毕设论文基于ARM的多传感器同步采集与处理系统.pdf

本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 基于基于 ARMARM 的多传感器同步采集与处理系统的多传感器同步采集与处理系统 Multi sensor synchronous acquisition and processing system based onARM 学院： 机械与电子控制工程 专业：测控技术与仪器 学生姓名： 学号： 指导教师： 北京交通大学北京交通大学 2017 年 9 月 北京交通大学毕业设计（论文）版权使用授权书 2 学士论文版权使用授权书 本学士论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学士论文的规定。特授权北 京交通大学可以将学士论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，提供阅览服 务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名：指导教师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 北京交通大学毕业设计（论文）中文摘要 i 中文摘要 摘要摘要： 随着高速铁路和城市快速轨道交通的发展， 对轨道交通运行安全性要求逐渐提高， 对列车运行环境如隧道、 轨道检测内容也逐步增多。 车载动态检测系统涉及多种类型 （如 测量姿态、距离、图像等）、多种接口（如以太网、SPI、串口等）的传感器.传感器采 集的数据量、数据之间的关联性逐步增大，系统对数据传输的实时性、对数据处理的性 能要求也日渐提高。 本论文主要研究多种输出接口的传感器同步采集技术。首先充分就车载检测系统、 轨道全断面检测、数据采集系统等问题的发展动向及研究现状进行了学习。然后深入研 究了通用仪器仪表总线同步采样原理，确定了系统需采集数据类型及同步采集方法，在 此基础上完成了同步采集与处理系统初步方案设计。嵌入式系统硬件设计方面，设计了 以太网板卡的具体组成结构、外部接口、内部接口及技术规格，制作出实物，并进行了 调试。 系统软件设计方面， 主要编写了应用层接口驱动函数， 如 AD、 CAN、 QEP 和 UDP/TCP 等，还编写了部分相关子函数。最后成功搭建实验系统，实现了多路接口、数据的同步 采集，并对其上位机软件，数据采集的丢包率和同步精度进行了大量实验测试。实验结 果可以满足设计目标和实际要求。 关键词：关键词：多传感器；时间同步；系统 北京交通大学毕业设计（论文）英文摘要 ii ABSTRACT ABSTRACT:With the development of high-speed railway and urban rapid rail transit, rail transitoperationsecurityrequirementsgraduallyimprove,andthetrainoperation environment such as tunnel, the content of track detection is also gradually increasing. Vehicle dynamic test system involves a variety of types（such as measuring posture, distance, image, etc.）, a variety of interface (such as Ethernet, SPI, serial port, etc.) of the sensor.Sensors need to gather more data, and the correlation is growing. At the same time, the real-time data transmission and performance requirements of data processing are also increased. This paper mainly studies the sensor synchronization gathering technique of various output interfaces. Firstly, the development trends and the research status of the car inspection system, the whole section of the track, the data acquisition system and so on are studied. Then, the principle of synchronous sampling was studied in depth, and the data type and the method of synchronous collection were analyzed. Based on this, the preliminary scheme design of synchronous collection and processing system is completed.In the aspects of embedded system hardware design, the concrete structure, external interface, internal interface and technical specifications of the Ethernet plate card are designed.Then,creating physical and debugging it. In the aspect of system software design, the application layer interface driver functions such as AD, CAN, QEP, and UDP/TCP are written, and some related subfunctions are also written. Finally successfully set up the experimental system, realized the multi-channel synchronous interface. And a large number of experimental tests were carried out on the data collection and the timing of the data collection. The experimental results can meet the design objectives and the actual requirements. KEYWORDS：Multi-sensor；time synchronization；system 北京交通大学毕业设计（论文）目录 iii 目录 中文摘要.I ABSTRACT.II 目录.III 1 引言.1 1.1 研究背景.1 1.2 国内外相关研究综述.1 1.2.1 车载动态检测系统.1 1.2.2 轨道全断面检测.1 1.2.3 数据采集系统.2 1.2.4 总线同步采样原理.3 1.3 研究意义.4 1.4 论文内容概要.4 2 同步采集系统总体方案设计.5 2.1 系统需求.5 2.2 系统组成.6 2.3 工作原理.6 2.4 性能分析.8 3 嵌入式系统硬件设计.9 3.1 系统硬件简介.9 3.1.1 机箱.10 3.1.2 以太网板卡 Y170111 3.1.3 同步脉冲板卡 Y170212 3.1.4 模拟量采集板卡 Y170313 3.1.5 串口板卡 Y170414 3.1.6 网络交换板卡.16 3.2 以太网板卡设计.16 3.2.1 处理器设计.16 3.2.2 外部接口设计.17 3.2.3 内部接口.20 3.2.4 技术规格.21 3.3 本章小结.22 4 嵌入式系统软件程序设计.23 4.1 QNX 实时操作系统23 4.2 驱动程序结构.24 北京交通大学毕业设计（论文）目录 iv 4.3 接口驱动.25 4.3.1 AD 接口26 4.3.2 CAN 接口26 4.3.3 QEP 接口28 4.3.4 DIO 接口29 4.3.5 UART 接口30 4.3.6 UDP/TCP.32 4.4 本章小结.34 5 系统样机测试.35 5.1 测试系统组成.35 5.2 上位机软件测试.36 5.3 储存数据.37 5.4 可靠性测试.37 5.5 同步精度测试.39 5.6 本章小结.39 6 总结与展望.40 6.1 工作总结.40 6.2 社会与经济性分析.41 6.2.1 社会性分析.41 6.2.2 经济性分析.41 6.3 展望.41 参考文献.43 致谢.45 附录.46 北京交通大学毕业设计（论文）正文 1 1 引言 1.1研究背景 铁路运输对国民经济有着重要的意义， 而铁路安全始终是与铁路运输产业自身的发 展和生存息息相关的永恒主题,其安全水平直接决定了铁路运输与其它运输方式的竞争 能力以及声誉和经济效益 3。到 2016 年底，全国铁路营业里程达 12.4 万公里，其中高 速铁路 2.2 万公里以上 1。 随着轨道交通网络的快速发展和总里程的不断增加， 对轨道交通运行安全性要求逐 渐提高，对列车运行环境如隧道、轨道检测内容也逐步增多。车载动态检测系统涉及多 种类型（如测量姿态、距离、图像等）、多种接口（如以太网、SPI、串口等）的传感 器，传感器采集的数据量、数据之间的关联性逐步增大，系统对数据传输的实时性、对 数据处理的性能要求也日渐提高。因此，使用普通的单片机已不能满足日益增多的测量 需求，而使用更高性能更多接口的嵌入式工业级 MCU，能够更好的满足数据采集系统接 口多、数据量大、处理要求高、实时性高的要求。 1.2国内外相关研究综述 1.2.1 车载动态检测系统 10 一些国外的发达国家在车载信息实时处理方面，取得大量成果。如法国的 TGV、德 国的 TCE、美国的 AC6000CW、英国的 IC125 型高速列车，均实现了全列车自动诊断。法 国国营铁路公司（SNCF）制造的 MGV 高速综合检测列车，能同时对接触网、通信信号、 轨道等进行检测 7，日本研制时速 275km 的高速综合检测列车可以随时监测轨道上及轨 道周边结构物的情况，并将监测信息通过无线方式实时发送到调度中心和维修中心，实 现列车的远程监控。 韩国在引进法国 TGV 技术的基础上，研制了 KTX 列车，其网络传输系统能把相关 设备与安装在车内外的计算机连接起来， 并将命令和列车检测状态信息传输到车外计算 机。其车载监测信息能在高速列车进入检修基地的走行过程中（速度低于 5 km/h）自 动无线传输到地面的信息处理中心。 1.2.2 轨道全断面检测 北京交通大学毕业设计（论文）正文 2 轨道基础设施全断面的测量方法一般可分为两种:接触式和非接触式。国内外早期 普遍采用接触式的测量方法， 进入八十年代后,为了解决电化区段的施测问题,必须采用 非接触式检测手段。 因此,许多国家研制了各种非接触式隧道断面检测车,检测车所利用 的测量技术各不相同。如 1980 年奥地利、瑞士推出利用激光限界原理的检测车,1983 年法国研制了利用激光摄像的检测车、1986 年英国制作了电视摄像式隧道限界检测车， 90 年代中期瑞士研制出 TS36O 隧道扫描系统。 3 现在,国外铁路,如英国 AEATechnologyRail 公司和意大利 TECHNOGAM 一 MA 公司等 在随车车载式检测技术上均有较深入的研究。 国外的车载式全断面检测普遍采用旋转激 光扫描测距传感器,这是一种基于光传播时间原理的传感器，它通过测量出射和反射激 光脉冲的时间差获得传感器与障碍物之间的距离，当出射角以一定角速度变化时,激光 脉冲可以扫描不同角度上的障碍物,进而测得距离 4。 国内对于线路全断面的检测,一般采取日常巡检、定期全面普查与少量关键地点实 时监测相结合的方式,运用静态测量仪器设备对基础设施状态进行检测,例如摄影测量、 激光测距仪配合经纬仪、或者直接使用全方位旋转式激光测距仪获取线路全断面。这些 方法需要占用线路,耗费人工和时间,难以及时掌握线路变形情况与发展趋势。 由于这种 传统方式无法同时保证检测的及时性与全面性,因而无法从根本上满足大量繁忙线路的 安全状态监测需求 9。 20 世纪 90 年代末，中国开发了 SJC-1 型隧道限界检测车，使用 CCD 相机和激光行 隧道的三维净空测量。 这种测量方法的缺点是车身改造复杂,易受振动和阳光干扰,测量 范围小,参数不完整,只能覆盖标准限界附近， 不适合检测相邻的行间距和线路边坡等断 面参数,因此不能满足安全状态检测、 和大型货物运输等的实际应用的要求 4。 2008 年 6 月，O 号高速综合检测列车下线交付，该综合检测车装有专用检测设备,对线路轨道、牵 引供电、通信、信号、周边环境进行实时检测,并具有时空同步定位、数据传输、存储 和分析功能。 检测参数全面,但成本高,每一型号检测车只有一列,数量少,不能满足全国 既有线路及新建线路的全断面检测， 这也是继续研究线路全断面检测系统的主要原因 4。 1.2.3 数据采集系统 数据采集系统起始于 20 世纪 50 年代， 1956 年美国首先研究了用在军事上的测试系 统 16。 由于数据采集测试系统具有的高速性和灵活性可以满足众多传统方法不能完成的 数据采集和测试任务，因而得到了初步的认可。大约在 60 年代后期，就有成套的数据 采集设备产品进入市场，此阶段的数据采集设备和系统多属于专业的系统 6。 20 世纪 90 年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集技术已经在军事、工业 等领域被广泛应用， 如航空电子设备及宇航技术等。 由于集成电路制造技术的不断提高， 北京交通大学毕业设计（论文）正文 3 促进了数据采集技术的发展，数据采集技术已经成为一种专门的技术，在工业领域得到 了广泛的应用。该阶段数据采集系统采用更先进的模块式结构，根据不同的应用要求， 通过简单的增加和更改模块，并结合系统编程，就可扩展或修改系统，迅速地组成一个 新的系统。 826 目前，串行总线数据采集系统正向着分布式系统结构和智能化方向发展，可靠性不 断提高。它广泛应用于许多领域，如数据采集和工业领域的控制等。由于目前局域网技 术的高速发展，在一个工厂中，可以将管理层局域网、车间层的局域网和底层的设备网 有效地连接在一起，可以有效地把多台数据采集设备联在一起，以实现生产环节的在线 实时数据采集与监控。 1116 1.2.4 总线同步采样原理 分布式数据采集系统来包含有很多不同的采集节点，每一个采集点都有其各自的本 地时钟。即使有可能在某一时刻让所有的时钟同步，各处系统时钟也会由于各个系统的 计时机制中的微小的不精确性而出现偏移。而对于分布式数据同步采集系统，要采集高 精度、高质量的数据，系统时钟的同步具有十分重要的作用 5。 目前，时间同步技术主要有如下三种： (1)基于授时中心的时钟同步技术。 在时钟同步技术的时间中心， 通过有线或无线传 输方式的 GPS 时钟中心和传输到各种采集节点的标准时间和频率信号， 以实现分布式同 步数据采集系统的采样时间和频率的统一。 (2)基于 NTP 网络时间协议的时钟同步技术。 随着互联网的迅速发展和生活各个方面 的应用，在这一领域有很多对时钟同步的要求。现在广泛应用于网络时钟同步工具是网 络时间协议(NTP)(网络时间 Protoc01)协议，它的工作原理是在应用程序层软件添加时 间标记,应用协议相当灵活,实现简单,该协议采用了 “先装时标,然后发送到网络” 模型, 减少网络开销;然而,当网络授时难以计算路径时延,时间尺度的信息和实际的发射时间 是有偏差的,即准确性较低。SNTP 是 NTP 开发的 lite 版本，在 1992 年 8 月，时钟同步 精度可以达到几百毫秒，但由于其实现方法更简单，更适合时钟同步精度要求相对较低 的应用场合。 (3)基于 IRIG-B 码的时钟同步技术，IRIG - B 代码是一段时间标准代码，用于交换 靶场间的信息。B 码结合了脉冲对时和串行端口的优点。每秒钟发送一个帧序列二进制 时间码，总共 100 码元，码元周期为 10ms。由 RIG-B 代码携带的信息可以转译为即时的 日、时、分、秒和其他信息，并且代码具有国际普遍性。其对时精度可以达到微秒级， 但是 IRIG-B 码的产生和接收相对复杂。 综合考虑以上三种方法，其中基于 NTP 网络时间协议的方法，时钟同步精度会随着 北京交通大学毕业设计（论文）正文 4 算法复杂的降低而降低，对于可靠性要求高的采集系统并不适用；基于 IRIG-B 码的时 钟同步技术尽管时钟精度高，但其需要设备相对复杂的且成本要求高，不适合应用范围 广的采集系统； 基于授时中心的时钟同步方法可以依靠硬件电路实现的， 相关技术成熟， 时钟同步精度较高而成本却很低，可以满足本采集系统的要求 5。因此，本文将采用基 于授时中心的时钟同步方法。 1.3研究意义 综上所述， 目前车载动态检测系统对列车运行环境如隧道、 轨道检测内容逐步增多， 传感器采集的数据量、数据之间的关联性逐步增大，系统对数据传输的实时性、对数据 处理的性能要求也日渐提高，使用普通的单片机已不能满足日益增多的测量需求。 基于以上情况，本文使用更高性能更多接口的嵌入式工业级 MCU，以便更好的满足 采集系统接口多、数据量大、处理要求高、实时性高的要求，主要研究多种输出接口的 传感器同步采集技术，完成同步采集系统总体方案设计、嵌入式系统软件设计，实现多 路以太网接口、模拟量数据的同步采集，以满足日益增多的列车运行环境检测要求。 1.4论文内容概要 本论文主要研究多种输出接口的传感器同步采集技术。 第一章就车载检测系统、轨道全断面检测、数据采集系统、通用仪器仪表总线同步 采样原理等问题的发展动向及研究现状进行了学习。 第二章在前面基础上完成了同步采集与处理系统总体方案设计。 方案设计中就系统 需求、系统组成、工作原理及性能分析方面进行了研究。 第三章嵌入式系统硬件设计方面，简要介绍了系统硬件组成，并设计了以太网板卡 的具体组成结构、外部接口、内部接口及技术规格。 第四章系统软件设计方面，主要编写了应用层接口驱动函数，如 AD、CAN、QEP 和 UDP/TCP 等，还编写了部分相关子函数。 第五章搭建了实验系统，实现了多路接口、数据的同步采集，并对其上位机软件， 数据采集的丢包率和同步精度进行了实验测试。实验结果可以满足实际要求。 第六章根据完成工作进行了总结，对研究工作的社会性和经济性进行了分析，最后 对工作还有哪些不足进行了展望。 北京交通大学毕业设计（论文）正文 5 2 同步采集系统总体方案设计 本章主要进行同步采集系统的总体方案设计，下面将分别从系统需求、系统组成、 工作原理和性能分析四个方面进行详细介绍。 2.1系统需求 车载高速分布式数据处理设备主要采集多路激光测距传感器、 轨道断面检测传感器 的以太网数据，并为轨道断面检测传感器提供触发信号，此外，还需能够采集惯组等模 拟信号，并能够做为运动控制卡输出控制指令。 该设备需能够采集轮轴脉冲信号， 作为各处理单元的位置同步信息， 经数据融合后 再通过以太网接口转发给上位机处理。 同时采集到的轮轴脉冲信号经算法处理后可通 过 CAN 总线广播。因此，设备需能够提供 12 路以上以太网数据处理接口，1 路轮轴 脉冲同步信号处理接口，多路运动控制接口，多路模拟量采集等接口，这些采集的数据 均可获得同步脉冲信号和 CAN 信号，为数据添加同步信号，并能够通过以太网进行数 据转发，如图 2-1 系统结构图所示。 图 2-1 系统结构图 北京交通大学毕业设计（论文）正文 6 2.2系统组成 基于上述系统需求，设计机箱形式的分布式数据采集设备。设备外观采用光纤收发 器 16 槽 2U 高机箱，内含电源模块、以太网交换模块、同步脉冲和 CAN 总线背板、以太 网采集卡、轮轨同步信号采集卡、数字量模拟量采集输出卡、外部接口卡组成，若需要 外扩其它功能，可通过扩展不同功能的接口卡即可。 分布式数据采集系统结构如下表 2-1. 表 2-1 分布式数据采集设备系统组成 各以太网采集卡具有独立的 ARM 处理器单元，分布、实时采集激光传感器数据，将 数据转发至以太网网络，供上位机软件进行处理。 此种结构与通常采用的基于 X86 的主机+板卡结构不同，该机箱中各个板卡不需要 中央处理器的集中调度， 每个板卡均带有 ARM 处理器单元， 可独立完成数据的采集和上 传，数据总线采用以太网总线，可采用 100Mbps 以太网进行传输，传输速率高，降低数 据传输延迟。 2.3工作原理 以太网采集卡、外部接口卡连接到以太网总线上，以太网采集卡采集激光测距传感 器数据，并从背板上获取轮轴同步脉冲及 CAN 总线数据，将脉冲计数、CAN 数据一并打 包，发送到以太网总线上，通过外部接口卡的以太网端口发送给上位机处理软件。 模拟数字信号采集输出卡采集模拟量、数字量，转换为以太网数据，或者输出相应 的模拟量数字量信号。 组成描述 电源模块为采集卡、路由器进行供电 以太网交换模块连接各个以太网采集卡、输出到外部的以太网接口 背板脉冲同步信号、CAN 总线、电源信号 以太网采集卡双网口，一端连接采集激光传感器，另一端连接路由器 同步信号采集卡采集轮轨脉冲信号，包括信号整形、驱动输出 模拟量采集卡其它数字量、模拟量的采集和输出 串口板卡具有两个接口，一个为以太网接口，连接上位机，另一个 为 CAN 接口，对内连接背板，对外连接 CAN 接口设备 北京交通大学毕业设计（论文）正文 7 同步信号采集卡采集轮轴霍尔传感器数据，将脉冲信号连接到背板上，所有连接到 背板上的采集卡均可获取。 外部接口卡将外部 CAN 设备的信号连接到背板上，所有连接到背板上的采集卡均可 获取 CAN 信号，另外，连接到以太网路由上，上位机软件可通过外部接口卡上的以太网 接口获取以太网上的数据。 各个板卡间的信号流图如图 2-2 所示。 图 2-2 系统信号流图 北京交通大学毕业设计（论文）正文 8 2.4性能分析 激光测距传感器，按照每秒 200 包数据，每包数据按照 1KB 估算(包括扫描距离数 据、同步数据、其它需添加的数据等)。 单路激光传感器数据量为 200*1024*8bps，约为 1.6Mbps，总路数按照 14 路计算， 为 1.6Mbps*14=22.4Mbps，即每秒钟 22.4Mbit 数据量，以太网百兆带宽可满足传输要 求。 单路激光传感器每包数据 1KB，按照百兆以太网传输速率计算，单路激光传感器每 包数据传输需耗时 80 微秒，5ms 间隔能够满足数据转发要求。 采集板卡具有独立 ARM处理器， 工作频率600MHz， 操作系统任务切换时间小于 50us。 对于以太网报文接收程序，工作在阻塞模式，一旦接收到以太网报文，即读取同步脉冲 计数值，并进行转发，延迟时间为任务切换加上数据处理时间。 北京交通大学毕业设计（论文）正文 9 3 嵌入式系统硬件设计 车载高速分布式数据处理设硬件主要由上架机箱、功能板卡及网络交换板卡组成， 本文在深入了解以太网板卡工作要求的基础上，详细设计了以太网板卡的具体组成结 构、外部接口、出发配置及技术规格，并交付厂家制作。机箱及其他三种功能板卡为实 验室设计制作，网络交换板卡则为市场购买的成品产品。下面将简要介绍机箱、其他三 种功能板卡及网络交换板卡，并详细介绍以太网板卡的设计。 3.1系统硬件简介 车载高速分布式数据处理设备（以下简称数据处理设备）可用于编码器信号、模拟 信号、串口/CAN 数据及以太网数据的同步采集、处理与存储。 数据处理设备采用 1836V 直流宽电源供电，集成 24 口千兆交换机，支持功能板 卡、处理器板卡网络互联，并具备脉冲、触发同步背板总线为数据处理系统提供统一基 准。单个机箱最多可安装 21 块功能板卡及 CPU 处理器板卡。 数据处理设备功能板卡的主要指标如下表 3-1 所示： 表 3-1 数据处理设备功能板卡的主要指标 以太网以太网板卡板卡 Y1701 同步脉冲板卡同步脉冲板卡 Y1702 串口板卡串口板卡 Y1704 模拟模拟采集板卡采集板卡 Y1703 用途连接激光测距传 感器、轨道断面 检测传感器，获 取以太网数据添 加同步脉冲信息 并转发 采集增量编码器 信号，经 FPGA 处理后输出触发 信号，通过以太 网与其它板卡通 信 通过串口、CAN 向电机、机械臂等 运动控制器发送 控制指令 同步采集惯组传 感器模拟信号， 并通过以太网转 发 外部接口1 路千兆以太网1 路 QEP，采集 轮轨脉冲信号 4路 串 口 ， RS232/422/485 可选 16 路单端 16 位 AD 同步采集， 采 样率 1KHz， 10V 输入 1路触发信号422 差分输出 12 路 DIO 通道2 路 CAN，其中 1 路独立 CAN， 1 路 内部 CAN 内部接 口 以太网1 路千兆1 路千兆1 路千兆1 路千兆 CAN1 路1 路1 路1 路 QEP1 路1 路1 路1 路 触发信号4 路输入4 路输出无无 板卡数量12222 北京交通大学毕业设计（论文）正文 10 数据处理设备的使用环境下表 3-2 所示： 表 3-2 数据处理设备的使用环境 使用环境使用环境 工作电压直流 18V36V，最大功率 400W 工作温度050 储存温度-2060 相对湿度10%95%，无凝露 抗震动工作时 1.0GRMS，非工作时 2.0GRMS 3.1.1 机箱 数据处理设备采用 21 槽 5U 高上架定制机箱，用于安装功能板卡、处理器板卡以及 网络交换板卡。 其中底部 1U 安装散热风扇， 中间 3U 具有 21 个标准 3U/4HP 插槽安装位 置，顶部 1U 用于安装千兆以太网交换板，整体结构如图 3-1 所示。 图 3-1 机箱结构示意图 各个功能板卡/处理器板卡以及交换板卡槽位间通过背板进行数据交换。背板除千 兆以太网接口外还包括 CAN 总线、同步脉冲信号、外部触发信号、电源信号等。机箱中 21 个槽位既可安装数据处理单元，也可扩展基于 X86 的 CPU 处理器单元，最多可安装 6 块 CPU 处理器单元（红色插槽位置）。处理器板卡槽位具有独立的扩展接口，可安装 处理器单元进行 mSATA、VGA、USB 等接口扩展。 机箱通过直流电源模块进行供电，电源安装在机箱背部。使用交流供电，可外接交 流转直流电源适配器。 北京交通大学毕业设计（论文）正文 11 3.1.2 以太网板卡 Y1701 以太网板卡具有两个标准千兆/百兆自适应以太网接口，前面板以太网接口用以连 接外部激光传感器， 另外一路以太网接口经后背板与千兆交换机连机器。 以太网板卡采 用标准 CPCI 连接器，与背板连接，从背板上获取供电电源、CAN 信号及同步脉冲信号。 以太网板卡支持用户配置，选择一路背板触发信号并引至前面板连接器，用以支持 传感器触发工作模式。 以太网板卡组成及内部结构如下图 3-2 所示： 图 3-2 以太网板卡组成及结构 每个以太网板卡均拥有独立的处理器，可对激光测距传感器、轨道断面检测传感器 数据进行采集处理。处理器选用基于 ARM Cortex A8 的 TI AM3354 处理器，处理器主频 1GHz，并具备板载 256M DDR3 内存、256M NandFlash。以太网板卡预装工业级实时操作 系统。 以太网板卡实物如下图 3-3 所示： 北京交通大学毕业设计（论文）正文 12 图 3-3 以太网板卡实物 3.1.3 同步脉冲板卡 Y1702 同步脉冲板卡用于采集轮轴编码器传感器脉冲信号， 经过信号调理电路及 FPGA 分 频计数电路， 将脉冲信号和分频后的触发信号引至至背板上， 用于其他功能板卡同步处 理。为提高系统抗干扰能力，背板上的同步脉冲信号、分频触发信号均采用 422 差分 信号传输。 此外， 同步脉冲板卡上的 ARM 处理器与 FPGA 之间通过 SPI 总线接口通信， 实现 ARM 处理器对 FPGA 分频系数的在线修改。 同步脉冲板卡中 FPGA 采用 Xilinx 公司 Spartan6 系列 XC6SLX9 芯片。该芯片具 有 9152 个逻辑单元，每个逻辑单元包含 2 个 slice，每个 slice 拥有 4 个 6 输入查找表 LUT。能够满足复杂的逻辑功能设计。 同步脉冲板卡除对外具有1路编码器脉冲信号采集接口外， 并具备3组共12路TTL 电平 DIO 通道，DIO 输入输出方向可软件配置。 此外同步脉冲板卡还负责计算公里标信息，并通过 CAN 总线广播到 CAN 网络中， 供其它功能板卡使用。 同步脉冲处理板卡组成及内部结构如下图 3-4 所示： 北京交通大学毕业设计（论文）正文 13 图 3-4 同步脉冲处理板卡组成及结构 同步脉冲板卡实物如下图 3-5 所示： 图 3-5 同步脉冲板卡实物 3.1.4 模拟量采集板卡 Y1703 模拟量采集板卡具有 16 路模拟量单端同步采集接口， 输入范围10V、 5V 软件可 配置。模拟量采集板卡采用两片 AD7606 模拟/数字转换芯片，每个 AD7606 芯片具有 8 路同步采用输入接口，16 位分辨率，单通道 200kSPS 采样速率，芯片支持硬件过采样 滤波处理。板卡上两片 AD7606 采用参考电压级联工作模式，使得两片 A/D 转换芯片具 有共同的电压参考基准。板卡预留采样电阻焊接位置，安装相应采样电阻后，可实现电 北京交通大学毕业设计（论文）正文 14 流量采集。 模拟量采集板卡可对惯组传感器信号进行同步采集，内部具有以太网接口、CAN、 QEP 接口，连接以太网交换板和 CAN 网络，从总线中获取同步信息。 模拟量采集板卡组成及内部结构如下图 3-6 所示： 图 3-6 模拟量采集板卡组成及结构 模拟量采集板卡实物如下图 3-7 所示： 图 3-7 模拟量采集板卡实物 3.1.5 串口板卡 Y1704 北京交通大学毕业设计（论文）正文 15 串口板卡提供 4 路 RS232/422/485 独立可配置隔离串行接口、2 路 CAN 接口用以 连接外部设备。两路 CAN 接口一路与背板公共 CAN 接口连接，另一路与串口板卡上 的 ARM 处理器 CAN 接口连接。 串口板卡内部接口具有以太网、CAN、QEP（轮轴脉冲），与以太网交换板连接， 与数据处理软件进行数据交互。 串口板卡具有独立的 ARM 处理器，可通过串口/CAN 接口向外部运动控制器、电 机伺服控制器发送控制指令。串口板卡处理器选用基于 ARM Cortex A8 的 TI AM3354 处理器，处理器主频 1GHz，并具备板载 256M DDR3 内存、256M NandFlash。以太 网板卡预装工业级实时操作系统。 串口板卡组成及内部结构如下图 3-8 所示： 图 3-8 串口板卡组成及结构 串口板卡实物如下图 3-9 所示： 图 3-9 串口板卡实物 北京交通大学毕业设计（论文）正文 16 3.1.6 网络交换板卡 网络交换板卡具有 24 路千兆网络交换接口，其中板卡前面板连接 2 路，机箱后面 板连接 1 路，交换背板连接 21 路。数据处理设备中各功能板卡、处理器板卡通过交换 背板上的千兆网口交换数据。其实物如下图 3-10 所示： 图 3-10 网络交换板卡实物 3.2以太网板卡设计 以太网板卡主要用来连接激光测距传感器、轨道断面检测传感器，获取以太网数据 添加同步脉冲信息并转发到背板。 下面将主要从它的处理器、 外部接口及技术规格三部 分进行介绍。 3.2.1 处理器设计 以太网板卡的处理器选用了基于 ARM CortexA8 处理器，它事第一款基于 ARMv7 构架的处理器，其构架是基于双对称的，拥有先进的动态分支预测。它的主频为 1GHz 有 256MB DDR 内存， 256MB NandFlash。 处理器的连接电路原理图如下图 3-11 所示： 北京交通大学毕业设计（论文）正文 17 图 3-11 处理器的连接电路原理图 3.2.2 外部接口设计 以太网板卡具有两个标准千兆/百兆自适应以太网接口， 前面接口以太网接口用以连 接外部传感器， 此外以太网板卡还选择一路背板触发信号并引至前面板连接器， 用以支 持传感器触发工作模式。 1.以太网接口设计 以太网板卡的前后两个以太网接口网卡芯片选用了 AR8031， 其驱动的网口隔离变压 器芯片选用了 H5007nl。 AR8031 芯片是 Atheros 的第四代产品，单端口，10 / 100 / 1000 Mbps 以太网 PHY。 它可以同时支持以太网 SGMII 接口和 MAC 接口。AR8031 的低功耗、低 BOM 的特点，使 其应用范围很广，包括企业、载体和家庭网络的光模块和媒体转换器。AR8031 支持 sync-e 和 ieee1588-v2 定时协议。它采用的 1.25 GHz SERDES 可直接连接到光纤收发 器。以太网接口的电路原理图如下图 3-12 所示： 北京交通大学毕业设计（论文）正文 18 图 3-12 以太网接口电路原理图 2.QEP 触发接口设计 QEP 分频芯片选用的为 MAX 83ESA 芯片，此芯片为工业级芯片。其拥有80v 故障 保护，保障故障安全，同时它可以降低转换率驱动，减少电磁干扰，15kV 的 ESD 保 护，可以减少由于不恰当的电缆端接所引起的反射，60v 故障保护，使无差错数据传 输高达 250kbps。 QEP 触发接口的电路原理图如下图 3-13 所示： 北京交通大学毕业设计（论文）正文 19 图 3-13 QEP 触发接口的电路原理图 QEP 触发电路配置接口定义如下表 3-3 所示： 表 3-3 QEP 触发电路配置 触发配置接口定义触发配置接口定义 PI名称TRIG-TRIG+TRIG-TRIG+TRIG-TRIG+TRIG-TRIG+ PIN246810121416 名称TRIG1-TRIG1+TRIG2-TRIG2+TRIG3-TRIG3+TRIG4-TRIG4+ QEP 触发电路跳线配置如下表 3-4 所示： 表 3-4 QEP 触电路跳线配置 触发跳线配置触发跳线配置 触发源TRIG1TRIG2TRIG3TRIG4 跳线 北京交通大学毕业设计（论文）正文 20 3.2.3 内部接口 以太网板卡具有两个标准千兆/百兆自适应以太网接口，其中一路以太网接口经后 背板与千兆交换机连机器。此外以太网板卡采用标准 CPCI 连接器，与背板连接，从背 板上获取供电电源、CAN 信号及同步脉冲信号。 1.板卡与背板接口设计 板卡与背板的连接选用了 2MM type 连接器，这种连接器主要用于直流、低频模拟 电路、高速数字电路，考虑到其阻抗符合设计要求，信号畸变串音的可能较小，拼接使 用较为简单，因此选择 2MM 连接器。连接器的电路原理图如下图 3-14 所示： 图 3-14 连接器电路原理图 2.CAN 总线接口设计 CAN 总线收发芯片选用了 TJA1024 芯片，此芯片引脚可以支持到+/-42V 直流电压， ESD IEC-61000-4-2 and HBM 性能参数达到 +/-6kV；没有 SPLIT 脚，没有 VIO 脚，可 支持 3.3V 系统电平匹配， 同时它支持 STANBY 模式的 CAN 收发器。 CAN 总线接口的电路 原理图如下图 3-15 所示： 北京交通大学毕业设计（论文）正文 21 图 3-15 CAN 总线接口电路原理图 3.2.4 技术规格 以太网板卡的技术规格如下表 3-5 所示： 表 3-5 以太网板卡的技术规格 技术规格技术规格 处理器基于 ARM Cortex A8 处理器，主频 1GHz 256MB DDR 内存，256MB NandFlash 外部接口以太网：1 路，100/1000M 自适应以太网 触发信号输出：1 路，RS422 差分信号 传感器供电：+12V，5W 内部接口以太网：1 路，100/1000M 自适应以太网 CAN 总线：1 路，支持 CAN2.0A/B 增量脉冲输入：1 路，A 相、B 相、Index，差分信号传输 触发信号输入：4 路可选，差分信号传输 连接器采用插拔自锁式连接器 1 个 8 芯连接器，分配千兆/百兆以太网 1 个 6 芯连接器，分配外部触发信号、电源、地 以太网板卡的 PCB 图如下图 3-16 所示： 北京交通大学毕业设计（论文）正文 22 图 3-16 以太网板卡 PCB 图 3.3本章小结 本章就数据处理设备的机箱、以太网板卡、同步脉冲板卡、串口板卡及网络交换板 卡的工作原理及组成进行了简要介绍。 随后详细介绍了以太网板卡的设计， 包括以太网 板卡的处理器、外部接口、内部接口及技术规格等内容。 设计制作出的数据处理设备可完成编码器信号、模拟信号、串口/CAN 数据及以太 网数据的同步采集、处理与存储等功能，满足了系统的硬件功能要求。 北京交通大学毕业设计（论文）正文 23 4 嵌入式系统软件程序设计 QNX 嵌入系统软件程序驱动封装为两层，底层是对寄存器操作的封装，主要是在 TI 提供的基础上进行修改，上层是应用层封装，主要是对各板卡接口的使用进行封装。 本文主要编写了应用层接口驱动函数，如 AD、CAN、QEP 和 UDP/TCP 等，还编写了 部分相关子函数。下面将介绍 QNX 实时操作系统、驱动程序结构及应用层接口驱动函 数的调用函数流程。 4.1QNX 实时操作系统 所有板卡都采用 ARM 处理器，在该处理器上移植了实时操作系统 QNX。QNX 成立于 1980 年，是加拿大一家知名的嵌入式系统开发商，2004 年被音响设备制造商 Harman 国际工业公司收购，2010 年被黑莓手机制造商 RIM 收购，主要应用于汽车、网络通信、 轨道交通及航空航天中都发挥着积极的作用。 QNX 是一种商用的遵从 POSIX 规范的类 Unix 实时操作系统， 是一个分布式、 嵌入式、 可规模扩展的实时操作系统，主要面向嵌入式应用。QNX 具有微内核，其核心仅提供 4 种服务：进程调度、进程间通信、底层网络通信和中断处理，其进程在独立的地址空间 运行，所有其他 OS 服务都实现为协作的用户进程，因此 QNX 核心非常小巧而且运行速 度极快。 QNX 具有集成开发环境 Momentics IDE,是基于开放 Eclipse 的集成开发环境，支持 C/C+程序开发，除了常见的所有开发和调试功能外，还提供了多种优质高效的分析、 性能优化等功能 11，QNX 操作界面如图 4-1 所示 。 图 4-1 QNX 操作界面 北京交通大学毕业设计（论文）正文 24 QNX 是业界公认的 X86 平台上最好的嵌入式实时操作系统之一 13。它具有独一无二 的微内核实时平台，建立在微内核和完全地址空间保护基础之上，实时、稳定、可靠， 已经完成到 PowerPC、MIPS、ARM 等内核的移植，成为在国内广泛应用的嵌入式实时操 作系统。虽然 QNX 本身并不属于 UNIX，但由于其提供了 POSIX 的支持，使得多数传统 UNIX 程序在微量修改(甚至不需修改)后即可在 QNX 上面编译与运行。 微内核结构的优点包括：驱动程序、网络协议、文件系统等操作系统模块和内核相 互独立，任何模块的故障都不会导致内核的崩溃；驱动程序、网络协议、文件系统和应 用程序都处于程序空间，都调用相同的内核 API，开发与调试和应用程序没有区别；操 作系统功能模块可以根据需要动态地加载或卸载，不需要编译内核。 2 QNX 的分布式操作系统使网络中的多台计算机耦合起来，即任何一台计算机上的任 何一个进程可以和其它任何计算机上的任何进程通信， 象与本机进程通信一样； 也使得 任何一台计算机上任何进程可以使用其它任何计算机上的资源， 象在本机上一样。 这样， 用户可以将任务分散到网络中， 交给其它任何计算机来完成。 而用户的感觉与在一台集 中式多任务操作系统上工作没什么区别。 4.2驱动程序结构 各个功能板卡通过背板共有的接口有：以太网、QEP、CAN、触发，除此之外，各 功能卡前端有各自独立的接口。因此，在驱动代码中，根据接口类型进行分类和封装， 接口类型有 QEP、CAN、AD、UART、SPI 等，驱动封装为两层，底层是对寄存器操 作的封装，主要是在 TI 提供的基础上进行修改，上层是应用层封装，主要是对各板卡 接口的使用进行封装，其结构如下图 4-2 所示。 图 4-2 系统封装结构示意图 驱动程序主要分为三个文件夹，如下表 4-1 所示： 北京交通大学毕业设计（论文）正文 25 表 4-1 驱动程序基本内容 文件夹内容功能 /appad_interface.c模拟量采集接口函数 can_interface.cCAN 报文收发接口函数 dio_interface.cDIO 状态读取、 设置接口函数 qep_interface.c编码器采集接口函数 uart_interface.c串口收发接口函数 /sourcedcan.c,dcan_frame.cCAN 寄存器操作 eqep.cQEP 寄存器操作 gpio.cGPIO 寄存器操作 mcspi.cSPI 寄存器操作 mgLib.c循环缓冲实现 uart_irda_cir.cUART 寄存器操作 udp_server_client.cUDP 操作封装 tdp_server_client.cTCP 操作封装 /includeam335x.hAM335x 平台相关定义 dcan.h,dcan_frame.h,Hw_dcan.h与 CAN 相关的定义 eqep.hQEP 相关定义 gpio.hGPIO 相关定义 hw_mcspi.h,mcspi.hSPI 相关定义 hw_uart_irda_cir.h,uart_irda_cirUART 相关定义 mglib.hUART 驱动中使用的循环缓 冲定义 4.3接口驱动 本文主要编写了应用层接口驱动函数，如 AD、CAN、QEP 和 UDP/TCP 等，还编 写了部分相关子函数。下面将介绍部分驱动函数流程。 北京交通大学毕业设计（论文）正文 26 4.3.1 AD 接口 模拟量采集板卡通过两个 AD7606 芯片实现 16 路模拟量同步采集，AM3358 与两个 AD7606 通过 SPI 接口进行数据交互。 AD 接口程序流程图如图 4-3 所示。 图 4-3 AD 接口程序流程图 1.ad_init() AD 初始化函数。在 AD 板卡中，AD 芯片与 AM3358 通过 SPI 接口进行通信，因此， 在该初始化函数中，对 SPI1 进行了配置，其中，程序中设置的默认采样范围为10V， 无过采样，若要修