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

北京交通大學碩士論文 1 2 國內外列車平穩(wěn)性測試系統(tǒng)現狀 鐵道車輛動力學性能檢測一直是各國鐵路機構研究的重要內 容，平穩(wěn)性指標是其中一個重要豹指標。對于平穩(wěn)性澍試，國內外從 檢測車到便攜式設備檢測都有相應的產品。目前國內外開展鐵路客車 運行平穩(wěn)性檢測試驗普遍采用試驗列車加試驗車的測量方法，如鐵道 科學研究院在做鐵道車輛動力學性能試驗時采用的是基于網絡技術 的分布式數據采集系統(tǒng)，數據采集系統(tǒng)和數據處理系統(tǒng)布置在試驗車 上，傳感器安裝在各被試車上，通過屏蔽電纜連接到數采系統(tǒng)上，平 穩(wěn)性數據是通過試驗車的采集處理系統(tǒng)得到的，對列車進行平穩(wěn)性評 價。通過專業(yè)部門使用專門實驗設備來做動力學試驗，需要投入相當 大的人力、物力和財力n “。 便攜式平穩(wěn)性測試儀器靈活多變、適應范圍比較廣，可以隨車做 試驗，也便于現場分析。國內外有相應一些產品，如國外的公司：英 國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)性指標儀，英國t d m t a p es e r v i c e sl i m i t e d 公司生產的m l ( i i 型便攜式平穩(wěn)性指標儀， 日本鐵路應用佐佐木研制的新型輕量化心盤加速度測定裝置等“”，都 是屬于便攜式平穩(wěn)性測試儀。國內的大學和公司也對此做了開發(fā)，有 鐵科院的基于d s p 的平穩(wěn)性指標儀“”，青島四方車輛研究所、西南交 大國家牽引動力學實驗室都開發(fā)了基于虛擬儀器的車輛平穩(wěn)性測量 儀器等“”“1 平穩(wěn)性指標測試需要知道車體的垂向振動加速度、橫向振動加 速度、列車運行的速度、位置以及當前時間，并且對振動加速度進行 復雜的信號處理，涉及復雜算法，將來的功能不僅僅局限于數據的采 集和記錄，而且增加一些較多外設控制和數據處理算法，能夠便于移 動計算和網絡連接。目前，國內外所研制的平穩(wěn)性測試儀器都有局限 性：造價都比較高，例如基于虛擬儀器的平穩(wěn)性測試儀是基于p c 和 數據采集卡，需要筆記本電腦；功耗高、可擴展性差，如d s p 平穩(wěn)性 測試儀擴展外設需要另加芯片，編寫單獨的驅動程序：數據存儲和傳 輸不方便等問題。 如何解決這些問題呢? 由于基于a r m 的嵌入式系統(tǒng)具有其本身 體積小、運算速度快、運行操作系統(tǒng)，支持包括u s b 、以太網、無線 傳輸等較多外設、存儲容量大等優(yōu)點，為解決上述問題提供了新的技 術保證。 1 3 嵌入式技術及發(fā)展趨勢 2 第一章緒論 嵌入式系統(tǒng)被定義為；以應用為中心、以計算機技術為基礎、 軟件硬件可裁剪、適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗 嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。 計算機和儀器的密切結合是當前儀器發(fā)展的一個重要趨勢。這種 結合有兩種方式： 將儀器裝入計算機中。就是以通用的計算機硬件和操作系統(tǒng)為 依托，實現各種儀器的功能“”。虛擬儀器就是指的這種方式。 虛擬儀器的實質是利用計算機顯示器的顯示功能來模擬傳統(tǒng)儀 器的控制面板，以多種形式表達輸出檢測結果，利用p c 機強大 的軟件功能實現信號數據的運算、分析、處理，利用接口設備 來完成信號的采集、測量與調理，從而完成各種測試功能。 將計算機裝入儀器中。就是所謂的智能化儀器。目前出現含嵌 入式系統(tǒng)的儀器，它就是屬于智能化儀器，可以稱專用計算機 系統(tǒng)。本課題就是研究此類儀器的設計 將嵌入式技術結合傳統(tǒng)的信號采集與處理進行手持計算開始逐 漸成為主流。嵌入式系統(tǒng)這一概念實際上很久以前就已經存在了。早 在上世紀六十年代，它就被用于對電話交換進行控制，當時被稱為“存 儲式過程控制系統(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7 0 年代出現的，發(fā)展歪今已經有3 0 多年 的歷史，進入9 0 年代后，以計算機和軟件為核心的數字化技術取得 了迅猛發(fā)展，不僅廣泛滲透到社會經濟、軍事、交通、通信等相關行 業(yè)，而且深入到家電、娛樂、藝術、社會文化等各個領域，掀起了一 場數字化技術革命。多媒體技術與i n t e r n e t 的應用迅速普及，電子、 計算機、通信一體化趨勢日趨明顯，嵌入式技術再度成為一個研究熱 點，嵌入式系統(tǒng)成為后p c 時代i t 領域發(fā)展的主力軍。美國著名學者 尼葛洛龐帝1 9 9 9 年1 月訪華時曾預言：4 5 年后嵌入式智能產品將是 繼p c 和因特網之后最偉大的發(fā)明，現在可以說預言已經變成現實， 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)展大致經歷了以下四個發(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)，同時具有檢 測、伺服、指示設備相配合的功能。這一類型的系統(tǒng)大部分用于專業(yè) 性極強的工業(yè)控制系統(tǒng)中，一般沒有操作系統(tǒng)支持，通過匯編語言對 系統(tǒng)進行直接控制。這一階段系統(tǒng)主要的特點是：結構和功能相對單 一、效率較低、存儲容量較小、幾乎沒有用戶接口。由于這種嵌入式 系統(tǒng)使用簡單、價格便宜，以往在工業(yè)領域中應用較為普遍。 第二階段是以嵌入式中央處理器( c p u ) 為基礎，以簡單操作系統(tǒng) 為核心的嵌入式系統(tǒng)。這一階段系統(tǒng)的主要特點是：c p u 種類繁多、通 第一章緒論 在大多數情況下，振動是有害的，它對振動對象的精度、壽命和可靠 性都會產生影響。當然，振動也有可以被利用的一面，如振動加工、 振動監(jiān)測、故障預報等。 在長期的科學研究和工程實踐中，人們已逐步形成了一門較完整 的振動工程學科，可對振動進行理論計算和分析，但這些畢竟還是建 立在簡化和近似的數學模型上，還必須用試驗和鍘量技術進行驗證。 另外，隨著現代工業(yè)和現代科學技術的發(fā)展，對各種機器設備提出了 低振級和低噪聲的要求，以及對主要生產過程或重要設備進行監(jiān)測、 診斷，對工作環(huán)境進行控制等等。這些都離不開振動的試驗和測量設 備儀器。 振動測量是以振動對象的振動為信息源，通過振動參數的變化 特征判別振動對象的狀態(tài)。從振動的頻率范圍來看，有高頻振動、低 頻振動和超低頻振動，按振動信號轉換的方式可分為電測法、機械法 和光學法，目前廣泛應用的是電測法，電測法是通過振動傳感器將振 動轉換為電量進行測量，或可配用專門的運算分析器和計算機，對測 量結果做進一步的分析和處理。用于鐵道車輛平穩(wěn)性測試的振動測量 屬運輸工具振動測量，車輛的振動頻率為低頻，目前通常采用電測法 進行振動測量”。 在電測振動中，由測振傳感器接收的信號通常是復雜的時間函 數，利用信號處理技術來處理。例如，通過傅里葉變換將時域信號轉 換成頻域信號加以分析的方法就稱為頻譜分析。頻譜分析技術包括幅 值譜分析、自功率譜密度函數分析、互功率譜密度函數分析、相干函 數分析、倒頻譜分析等。振動信號經過頻譜分柝，可以求得信號的頻 率成分和結構，并進而分析系統(tǒng)的傳遞特性；通過頻譜分析，還可以 對被測對象按照實際情況進行振動監(jiān)測和故障診斷。當然還有諸如時 序分析法、特征分析法等其他辦法分析“”“2 ”。由于采集處理的數據 量大，振動采集處理實現計算機化是必須的。 1 。5 論文研究的主要內容和任務 本課題主要研制：旅客列車平穩(wěn)性測試儀。 旅客列車平穩(wěn)性測試系統(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 、數字信號處理技術、傳感器、電路設計、g p s 等技術和振動理論、平穩(wěn)性理論、速度測量部分鐵道車輛運行標準等。 這里把整個系統(tǒng)大致分為四部分：振動加速度測量部分、速度測量部 分、數據采集處理部分以及地面數據處理部分。本論文主要對實時數 據采集與處理部分利用a r m 嵌入 北京交通大學碩士論文 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 提出并設計平穩(wěn)性測試系統(tǒng)的整體結構，并對系統(tǒng)的平穩(wěn)性 理論基礎及測試方法作一個介紹。 2 研究以a 芯片為核心的平穩(wěn)性測試系統(tǒng)開發(fā)方法以及硬件 電路設計。 3 結合平穩(wěn)性測試系統(tǒng)的研究，研究基于a 跚一l i n u x 的平穩(wěn)性測 試系統(tǒng)軟件設計方法及關鍵技術。 第二章系統(tǒng)理論基礎及方案基礎 的平穩(wěn)性指標v r ，v r 平穩(wěn)性指標不僅用于對樣車和現有機車車輛的 試驗結果進行評估，而且也在新車開發(fā)階段普遍的用于評估數學模型 的輸出。美國的杰奈威舒適性j 矗n e w a y 系數，是通過測定車輛的振動 加速度來判定乘坐的舒適性。日本國鐵在早期參考美國的j 8 n e w a y 舒 適度標準方案，在1 9 8 1 年以i s o 一2 6 3 1 為基礎，考慮了鐵道車輛的 振動特性，提出了乘坐舒適度水平方案。i s o 一2 6 3 1 是國際標準化組 織( i s o ) 提出的影響人體的振動評價標準，雖然是一個不具約束力 的通用評價指南，但卻給各國全身振動研究帶來很大影響，成為有關 規(guī)范的重要組成部分。另一種狄克曼指標可以較簡便地判別人體對結 構振動具有良好感覺的界限，它能基本判別司機、旅客和橋上行人在 列車過橋時的感覺“”。他們針對自己的標準都開發(fā)了相應的檢測儀 器口4 1 在這里根據我國平穩(wěn)性測試系統(tǒng)的實際應用情況，主要介紹 s p e r l i n g 平穩(wěn)性指標和由此引出的g b 5 5 9 9 8 5 即“鐵道車輛動力學 性能評定和試驗鑒定規(guī)范”的平穩(wěn)性指標。整個平穩(wěn)性測試系統(tǒng)也是 圍繞g b 5 5 9 9 8 5 的平穩(wěn)性指標進行研究和開發(fā)的。 2 2 1 s p e r lin g 平穩(wěn)性指標 德國鐵路以及歐洲鐵路聯盟( u i c ) 均采用s p e r l i n g 提出的平穩(wěn) 性指數來評定車輛的運行品質。s p e r l i n g 等人在大量單一頻率振動 的實驗基礎上提出影響車輛平穩(wěn)性的兩個重要因素。m 一個重要因素是位移對時間的三次導數。亦即z 一口( 加速度變化 率) 。若上式兩邊均乘以車體質量m 。，并將m 一之積改寫成，則 m 。；i f 或j t 彘，由此可見，；在一定意義上代表力的變化率，f 的增減變化引起沖動的感覺。如果車體做簡諧振動，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)指數的另一個因素是振動時的動能大小，車體振動時 的最大動能為： 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)性指數時，把反映沖動的加速度最大幅值 9 北京交通大學碩士論文 瘍口j r 。和反映振動動能( 知，) 2 的乘積( 掃) 5 0 ，5 作為衡量標準 來評定車輛運行品質。車輛運行平穩(wěn)性指數的經驗公式為： 1 0 2 7 ”厄丐軍麗= o 8 9 6 ( 2 2 ) 式中靠哼覆幅( c m ) o ，振動頻率( 日z ) ； 4 加速度俘，其值為：d 一( 缸，) 2 ； f ( r ) 與振動頻率有關的加權系數： 當矗的單位為占= 9 8 l 時，公式中的系數為7 0 8 。 f ( ，) 對于垂向振動和橫向振動是不同的，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 垂向振動 橫向振動 ，( 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)性指數只適用種頻率一個振幅的單一振動，但實際 上車輛在線路上運行時的振動是隨機的，即振動頻率和振幅都是隨時 間變化的。因此，在整理車輛平穩(wěn)性指數時，通常把實測的車輛振動 加速度記錄按頻率分解，進行頻譜分析，求出每段頻率范圍的振幅值， 然后對每一頻段計算各自的平穩(wěn)性指數啊，最后求出全部頻段總的平 穩(wěn)性指數： f ；似”+ 叼o + + 職o ) “1 ( 2 3 ) 根據f 值來評定平穩(wěn)性指標與等級。s p e r l i n g 的客車平穩(wěn)性等 級列于表2 2 中。 第二章系統(tǒng)理論基礎及方案基礎 表2 2s p e r l i n g 車輛運行平穩(wěn)性指標與等級 w 值 運行品質w 值乘坐舒適度( 對振動的感覺) 1很好 l 剛能感覺 2好 2 明顯感覺 3滿意 2 5 更明顯，但并無不快 4可以運行 3 強烈，不正常，但還能忍受 3 2 5 很不正常 4 5運行不合梧 3 5 極不正常可厭，不能長時忍受 5危險 4 極可厭長時忍受有害 2 2 2 國內的平穩(wěn)性指標 當前，國際上還沒有統(tǒng)一的平穩(wěn)性指標，s p e r l i n g 平穩(wěn)性指標在 我國鐵路得到長期的非正式的應用，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 兩個標準，我國才正式采用平穩(wěn)性指標對客貨 車輛以及機車的運行品質進行定量的評估。我國平穩(wěn)性指標的計算公 式和頻率修正系數等都基本與s p e r l i n g 平穩(wěn)性指標相同，但是對指 標的分級做了簡化，僅分為優(yōu)、良好、合格三個級別，并規(guī)定新造客 車和貨車的平穩(wěn)性指標不得低于“良好”1 。 一客車運行平穩(wěn)性指標公式為； 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“鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規(guī)范” 中“，將平穩(wěn)性指標分為3 個等級，如表2 3 所示： 表2 3 客、貨車運行平穩(wěn)性等級 | 平穩(wěn)性等級評定平穩(wěn)性指標 客車貨車 f l 級優(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 個通用處理 器系列，每一個系列提供一套相對獨特的性能來滿較高的應用而 設計1 。 由于a r m 是3 2 位的r i s c 芯片，它的體系結構為：處理器有 七種運行模式、使用便于流水線操作的單周期指令、寄存器為3 7 個，存儲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 蹦適合運行操作系統(tǒng)。運行操作系統(tǒng)后才能完成一些復雜 的功能，如以太網協議、u s b 通信等，也便于應用程序開發(fā)。執(zhí) 行速度快，存儲空間大可以適合便攜式產品設計。 3 3 2a r m 9 處理器的特點 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； 北京交通大學碩士論文 統(tǒng)。通常，應用系統(tǒng)對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)負責嵌入 式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、調度工作，控制協調并發(fā)活 動，它必須體現所在系統(tǒng)的特征，能夠通過裝卸某些模塊來達到 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：商用型和免費型。商用型實時操作系統(tǒng)功能穩(wěn)定、可靠， 有完善的技術支持和售后服務，如v x w o r k s 和w i n d o w s c e 等，但往往 價格昂貴。免費型實時操作系統(tǒng)在價格方面具有優(yōu)勢，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)，都要從以下幾個方 面加以考慮： 操作系統(tǒng)的硬件支持( 包括是否支持目標系統(tǒng)、可移植 性) 。 開發(fā)工具的支持程度。 能否滿足應用需求。 許多嵌入式系統(tǒng)一旦開始運行，就不需要過多的干預，而且 要求不能夠在運行中出現什么故障。在這種條件下，要求負責系 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 應用需求，性價比又達到最佳的實時操作系統(tǒng)，對開發(fā)工作的順 利開展意義重大。 在嵌入式平穩(wěn)性測試裝置的設計中，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，l i n u x 作為一個非常流行的通用操作系 統(tǒng)，人們在它的嵌入式應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 有一些獨特的優(yōu)勢，非常適合嵌入式應用。它的優(yōu)勢體現在以下 方面： 內核穩(wěn)定、功能強大、支持多種硬件平臺、應用軟件多、 兼容性好 內核可根據需要任意裁減。 使用成本低，免費開放源代碼。 多專業(yè)的商業(yè)公司參與，發(fā)展?jié)摿Υ蟆?l i n u x 是一個類u n i x 的操作系統(tǒng)，其代碼是完全重新開發(fā)的， 內核功能強大，實現簡潔。最新的乙i n u x 內核支持多種體系結構的 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 等微處理器體系結構。同時，l i n u x 平臺上的應用軟件也不斷 地得到擴充。 比較常見的嵌入式l i n u x 操作系統(tǒng)有：r t l i n u x ( 實時l i n u x ) ， 第三章系統(tǒng)采集處理硬件平臺設計 u c l i n u x ( 用于非m m u 設備的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 內核的a r m 處理器“”“。 3 4 2 嵌入式l n u x 特點 嵌入式l i n u x 具有以下四個特點： 第一，l i n u x 系統(tǒng)是層次結構且內核完全開放。l i n u x 是由很 多體積小且性能高的微內核系統(tǒng)組成。在內核代碼完全開放的前 提下，不同領域和不同層次的用戶可以根據自己的應用需要方便 地對內核進行改造，低成本地設計和開發(fā)出滿足自己需要的嵌入 式系統(tǒng)。 第二強大的網絡支持功能。l i n u x 誕生于因特網時代并具有 u n i x 的特性，保證了它支持所有標準因特網協議，并且可以利用 l i n u x 的網絡協議棧將其開發(fā)成為嵌入式的t c p i p 網絡協議 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)采集處理硬件平臺設計 的交互，向上通過一個通用的接口掛接到虛擬文件系統(tǒng)上。它是 系統(tǒng)軟件和硬件設備間的一個抽象層。 總之，在l i n u x 系統(tǒng)中，文件操作是對設備操作的組織與抽 象，、而設備操作則是對文件操作的最終實現。 當用戶進程發(fā)出i o 請求時，l i n u x 把請求的處理權限放在 虛擬文件系統(tǒng)，虛擬文件系統(tǒng)通過設備驅動程序提供的接口再把 任務下放到驅動程序，驅動程序根據需要對設備控制器進行操作， 設備控制器再去控制設備本身。這樣，通過逐層隔離，l i n u x 對 用戶進程基本上屏蔽掉了設備的各種硬件特性。 3 。5 平穩(wěn)性測試儀器開發(fā)模式 平穩(wěn)性測試系統(tǒng)數據采集處理的設計在大體上可以分為硬件 平臺設計、軟件平臺設計和嵌入式應用軟件設計。硬件系統(tǒng)功能 和設計的正確性需要通過軟件在硬件系統(tǒng)的運行來驗證，操作系 統(tǒng)的移植和驅動程序測試需要應用程序配合，而應用程序的測試 只需要按照軟件工程理論測試的方法來進行。如圖3 3 所示。 圖3 3 平穩(wěn)性測試儀開發(fā)模式 北京交通大學碩士論文 3 6 核心平臺設計 3 6 1 核心平臺硬件設計 嵌入式平穩(wěn)性測試儀器要求能夠把現場測量數據經過a d 變 換，采集到存儲器里，并進行處理和顯示，可以通過u s b 或網絡 實時傳輸。由于測量數據即使經過壓縮但仍具有很大的數據量， 為了便于在本地直接存儲，可以通過u s b 接口直接對儀器操作， 也可以使用以太網傳輸。由于時間和技術原因，本文沒有使用以 太網接口，只是使用了u s b 接口。 根據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，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、串口轉換等芯片完成系統(tǒng)所要求的核心模塊。詳細的硬件設 計原理見第四章。 3 6 2 核心平臺軟件設計 軟件結構基本框圖如圖3 4 ： 圖3 4 嵌入式平穩(wěn)性測試系統(tǒng)核心平臺軟件結構框圖 l i n u x 強大的網絡支持功能，低廉的價格以及眾多開發(fā)人員 第三章系統(tǒng)采集處理硬件平臺設計 的維護成為設計嵌入式平穩(wěn)性儀器的首選操作系統(tǒng)。同時硬件平 臺眾多的存儲器資源為運行l(wèi) i n u x 提供了強大的物質基礎。由于 本系統(tǒng)的功能較為復雜，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 內核的微處理器，尤其是具有a r m 9 2 0 t 內核的a t 9 1r m 9 2 0 0 ，這樣嵌入式l i n u x 操作系統(tǒng)的移植將會變 得簡單( 詳見第五章) 。 軟件平臺包括如下幾部分： 引導程序：能實現系統(tǒng)的快速引導，提供瞬間開機功能。負 責將l i n u x 內核加載到內存，并將控制權交給內核初始化程序。 具體工作包括：尋找或將指定的內核映像解壓，解壓文件系統(tǒng)。 l i n u x 內核：l i n u x 是一個單一內核操作系統(tǒng)，但可以動態(tài) 裝入和卸載內核中的部分源代碼。l i n u x 內核由內存管理、進程 管理、定時器中斷管理、模塊管理、虛擬文件系統(tǒng)、接口文件系 統(tǒng)、設備驅動程序、進程間通信、網絡管理及系統(tǒng)啟動等構成。 設備驅動程序是內核的一部分，它像內核中其它代碼一樣運行在 內核模式。l i n u x 設備驅動程序的主要功能有：對設備進行初始 化；使設備投入運行和退出服務；從設備接收數據并將它們送回 內核；將數據從內核送到設備；檢測和處理設備出現的錯誤。 文件系統(tǒng)：包括根文件系統(tǒng)r a m d i s k 和建立于存儲設備的 j f f s 2 文件系統(tǒng)。 初始化進程：系統(tǒng)在剛剛啟動時，運行于內核方式，這時候 只有一個初始化進程在運行，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 ) 。初始化進程是系統(tǒng)的第一個進程， 以后所有的進程都是初始化進程的子進程。初始化的時候被調用 a d 驅動程序、鍵盤驅動、l c d 驅動、u s b 驅動以及串口驅動等驅 動程序，它們主要監(jiān)測所要驅動的硬件設備是否存在和能否正常 工作。 應用主程序：包括數據采集模塊、處理模塊、通信模塊、轉 儲模塊及人機交互模塊等。主要任務是將 x 第三章系統(tǒng)采集處理硬件平臺設計 圖3 5 a d s l 2 開發(fā)界面 調試工具需要示波器、萬用表等，同時需要支持a d s 的仿真器。 3 7 一軟件調試 嵌入式系統(tǒng)通常為一個資源受限的系統(tǒng)。直接在此嵌入式系 統(tǒng)的硬件平臺上編寫軟件是不可行的。這里，采用的辦法是，先 在通用計算機上編寫程序，然后，通過交叉編譯，生成目標平臺 上可運行的二進制代碼，最后通過串口或者網口下載到目標平臺 上的特定位置上運行。建立調試環(huán)境的具體步驟如下。 第一步建立嵌入式l i n u x 交叉開發(fā)環(huán)境。這里采用開放的交 叉開發(fā)環(huán)境，典型的代表是g n u 工具鏈，目前已經能夠支持x 8 6 、 a r m 、m i p s 、p o w e r p c 等多種處理器。交叉開發(fā)環(huán)境是指編譯、鏈 接和調試嵌入式應用軟件的環(huán)境。它與運行嵌入式應用軟件的環(huán) 境有所不同，采用宿主機目標機模式。 第二步進行交叉編譯和鏈接。在完成嵌入式軟件的編碼之后， 就是進行編譯和鏈接，以生成可執(zhí)行代碼。開發(fā)過程是在i n t e l 公司x 8 6 系列c p u 的通用計算機上進行，而本系統(tǒng)目標 x 第四章系統(tǒng)采集處理硬件平臺設計 第四章系統(tǒng)采集處理硬件平臺設計 a r m 最小系統(tǒng)一般包括a r m 芯片、電源電路，時鐘電路、復位 電路、存儲器( 包括a r m 芯片內s r a m 、外擴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)性測試系 統(tǒng)數據采集處理模塊具體硬件設計。為了實現程序運行的基本環(huán)境， 除了設計以a i 【m 為核心的最小系統(tǒng)外，同時為了滿足實現數據采集顯 示和轉儲的需求，還設計了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。這里介紹硬件平臺的組成衣電路設計的實現。 4 1 硬件系統(tǒng)的功能框圖 便攜式平穩(wěn)形測試系統(tǒng)核心模塊并不復雜，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 北京交通大學碩士論文 4 2c p u 處理器 嵌入式平穩(wěn)測試系統(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“： 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 運行時有2 0 0 m i p s 處理能力 1 6 k b 的數據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 的內部s r a m 和1 2 8 k b 的內部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 的無縫連接 全電源管理功能 帶有報警中斷的實時時鐘 帶有八個優(yōu)先級、可單個屏蔽中斷源、s p u r i o u s 中斷保護 的先進中斷控制器 七個外部中斷源和一個快速中斷源 四個3 2 位的p i o 控制器可以達到1 2 2 個可編程i o 引 腳( 每個都有輸入控制、可中斷及開路的輸出能力) 2 0 通道的外部數據控制器( d m a ) l o m 1 0 0 m 的以太網接口 4 個u s a r t 3 個異步的串行控制器 s p i 接口。4 個外設芯片可選 2 個全速的u s b2 o 主接口和1 個從口 2 個3 通道1 6 位的定時計數器( t c ) 兩線接口( t w i ) i e e e1 1 4 9 1j t a g 標準掃描接口 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，再除去地址總線數據總 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，需要認真研究的的引腳主要是控制信號。由于相關功能模塊集 成在芯片內，所以簡化系統(tǒng)設計，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 模塊雖然是內核的一部分，但是并沒有被編譯到內核里面去。 蠶一臻一萎 它們被編譯并連接成一組目標文件，不是固定地鏈接到某一地址 一璦蓊目霎罄“ ；擘二 i 要 開始運行，而是根據需要在系統(tǒng)啟動后動態(tài)地加載到系統(tǒng)核心之 ；i ! 瓣 椰i ：圭；i s 中。通過動態(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。若在調試新核心代碼時采 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 群蓁 羹 載入運行中的內核。成為內核的一個有機組成部分( 通常是設備驅 動程序) ，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 根據需要在不重新編譯內核的條件下將模塊動態(tài)地 用模塊技術，用戶不必在每次修改后都需重新編譯核心和啟動系 統(tǒng) 。 模塊機制是l i n u x 內核提供的一種非常有用的機制，可以通 過模塊編程來改造l i n u x 操作系統(tǒng)，如添加設各驅動程序、文件 系統(tǒng)、修改和增加系統(tǒng)調用等。 34 4l in u 的設備管理 操作系統(tǒng)的主要任務之一就是管理i o 設備，完成向設備發(fā) 出命令、捕獲中斷并進行出錯處理，向系統(tǒng)其余部分提供一個統(tǒng) 一接口，從而將系統(tǒng)硬件設備細節(jié)從用戶視線中隱藏起來。在 l i n u x 中管理硬件設備的代碼并沒有放置在每個應用程序中而是 北京交通大學碩士論文 4 6 所示。 圖4 6 復位電路原理圖 4 5f l a s h 存儲器電路設計 f 1 a s h 存儲器用來存放用戶編寫的啟動程序、操作系統(tǒng)內核以及 應用程序以及采集數據。s 2 9 g l 0 6 4 是s p a n s i o n 公司生產的8 m 閃存， 共有1 2 8 個扇區(qū)，4 8 管腳的t s 0 p 封裝具有如下主要特點： 單電源供電：3 v 讀、寫、編程操作 靈活的塊結構 與j e d e c 標準兼容：命令通過微處理器的標準寫時序寫入，寫 周期會依據編程及擦除操作的需要內部鎖存地址和數據信號 每個塊可經歷l o o o o o 次擦除 數據存儲期為2 0 年 9 0 n s 訪問時間 4w o r d 8b y t e 大小的頁讀緩沖區(qū) 2 5 n s 頁讀取時間 引腳定義如下： c e 片選信號 s c k c l k串行時鐘時鐘 w p 硬件寫保護引腳 r s t 芯片復位引腳 r d y b u s y 準各好忙引腳 本系統(tǒng)采用f l a s h 存儲的程序在系統(tǒng)啟動后加載到r 柵中運 行，所以一旦系統(tǒng)啟動之后，f l a s h 就不與m c u 交互( 維護f l a s h 操 作除外) ，基于以上原因對于f l a s h 速度不做很高的要求。電路的設 北京交通大學碩士論文 圖4 8s d r a m 電路原理圖 4 7 鍵盤輸入接口電路設計 鍵盤是實現人機聯系最簡便的輸入設備。通過鍵盤可以向微處 理器送入數據和控制命令，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發(fā)現有鍵閉合，求閉合鍵的鍵碼。 根據這一過程的不同，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 通過鍵盤處理程序完成整個工作過程。相對c p u 來言，按鍵閉合 是隨機發(fā)生的，鍵盤處理程序必須能夠及時捕捉到閉合的鍵，并求出 鍵碼。按照這一過程的不同，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 個功能鍵，通過控制芯片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，數據線d a t 、時鐘線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。當有按鍵 被按下時，會實時產生中斷請求信號，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 接口數據定義如表4 一l 所示。 表4 一l l c d 接口數據定義 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 轉換電路設計 振動加速度傳感器傳來的模擬電壓信號需經由a d 變換為數字量 送入a t 9 l r m 9 2 0 0 的s p i 做進一步處理。根據測試要求，a d 數模轉 換芯片采用t l v 2 5 4 8 芯片，對c p u 訪問是通過s p i 口訪問，a d 模 擬量輸入通道為8 路。通過a t 9 1 r m 9 2 0 0 的n p c s o 片選該芯片，外圍 電流轉電壓電路可以實現4 路的電流輸入和4 路電壓輸入。 a d 模數轉換硬件主要是由t v l 2 5 4 8 轉換芯片和a d 7 0 4 構成。 t v l 2 5 4 8 是1 2 位8 通路逐次逼近式a d 轉換器，輸入電壓在o 5 伏，最大不可調誤差小于l l s b ，它具有高速、高精度、溫度、依賴 度低以及在長期工作條件下能耗小、重復性好等優(yōu)點。 s p i 是一個同步協議接口，用來在微處理器和外圍設備芯片之間 提供一個低成本易使用的接口，可以用來連接存儲器、模數轉換器、 傳感器、l c d 驅動器等“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，可以通過配置，輸入相應的電壓或 者電流信號。這里配置為四路電壓和四路電流信號。電壓輸入電路設 4 0 第四章系統(tǒng)采集處理硬件平臺設計 器盞出o i ii t 二舅譽卜一，。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。 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 設備電路設計 在現場的實際應用當中，有眾多場合需求用u s b 串行接口來進行 數據傳輸“”。所以u s b 從設備的電路設計是為數據轉儲的需求。a t 9 l r m 9 2 0 0 內部集成的u s b 設備端口( 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。 每個端點配有雙口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 北京交通大學碩士論文 酲4 一1 3u s b 電路原理圈 4 1 1 串口電路設計 串口電路的設計一方面為了滿足調試程序作為標準的輸入和標 準的輸出設備，另一方面可以通過串口通信來設置一些系統(tǒng)的參數。 此外，可通過串口向上位機傳輸數據。同時這里另設計一個串口作為 g p s 標準模塊的通信接口，接收列車速度和位置。 目前r s 一2 3 2 是p c 機與通信上業(yè)中應用最廣泛的一種串行接口。 它是在1 9 7 0 年由美國電子工業(yè)協會( e i a ) 聯合貝爾系統(tǒng)、調制解調器 廠家及計算機終端生產廠家共同制定的用于串行通訊的標準。它適合 于數據傳輸速率在o 2 0 0 0 0 b s 范圍內的通信，這個標準對串行通信 接口的有關問題，如信號線功能、電器特性都作了明確規(guī)定。由于通 訊設備廠商都生產與r s 一2 3 2 c 制式兼容的通信設備，因此，它作為一 種標準，目前已在微機通信接口中廣泛采用。 這里使用了a t 9 lr m 9 2 0 0 兩個串口，輸出的串行信號是t t l 電平， 必須經過電平轉換輸出符合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 司生產的r s 一2 3 2 收發(fā)器，適用于嵌入式設備的應用“”，串口電路設 計見圖4 1 4 所示。 圖4 一1 4 串口電路原理圖 北京交通大學碩士論文 5 2 存儲器系統(tǒng)分配 本系統(tǒng)的硬件設計包括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 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 數據文件 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 北京交通大學碩士論文 b 初始化內存，包括啟用內存庫、初始化內存配置寄存器等。 c 初始化串行端口( 如果在目標上有的話) 。 d 初始化網絡接口。 e 啟用指令數據高速緩存。 f 設置堆棧指針。 ： g 設置參數區(qū)域并構造參數結構和標記( 這是重要的一步，因為內 核在標識根設備、頁面大小、內存大小以及更多內容時要使用引導參 數) 。 h 執(zhí)行p o s t ( 加電自檢) 來標識存在的設備并報告任何問題。 i 為電源管理提供掛起。 x 北京交通大學碩士論文 不僅支持m 丁d ，而且可以在m t d 基礎上實現多種文件系統(tǒng)，比如 c r 鯽f s 、f a t 和j f f s 2 等。 支持中斷。這為測試硬件中斷的響應提供了方便。 詳細的開發(fā)文檔。由于大多數b o o t l o a d e r 都是開源項目，所以文 檔都不是很充分。u b o o t 的維護人員意識到了這個問題，充分記 錄了開發(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 的移植必須與設計的硬件相匹配。這就要求對于硬件的設 計以及u b 0 0 t 碼有較為深入的理解。移植過程中可以