。和反映振動(dòng)動(dòng)能( 知，) 2 的乘積( 掃) 5 0 ，5 作為衡量標(biāo)準(zhǔn) 來(lái)評(píng)定車輛運(yùn)行品質(zhì)。車輛運(yùn)行平穩(wěn)性指數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式為： 1 0 2 7 ”厄丐軍麗= o 8 9 6 ( 2 2 ) 式中靠哼覆幅( c m ) o ，振動(dòng)頻率( 日z ) ； 4 加速度俘，其值為：d 一( 缸，) 2 ； f ( r ) 與振動(dòng)頻率有關(guān)的加權(quán)系數(shù)： 當(dāng)矗的單位為占= 9 8 l 時(shí)，公式中的系數(shù)為7 0 8 。 f ( ，) 對(duì)于垂向振動(dòng)和橫向振動(dòng)是不同的，具體取值如表2 1 。 表2 1s p e r l i n g 平穩(wěn)性頻率修正系數(shù) 垂向振動(dòng) 橫向振動(dòng) ，( m )，( ，)，( 脅)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 以上的平穩(wěn)性指數(shù)只適用種頻率一個(gè)振幅的單一振動(dòng)，但實(shí)際 上車輛在線路上運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)是隨機(jī)的，即振動(dòng)頻率和振幅都是隨時(shí) 間變化的。因此，在整理車輛平穩(wěn)性指數(shù)時(shí)，通常把實(shí)測(cè)的車輛振動(dòng) 加速度記錄按頻率分解，進(jìn)行頻譜分析，求出每段頻率范圍的振幅值， 然后對(duì)每一頻段計(jì)算各自的平穩(wěn)性指數(shù)啊，最后求出全部頻段總的平 穩(wěn)性指數(shù)： f ；似”+ 叼o + + 職o ) “1 ( 2 3 ) 根據(jù)f 值來(lái)評(píng)定平穩(wěn)性指標(biāo)與等級(jí)。s p e r l i n g 的客車平穩(wěn)性等 級(jí)列于表2 2 中。 第二章系統(tǒng)理論基礎(chǔ)及方案基礎(chǔ) 表2 2s p e r l i n g 車輛運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)與等級(jí) w 值 運(yùn)行品質(zhì)w 值乘坐舒適度( 對(duì)振動(dòng)的感覺(jué)) 1很好 l 剛能感覺(jué) 2好 2 明顯感覺(jué) 3滿意 2 5 更明顯，但并無(wú)不快 4可以運(yùn)行 3 強(qiáng)烈，不正常，但還能忍受 3 2 5 很不正常 4 5運(yùn)行不合梧 3 5 極不正?？蓞?，不能長(zhǎng)時(shí)忍受 5危險(xiǎn) 4 極可厭長(zhǎng)時(shí)忍受有害 2 2 2 國(guó)內(nèi)的平穩(wěn)性指標(biāo) 當(dāng)前，國(guó)際上還沒(méi)有統(tǒng)一的平穩(wěn)性指標(biāo)，s p e r l i n g 平穩(wěn)性指標(biāo)在 我國(guó)鐵路得到長(zhǎng)期的非正式的應(yīng)用，直到1 9 8 5 年發(fā)布了g b 5 5 9 9 和 1 9 9 3 年發(fā)布的t b 2 3 6 0 兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)才正式采用平穩(wěn)性指標(biāo)對(duì)客貨 車輛以及機(jī)車的運(yùn)行品質(zhì)進(jìn)行定量的評(píng)估。我國(guó)平穩(wěn)性指標(biāo)的計(jì)算公 式和頻率修正系數(shù)等都基本與s p e r l i n g 平穩(wěn)性指標(biāo)相同，但是對(duì)指 標(biāo)的分級(jí)做了簡(jiǎn)化，僅分為優(yōu)、良好、合格三個(gè)級(jí)別，并規(guī)定新造客 車和貨車的平穩(wěn)性指標(biāo)不得低于“良好”1 。 一客車運(yùn)行平穩(wěn)性指標(biāo)公式為； 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“鐵道車輛動(dòng)力學(xué)性能評(píng)定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范” 中“，將平穩(wěn)性指標(biāo)分為3 個(gè)等級(jí)，如表2 3 所示： 表2 3 客、貨車運(yùn)行平穩(wěn)性等級(jí) | 平穩(wěn)性等級(jí)評(píng)定平穩(wěn)性指標(biāo) 客車貨車 f l 級(jí)優(yōu) 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 為5 個(gè)通用處理 器系列，每一個(gè)系列提供一套相對(duì)獨(dú)特的性能來(lái)滿較高的應(yīng)用而 設(shè)計(jì)1 。 由于a r m 是3 2 位的r i s c 芯片，它的體系結(jié)構(gòu)為：處理器有 七種運(yùn)行模式、使用便于流水線操作的單周期指令、寄存器為3 7 個(gè)，存儲(chǔ)器支持大端格式和小端格式，此外執(zhí)行速度快，所以決 定了a 蹦適合運(yùn)行操作系統(tǒng)。運(yùn)行操作系統(tǒng)后才能完成一些復(fù)雜 的功能，如以太網(wǎng)協(xié)議、u s b 通信等，也便于應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)。執(zhí) 行速度快，存儲(chǔ)空間大可以適合便攜式產(chǎn)品設(shè)計(jì)。 3 3 2a r m 9 處理器的特點(diǎn) a r m 9 系列微處理器在高性能和低功耗特性方面提供了好的 條件，它具有以下特點(diǎn)； 北京交通大學(xué)碩士論文 統(tǒng)。通常，應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)嵌入式軟件的基本要求是體積小、執(zhí)行速 度快、具有較好的可裁剪性和移植性。嵌入式操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)嵌入 式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、調(diào)度工作，控制協(xié)調(diào)并發(fā)活 動(dòng)，它必須體現(xiàn)所在系統(tǒng)的特征，能夠通過(guò)裝卸某些模塊來(lái)達(dá)到 系統(tǒng)所要求的功能。嵌入式操作系統(tǒng)的種類繁多，大體上可分為 兩種：商用型和免費(fèi)型。商用型實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)功能穩(wěn)定、可靠， 有完善的技術(shù)支持和售后服務(wù)，如v x w o r k s 和w i n d o w s c e 等，但往往 價(jià)格昂貴。免費(fèi)型實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在價(jià)格方面具有優(yōu)勢(shì)，目前主要 有l(wèi) i n u x 和u c o s 。不管選用什么樣的系統(tǒng)，都要從以下幾個(gè)方 面加以考慮： 操作系統(tǒng)的硬件支持( 包括是否支持目標(biāo)系統(tǒng)、可移植 性) 。 開(kāi)發(fā)工具的支持程度。 能否滿足應(yīng)用需求。 許多嵌入式系統(tǒng)一旦開(kāi)始運(yùn)行，就不需要過(guò)多的干預(yù)，而且 要求不能夠在運(yùn)行中出現(xiàn)什么故障。在這種條件下，要求負(fù)責(zé)系 統(tǒng)管理的嵌入式操作系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性。選擇一款既能滿足 應(yīng)用需求，性價(jià)比又達(dá)到最佳的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，對(duì)開(kāi)發(fā)工作的順 利開(kāi)展意義重大。 在嵌入式平穩(wěn)性測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)中，采用嵌入式l i n u x 作為操 作系統(tǒng)具有很大的優(yōu)勢(shì)，l i n u x 作為一個(gè)非常流行的通用操作系 統(tǒng)，人們?cè)谒那度胧綉?yīng)用的研究中取得了不少成果。l i n u x 與其 它嵌入式操作系統(tǒng)( 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 有一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，非常適合嵌入式應(yīng)用。它的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下 方面： 內(nèi)核穩(wěn)定、功能強(qiáng)大、支持多種硬件平臺(tái)、應(yīng)用軟件多、 兼容性好 內(nèi)核可根據(jù)需要任意裁減。 使用成本低，免費(fèi)開(kāi)放源代碼。 多專業(yè)的商業(yè)公司參與，發(fā)展?jié)摿Υ蟆?l i n u x 是一個(gè)類u n i x 的操作系統(tǒng)，其代碼是完全重新開(kāi)發(fā)的， 內(nèi)核功能強(qiáng)大，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)潔。最新的乙i n u x 內(nèi)核支持多種體系結(jié)構(gòu)的 處理囂，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 等微處理器體系結(jié)構(gòu)。同時(shí)，l i n u x 平臺(tái)上的應(yīng)用軟件也不斷 地得到擴(kuò)充。 比較常見(jiàn)的嵌入式l i n u x 操作系統(tǒng)有：r t l i n u x ( 實(shí)時(shí)l i n u x ) ， 第三章系統(tǒng)采集處理硬件平臺(tái)設(shè)計(jì) u c l i n u x ( 用于非m m u 設(shè)備的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 分發(fā)版) 、a r m l i n u x ( 專門用于a r m ) 的l i n u x 等。本系統(tǒng)采用的是a r m l i n u x ，它專用于a r m 處理器，支持具 有a r m 9 2 0 t 內(nèi)核的a r m 處理器“”“。 3 4 2 嵌入式l n u x 特點(diǎn) 嵌入式l i n u x 具有以下四個(gè)特點(diǎn)： 第一，l i n u x 系統(tǒng)是層次結(jié)構(gòu)且內(nèi)核完全開(kāi)放。l i n u x 是由很 多體積小且性能高的微內(nèi)核系統(tǒng)組成。在內(nèi)核代碼完全開(kāi)放的前 提下，不同領(lǐng)域和不同層次的用戶可以根據(jù)自己的應(yīng)用需要方便 地對(duì)內(nèi)核進(jìn)行改造，低成本地設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)出滿足自己需要的嵌入 式系統(tǒng)。 第二強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持功能。l i n u x 誕生于因特網(wǎng)時(shí)代并具有 u n i x 的特性，保證了它支持所有標(biāo)準(zhǔn)因特網(wǎng)協(xié)議，并且可以利用 l i n u x 的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧將其開(kāi)發(fā)成為嵌入式的t c p i p 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 棧。此外，l i n u x 還支持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 第三章系統(tǒng)采集處理硬件平臺(tái)設(shè)計(jì) 的交互，向上通過(guò)一個(gè)通用的接口掛接到虛擬文件系統(tǒng)上。它是 系統(tǒng)軟件和硬件設(shè)備間的一個(gè)抽象層。 總之，在l i n u x 系統(tǒng)中，文件操作是對(duì)設(shè)備操作的組織與抽 象，、而設(shè)備操作則是對(duì)文件操作的最終實(shí)現(xiàn)。 當(dāng)用戶進(jìn)程發(fā)出i o 請(qǐng)求時(shí)，l i n u x 把請(qǐng)求的處理權(quán)限放在 虛擬文件系統(tǒng)，虛擬文件系統(tǒng)通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供的接口再把 任務(wù)下放到驅(qū)動(dòng)程序，驅(qū)動(dòng)程序根據(jù)需要對(duì)設(shè)備控制器進(jìn)行操作， 設(shè)備控制器再去控制設(shè)備本身。這樣，通過(guò)逐層隔離，l i n u x 對(duì) 用戶進(jìn)程基本上屏蔽掉了設(shè)備的各種硬件特性。 3 。5 平穩(wěn)性測(cè)試儀器開(kāi)發(fā)模式 平穩(wěn)性測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集處理的設(shè)計(jì)在大體上可以分為硬件 平臺(tái)設(shè)計(jì)、軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)和嵌入式應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)。硬件系統(tǒng)功能 和設(shè)計(jì)的正確性需要通過(guò)軟件在硬件系統(tǒng)的運(yùn)行來(lái)驗(yàn)證，操作系 統(tǒng)的移植和驅(qū)動(dòng)程序測(cè)試需要應(yīng)用程序配合，而應(yīng)用程序的測(cè)試 只需要按照軟件工程理論測(cè)試的方法來(lái)進(jìn)行。如圖3 3 所示。 圖3 3 平穩(wěn)性測(cè)試儀開(kāi)發(fā)模式 北京交通大學(xué)碩士論文 3 6 核心平臺(tái)設(shè)計(jì) 3 6 1 核心平臺(tái)硬件設(shè)計(jì) 嵌入式平穩(wěn)性測(cè)試儀器要求能夠把現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)a d 變 換，采集到存儲(chǔ)器里，并進(jìn)行處理和顯示，可以通過(guò)u s b 或網(wǎng)絡(luò) 實(shí)時(shí)傳輸。由于測(cè)量數(shù)據(jù)即使經(jīng)過(guò)壓縮但仍具有很大的數(shù)據(jù)量， 為了便于在本地直接存儲(chǔ)，可以通過(guò)u s b 接口直接對(duì)儀器操作， 也可以使用以太網(wǎng)傳輸。由于時(shí)間和技術(shù)原因，本文沒(méi)有使用以 太網(wǎng)接口，只是使用了u s b 接口。 根據(jù)a t m e l 公司的a t 9 l r m 9 2 0 0 處理器芯片的特點(diǎn)，本系統(tǒng) 以a t 9 l r m 9 2 0 0 處理器芯片為核心，配備f l a s h 、s d r a m 、u s b 接 口、串口轉(zhuǎn)換等芯片完成系統(tǒng)所要求的核心模塊。詳細(xì)的硬件設(shè) 計(jì)原理見(jiàn)第四章。 3 6 2 核心平臺(tái)軟件設(shè)計(jì) 軟件結(jié)構(gòu)基本框圖如圖3 4 ： 圖3 4 嵌入式平穩(wěn)性測(cè)試系統(tǒng)核心平臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)框圖 l i n u x 強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持功能，低廉的價(jià)格以及眾多開(kāi)發(fā)人員 第三章系統(tǒng)采集處理硬件平臺(tái)設(shè)計(jì) 的維護(hù)成為設(shè)計(jì)嵌入式平穩(wěn)性儀器的首選操作系統(tǒng)。同時(shí)硬件平 臺(tái)眾多的存儲(chǔ)器資源為運(yùn)行l(wèi) i n u x 提供了強(qiáng)大的物質(zhì)基礎(chǔ)。由于 本系統(tǒng)的功能較為復(fù)雜，因此嵌入式操作系統(tǒng)已不可缺少。 a r m l i n u x 支持具有a r m 內(nèi)核的微處理器，尤其是具有a r m 9 2 0 t 內(nèi)核的a t 9 1r m 9 2 0 0 ，這樣嵌入式l i n u x 操作系統(tǒng)的移植將會(huì)變 得簡(jiǎn)單( 詳見(jiàn)第五章) 。 軟件平臺(tái)包括如下幾部分： 引導(dǎo)程序：能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速引導(dǎo)，提供瞬間開(kāi)機(jī)功能。負(fù) 責(zé)將l i n u x 內(nèi)核加載到內(nèi)存，并將控制權(quán)交給內(nèi)核初始化程序。 具體工作包括：尋找或?qū)⒅付ǖ膬?nèi)核映像解壓，解壓文件系統(tǒng)。 l i n u x 內(nèi)核：l i n u x 是一個(gè)單一內(nèi)核操作系統(tǒng)，但可以動(dòng)態(tài) 裝入和卸載內(nèi)核中的部分源代碼。l i n u x 內(nèi)核由內(nèi)存管理、進(jìn)程 管理、定時(shí)器中斷管理、模塊管理、虛擬文件系統(tǒng)、接口文件系 統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、進(jìn)程間通信、網(wǎng)絡(luò)管理及系統(tǒng)啟動(dòng)等構(gòu)成。 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是內(nèi)核的一部分，它像內(nèi)核中其它代碼一樣運(yùn)行在 內(nèi)核模式。l i n u x 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的主要功能有：對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始 化；使設(shè)備投入運(yùn)行和退出服務(wù)；從設(shè)備接收數(shù)據(jù)并將它們送回 內(nèi)核；將數(shù)據(jù)從內(nèi)核送到設(shè)備；檢測(cè)和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯(cuò)誤。 文件系統(tǒng)：包括根文件系統(tǒng)r a m d i s k 和建立于存儲(chǔ)設(shè)備的 j f f s 2 文件系統(tǒng)。 初始化進(jìn)程：系統(tǒng)在剛剛啟動(dòng)時(shí)，運(yùn)行于內(nèi)核方式，這時(shí)候 只有一個(gè)初始化進(jìn)程在運(yùn)行，首先做系統(tǒng)的初始化，然后執(zhí)行初 始化程序( 一般是s b i n i n i t ) 。初始化進(jìn)程是系統(tǒng)的第一個(gè)進(jìn)程， 以后所有的進(jìn)程都是初始化進(jìn)程的子進(jìn)程。初始化的時(shí)候被調(diào)用 a d 驅(qū)動(dòng)程序、鍵盤驅(qū)動(dòng)、l c d 驅(qū)動(dòng)、u s b 驅(qū)動(dòng)以及串口驅(qū)動(dòng)等驅(qū) 動(dòng)程序，它們主要監(jiān)測(cè)所要驅(qū)動(dòng)的硬件設(shè)備是否存在和能否正常 工作。 應(yīng)用主程序：包括數(shù)據(jù)采集模塊、處理模塊、通信模塊、轉(zhuǎn) 儲(chǔ)模塊及人機(jī)交互模塊等。主要任務(wù)是將 x 第三章系統(tǒng)采集處理硬件平臺(tái)設(shè)計(jì) 圖3 5 a d s l 2 開(kāi)發(fā)界面 調(diào)試工具需要示波器、萬(wàn)用表等，同時(shí)需要支持a d s 的仿真器。 3 7 一軟件調(diào)試 嵌入式系統(tǒng)通常為一個(gè)資源受限的系統(tǒng)。直接在此嵌入式系 統(tǒng)的硬件平臺(tái)上編寫軟件是不可行的。這里，采用的辦法是，先 在通用計(jì)算機(jī)上編寫程序，然后，通過(guò)交叉編譯，生成目標(biāo)平臺(tái) 上可運(yùn)行的二進(jìn)制代碼，最后通過(guò)串口或者網(wǎng)口下載到目標(biāo)平臺(tái) 上的特定位置上運(yùn)行。建立調(diào)試環(huán)境的具體步驟如下。 第一步建立嵌入式l i n u x 交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境。這里采用開(kāi)放的交 叉開(kāi)發(fā)環(huán)境，典型的代表是g n u 工具鏈，目前已經(jīng)能夠支持x 8 6 、 a r m 、m i p s 、p o w e r p c 等多種處理器。交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境是指編譯、鏈 接和調(diào)試嵌入式應(yīng)用軟件的環(huán)境。它與運(yùn)行嵌入式應(yīng)用軟件的環(huán) 境有所不同，采用宿主機(jī)目標(biāo)機(jī)模式。 第二步進(jìn)行交叉編譯和鏈接。在完成嵌入式軟件的編碼之后， 就是進(jìn)行編譯和鏈接，以生成可執(zhí)行代碼。開(kāi)發(fā)過(guò)程是在i n t e l 公司x 8 6 系列c p u 的通用計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，而本系統(tǒng)目標(biāo) x 第四章系統(tǒng)采集處理硬件平臺(tái)設(shè)計(jì) 第四章系統(tǒng)采集處理硬件平臺(tái)設(shè)計(jì) a r m 最小系統(tǒng)一般包括a r m 芯片、電源電路，時(shí)鐘電路、復(fù)位 電路、存儲(chǔ)器( 包括a r m 芯片內(nèi)s r a m 、外擴(kuò)f l a s h 和s r a m ) 、u a r t 接口電路等“”“”。本章重在介紹以a r m 芯片為核心的平穩(wěn)性測(cè)試系 統(tǒng)數(shù)據(jù)采集處理模塊具體硬件設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)程序運(yùn)行的基本環(huán)境， 除了設(shè)計(jì)以a i 【m 為核心的最小系統(tǒng)外，同時(shí)為了滿足實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集顯 示和轉(zhuǎn)儲(chǔ)的需求，還設(shè)計(jì)了a d 、l c d 接口、g p s 接口的串口、鍵盤輸 入、u s b 等其他接口。這里介紹硬件平臺(tái)的組成衣電路設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)。 4 1 硬件系統(tǒng)的功能框圖 便攜式平穩(wěn)形測(cè)試系統(tǒng)核心模塊并不復(fù)雜，核心模塊功能圖如圖 4 1 所示。 p 器e tl i 串口1 【啦9 6 6 4l 斗 + 1 與g p s 通信 i l 一通信 卜慧z 。卜 p ( r 9 1 r m 9 2 0 0 時(shí)鐘電路 |- i u s b h _ 毪篇卜一 一比d m a x 8 l lf 刪1 2 8 6 4 意鎏裟卜 - _ j 鍵盤輸入 a s 2 8 3 0 和s p x l l l 7l 圖4 一l 核心模塊功能框圖 翠 北京交通大學(xué)碩士論文 4 2c p u 處理器 嵌入式平穩(wěn)測(cè)試系統(tǒng)采用 片，此芯片采用a r m 9 2 0 t 核， 特性外，還具有如下特點(diǎn)“： 集成a 刪9 2 0 t 芯核 a t 臟l 公司的a t 9 1 脅9 2 0 0 處理器芯 除了具有a 蹦9 系列微處理器一般的 1 8 0 婀z 運(yùn)行時(shí)有2 0 0 m i p s 處理能力 1 6 k b 的數(shù)據(jù)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 的內(nèi)部s r a m 和1 2 8 k b 的內(nèi)部r o m 外部總線接口髓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 的無(wú)縫連接 全電源管理功能 帶有報(bào)警中斷的實(shí)時(shí)時(shí)鐘 帶有八個(gè)優(yōu)先級(jí)、可單個(gè)屏蔽中斷源、s p u r i o u s 中斷保護(hù) 的先進(jìn)中斷控制器 七個(gè)外部中斷源和一個(gè)快速中斷源 四個(gè)3 2 位的p i o 控制器可以達(dá)到1 2 2 個(gè)可編程i o 引 腳( 每個(gè)都有輸入控制、可中斷及開(kāi)路的輸出能力) 2 0 通道的外部數(shù)據(jù)控制器( d m a ) l o m 1 0 0 m 的以太網(wǎng)接口 4 個(gè)u s a r t 3 個(gè)異步的串行控制器 s p i 接口。4 個(gè)外設(shè)芯片可選 2 個(gè)全速的u s b2 o 主接口和1 個(gè)從口 2 個(gè)3 通道1 6 位的定時(shí)計(jì)數(shù)器( t c ) 兩線接口( t w i ) i e e e1 1 4 9 1j t a g 標(biāo)準(zhǔn)掃描接口 工作環(huán)境溫度一4 0 。ct o + 8 5 。c a t 9 1 啪2 0 0 共有2 0 8 只引腳，采用t q f p 封裝。盡管引腳多，但 分布很有規(guī)律。電源和接地引腳有近5 0 根，再除去地址總線數(shù)據(jù)總 線和通用的i o 口，以及其他的專用模塊，如u a r t 、u s b 、姒c 等的 接口，需要認(rèn)真研究的的引腳主要是控制信號(hào)。由于相關(guān)功能模塊集 成在芯片內(nèi)，所以簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的可靠性。芯片電路圖如 圖4 2 所示。 北京交通大學(xué)碩 童? 仁叫 蠢鷺璧 ； fj l 措 ；善地檑 式彝鏨霎 蓁。：| 耄| 彝2 。鬟 資源的方式。 夔r l 鬻囊 模塊雖然是內(nèi)核的一部分，但是并沒(méi)有被編譯到內(nèi)核里面去。 蠶一臻一萎 它們被編譯并連接成一組目標(biāo)文件，不是固定地鏈接到某一地址 一璦蓊目霎罄“ ；擘二 i 要 開(kāi)始運(yùn)行，而是根據(jù)需要在系統(tǒng)啟動(dòng)后動(dòng)態(tài)地加載到系統(tǒng)核心之 ；i ! 瓣 椰i ：圭；i s 中。通過(guò)動(dòng)態(tài)地將代碼載入操作系統(tǒng)的核心不僅可以減小核心代 繁 碼的規(guī)模，而且使核心配置更為靈活。若在調(diào)試新核心代碼時(shí)采 巍 ”5 “冀! 鏊 薹囂 _ 萋 矍 _ ； v 囊 m | 鐾孽l ， 雩薹簍等 臻霆_ j 熏 一j 鼉 目! i肆 矗 j ! 日| j j 謇 ? 毒 愛(ài) 群蓁 羹 載入運(yùn)行中的內(nèi)核。成為內(nèi)核的一個(gè)有機(jī)組成部分( 通常是設(shè)備驅(qū) 動(dòng)程序) ，這也為系統(tǒng)資源有限的嵌入式系統(tǒng)提供了一種有效利用 ?，可以 根據(jù)需要在不重新編譯內(nèi)核的條件下將模塊動(dòng)態(tài)地 用模塊技術(shù)，用戶不必在每次修改后都需重新編譯核心和啟動(dòng)系 統(tǒng) 。 模塊機(jī)制是l i n u x 內(nèi)核提供的一種非常有用的機(jī)制，可以通 過(guò)模塊編程來(lái)改造l i n u x 操作系統(tǒng)，如添加設(shè)各驅(qū)動(dòng)程序、文件 系統(tǒng)、修改和增加系統(tǒng)調(diào)用等。 34 4l in u 的設(shè)備管理 操作系統(tǒng)的主要任務(wù)之一就是管理i o 設(shè)備，完成向設(shè)備發(fā) 出命令、捕獲中斷并進(jìn)行出錯(cuò)處理，向系統(tǒng)其余部分提供一個(gè)統(tǒng) 一接口，從而將系統(tǒng)硬件設(shè)備細(xì)節(jié)從用戶視線中隱藏起來(lái)。在 l i n u x 中管理硬件設(shè)備的代碼并沒(méi)有放置在每個(gè)應(yīng)用程序中而是 北京交通大學(xué)碩士論文 4 6 所示。 圖4 6 復(fù)位電路原理圖 4 5f l a s h 存儲(chǔ)器電路設(shè)計(jì) f 1 a s h 存儲(chǔ)器用來(lái)存放用戶編寫的啟動(dòng)程序、操作系統(tǒng)內(nèi)核以及 應(yīng)用程序以及采集數(shù)據(jù)。s 2 9 g l 0 6 4 是s p a n s i o n 公司生產(chǎn)的8 m 閃存， 共有1 2 8 個(gè)扇區(qū)，4 8 管腳的t s 0 p 封裝具有如下主要特點(diǎn)： 單電源供電：3 v 讀、寫、編程操作 靈活的塊結(jié)構(gòu) 與j e d e c 標(biāo)準(zhǔn)兼容：命令通過(guò)微處理器的標(biāo)準(zhǔn)寫時(shí)序?qū)懭耄瑢?周期會(huì)依據(jù)編程及擦除操作的需要內(nèi)部鎖存地址和數(shù)據(jù)信號(hào) 每個(gè)塊可經(jīng)歷l o o o o o 次擦除 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)期為2 0 年 9 0 n s 訪問(wèn)時(shí)間 4w o r d 8b y t e 大小的頁(yè)讀緩沖區(qū) 2 5 n s 頁(yè)讀取時(shí)間 引腳定義如下： c e 片選信號(hào) s c k c l k串行時(shí)鐘時(shí)鐘 w p 硬件寫保護(hù)引腳 r s t 芯片復(fù)位引腳 r d y b u s y 準(zhǔn)各好忙引腳 本系統(tǒng)采用f l a s h 存儲(chǔ)的程序在系統(tǒng)啟動(dòng)后加載到r 柵中運(yùn) 行，所以一旦系統(tǒng)啟動(dòng)之后，f l a s h 就不與m c u 交互( 維護(hù)f l a s h 操 作除外) ，基于以上原因?qū)τ趂 l a s h 速度不做很高的要求。電路的設(shè) 北京交通大學(xué)碩士論文 圖4 8s d r a m 電路原理圖 4 7 鍵盤輸入接口電路設(shè)計(jì) 鍵盤是實(shí)現(xiàn)人機(jī)聯(lián)系最簡(jiǎn)便的輸入設(shè)備。通過(guò)鍵盤可以向微處 理器送入數(shù)據(jù)和控制命令，它是最常用的一種輸入操作。 鍵盤系統(tǒng)的主要工作包括及時(shí)發(fā)現(xiàn)有鍵閉合，求閉合鍵的鍵碼。 根據(jù)這一過(guò)程的不同，鍵盤可以分為二種，即編碼鍵盤和非編碼鍵盤。 本系統(tǒng)采用的是8 8 行列式非編碼鍵盤。在系統(tǒng)中，非編碼鍵盤由 c p u 通過(guò)鍵盤處理程序完成整個(gè)工作過(guò)程。相對(duì)c p u 來(lái)言，按鍵閉合 是隨機(jī)發(fā)生的，鍵盤處理程序必須能夠及時(shí)捕捉到閉合的鍵，并求出 鍵碼。按照這一過(guò)程的不同，非編碼鍵盤的工作方式可分為程序掃描 方式和中斷掃描方式。 本系統(tǒng)采用中斷方式連接，共1 6 個(gè)功能鍵，通過(guò)控制芯片b c 7 2 8 1 a 與m c u 的接口，b c 7 2 8 l 共需要三根線，數(shù)據(jù)線d a t 、時(shí)鐘線c l k 和按 鍵指示k e y 。其中c l k 和k e y 引腳分別為輸入和輸出引腳。當(dāng)有按鍵 被按下時(shí)，會(huì)實(shí)時(shí)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求信號(hào)，通知c p u 處理。 鍵盤輸入電路原理圖如圖4 9 所示。 l c d 接口數(shù)據(jù)定義如表4 一l 所示。 表4 一l l c d 接口數(shù)據(jù)定義 1 、i s so 電l 鞲地 2哪 s o v 睬電n 3v 0 eo v 一一1 0 v濺妯盟冪| 囂攀礎(chǔ)曦雎 l肌 i “l(fā) “震秣口盯t o 為疑毋描沓取群 s州札，l t ，”h ，“。h 戴群靛臻判睢7 悱嘲 隹，h “l(fā) 。h 一l 。轂贛哥烈慷媲豫 6 eh l 靶，h l ”檔吁。f 讎沁鋪彈o b ? 一哪 r a - “h ”，b “h “啪r 一般搬難棚d 時(shí)訛帕o 7啪 h l虢姑拽 孽船1h ，l虢非； k 9d b 2l戡船殘 1 0睫3h l差 i 批線 1 1暇h ，l 壤甜= k 1 2雅5h l敉制f 1 3 d 瞞聃，l 枯萎4 r 譬 t 4d b 7h l般烈棧 1 5c s lh lh ：地抒稿 ：( zr 阜俯峙 1 6c s 2，l特：避釬囂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 馳，由輛瓢坪 1 e _h+ 5 o v 2 0孵 4 9a d 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 振動(dòng)加速度傳感器傳來(lái)的模擬電壓信號(hào)需經(jīng)由a d 變換為數(shù)字量 送入a t 9 l r m 9 2 0 0 的s p i 做進(jìn)一步處理。根據(jù)測(cè)試要求，a d 數(shù)模轉(zhuǎn) 換芯片采用t l v 2 5 4 8 芯片，對(duì)c p u 訪問(wèn)是通過(guò)s p i 口訪問(wèn)，a d 模 擬量輸入通道為8 路。通過(guò)a t 9 1 r m 9 2 0 0 的n p c s o 片選該芯片，外圍 電流轉(zhuǎn)電壓電路可以實(shí)現(xiàn)4 路的電流輸入和4 路電壓輸入。 a d 模數(shù)轉(zhuǎn)換硬件主要是由t v l 2 5 4 8 轉(zhuǎn)換芯片和a d 7 0 4 構(gòu)成。 t v l 2 5 4 8 是1 2 位8 通路逐次逼近式a d 轉(zhuǎn)換器，輸入電壓在o 5 伏，最大不可調(diào)誤差小于l l s b ，它具有高速、高精度、溫度、依賴 度低以及在長(zhǎng)期工作條件下能耗小、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。 s p i 是一個(gè)同步協(xié)議接口，用來(lái)在微處理器和外圍設(shè)備芯片之間 提供一個(gè)低成本易使用的接口，可以用來(lái)連接存儲(chǔ)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、 傳感器、l c d 驅(qū)動(dòng)器等“1 。t l v 2 5 4 8 與c p u 接法如下圖4 一l l 所示。 t l v 2 5 4 8 共有8 路輸入信號(hào)，可以通過(guò)配置，輸入相應(yīng)的電壓或 者電流信號(hào)。這里配置為四路電壓和四路電流信號(hào)。電壓輸入電路設(shè) 4 0 第四章系統(tǒng)采集處理硬件平臺(tái)設(shè)計(jì) 器盞出o i ii t 二舅譽(yù)卜一，。慮拳鐐。w 薯i t o c m p 可卿際 1 4o o 。 i s，i 二- 7 事晶。 “uu j t 童懿 4 x t r i 。i 。鈳i t r罩域； n c 1 6，i 磷 圖4 1 1t l v 2 5 4 8 電路原理圖 計(jì)如下圖4 1 2 所示。 圖4 1 2電壓輸入原理圖 v i n l 4 是放大器a d 7 0 4 輸出，為t v l 2 5 4 8 提供輸入電壓信號(hào)。 v i n p u t l 4 是a d 模塊外部模擬量輸入端子，接外部電壓輸入。 4 1 0u s b 設(shè)備電路設(shè)計(jì) 在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，有眾多場(chǎng)合需求用u s b 串行接口來(lái)進(jìn)行 數(shù)據(jù)傳輸“”。所以u(píng) s b 從設(shè)備的電路設(shè)計(jì)是為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)的需求。a t 9 l r m 9 2 0 0 內(nèi)部集成的u s b 設(shè)備端口( u s bd e v i c ep o r tu d p ) 具有如下特 性： 遵從u s bv 2 ，0 規(guī)范，每秒1 2 m b p s 每秒。 嵌入u s bv 2 o 全速收發(fā)器。 每個(gè)端點(diǎn)配有雙口r a m 。 這里可以直接從c p u 引出線外接即可，電路圖如圖4 1 3 。 4 1 北京交通大學(xué)碩士論文 酲4 一1 3u s b 電路原理圈 4 1 1 串口電路設(shè)計(jì) 串口電路的設(shè)計(jì)一方面為了滿足調(diào)試程序作為標(biāo)準(zhǔn)的輸入和標(biāo) 準(zhǔn)的輸出設(shè)備，另一方面可以通過(guò)串口通信來(lái)設(shè)置一些系統(tǒng)的參數(shù)。 此外，可通過(guò)串口向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。同時(shí)這里另設(shè)計(jì)一個(gè)串口作為 g p s 標(biāo)準(zhǔn)模塊的通信接口，接收列車速度和位置。 目前r s 一2 3 2 是p c 機(jī)與通信上業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。 它是在1 9 7 0 年由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)( e i a ) 聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器 廠家及計(jì)算機(jī)終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通訊的標(biāo)準(zhǔn)。它適合 于數(shù)據(jù)傳輸速率在o 2 0 0 0 0 b s 范圍內(nèi)的通信，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)串行通信 接口的有關(guān)問(wèn)題，如信號(hào)線功能、電器特性都作了明確規(guī)定。由于通 訊設(shè)備廠商都生產(chǎn)與r s 一2 3 2 c 制式兼容的通信設(shè)備，因此，它作為一 種標(biāo)準(zhǔn)，目前已在微機(jī)通信接口中廣泛采用。 這里使用了a t 9 lr m 9 2 0 0 兩個(gè)串口，輸出的串行信號(hào)是t t l 電平， 必須經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換輸出符合e i a t i a 一2 3 2 電平。s p 3 2 3 2 e 是s i p e x 公 司生產(chǎn)的r s 一2 3 2 收發(fā)器，適用于嵌入式設(shè)備的應(yīng)用“”，串口電路設(shè) 計(jì)見(jiàn)圖4 1 4 所示。 圖4 一1 4 串口電路原理圖 北京交通大學(xué)碩士論文 5 2 存儲(chǔ)器系統(tǒng)分配 本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)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 空間軟件分配如下圖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 環(huán)境變量參數(shù) 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 應(yīng)用文件1 0 2 圩f f f j f f s 2 文件系統(tǒng)1 0 3 0 0 0 0 0 數(shù)據(jù)文件 1 0 7 e f f f f 圖5 2f l a s h 空間分配 f l a s h 空間地址顯示如圖5 3 。 圖5 3f l a s h 空間地址顯示 北京交通大學(xué)碩士論文 b 初始化內(nèi)存，包括啟用內(nèi)存庫(kù)、初始化內(nèi)存配置寄存器等。 c 初始化串行端口( 如果在目標(biāo)上有的話) 。 d 初始化網(wǎng)絡(luò)接口。 e 啟用指令數(shù)據(jù)高速緩存。 f 設(shè)置堆棧指針。 ： g 設(shè)置參數(shù)區(qū)域并構(gòu)造參數(shù)結(jié)構(gòu)和標(biāo)記( 這是重要的一步，因?yàn)閮?nèi) 核在標(biāo)識(shí)根設(shè)備、頁(yè)面大小、內(nèi)存大小以及更多內(nèi)容時(shí)要使用引導(dǎo)參 數(shù)) 。 h 執(zhí)行p o s t ( 加電自檢) 來(lái)標(biāo)識(shí)存在的設(shè)備并報(bào)告任何問(wèn)題。 i 為電源管理提供掛起。 x 北京交通大學(xué)碩士論文 不僅支持m 丁d ，而且可以在m t d 基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)多種文件系統(tǒng)，比如 c r 鯽f s 、f a t 和j f f s 2 等。 支持中斷。這為測(cè)試硬件中斷的響應(yīng)提供了方便。 詳細(xì)的開(kāi)發(fā)文檔。由于大多數(shù)b o o t l o a d e r 都是開(kāi)源項(xiàng)目，所以文 檔都不是很充分。u b o o t 的維護(hù)人員意識(shí)到了這個(gè)問(wèn)題，充分記 錄了開(kāi)發(fā)文檔，所以為移植提供了方便。 5 3 3u b 0 0 t 移植 u b 0 0 t 的移植必須與設(shè)計(jì)的硬件相匹配。這就要求對(duì)于硬件的設(shè) 計(jì)以及u b 0 0 t 碼有較為深入的理解。移植過(guò)程中可以