（交通信息工程及控制专业论文）基于ARM的捣固车抄平起道系统的数字化改造.pdf

i 塞銮适叁堂亟堂i 金童 生童煎翌 中文摘要 摘要：捣固车在铁路建设和维修的广泛应用使得对捣固车的研究日益增加，而电 气系统是捣固车的控制中心。本论文在对当前捣固车的抄平起道系统进行分析的 基础上，针对其特点，构建了一个基于s 3 c 4 4 b o x 芯片的数字化系统，提高了原 有系统的实时监测能力，减小了系统功耗，节约了系统生产成本。 改造后的系统分为硬件和软件部分，硬件部分采用基于s 3 c “b 0 x 为核心的 数字电路系统，实现系统的模数转换、数据采集、控制、显示和信号放大，软件 部分的核心是在u c l i n u x 系统下，由多线程控制实现系统的要求。论文对系统软、 硬件系统构成进行了详细说明，同时还对若干关键问题作了分析与讨论，并提出 了解决方案。论文主要成果包括：( 1 ) 对抄平起道系统进行了分析，针对系统功能 要求，设计了基于嵌入式a r ms 3 c 4 4 8 0 x 为核心的硬件电路；( 2 ) 对电路板进行了 调试，并分析了硬件系统调试过程中所遇到的问题和解决方法；( 3 ) 在有限的硬件 资源下实现了软件各个模块，完成了原系统所实现的功能。 关键词：捣固车；抄平起道系统；嵌入式系统；s 3 c 4 4 b o x 分类号：u 2 8 3 1 j e 塞銮迪厶堂亟堂僮论塞丛啦鲤 a b s t r a c t a b s i r a c i ! w i t ht h ew i d e s p r e a du s eo ft a m pt r a i n sj nr a i l w a yc o n s t n l c t i o na n dm a i n t a i n i n g ， t h ei n v e s t i g a t i o no ft a i l l pt m i n sh 髂b e e ni n c r c a s i n ga n dt h ec o n t i o ls y s t e mo ft a m p t r a i n si sb e c o m i n gm o r ca n dm o r ei m p o n a n t a c c o r d j n gt oc h a r a c t e f sa n da n a i y s i so f t h ec u r r e n tt a m pt r a i 魑，ad i 舀t a ls y s t e mb a s e do ns 3 c 4 4 b o xi sd e s i g i l e dt oi m p r o v e i n s p e c t i o na b i l i t y ，c i i td o w nt h ep o w e rd i s s i p a t i o n 孤dr e d u c ct h ec o s t t h es y s t e mi s m p o s e do fh a r d w a r c 锄ds o f t w a r e t h ek e m e lo ft h ch a f d w a r ci sa d i g i t a is y s t 啪b 舔e d 蚰s 3 c 4 4 b o ) ( ，i ta c h i e v e sa i i a l o gs i 印a l st od i 百t a ls i 印a l s t r a n s i t i o n ，d a t ac o l l e c t i o n ，c o n t m l ，d i s p i a y 柚ds i g l l a l sm a g i l j f i c a t i 伽t h ek c m e lo f s o f t w a r ci su n d e rc o n t r o lo fu c l i n u x ，w h i c hi sm a d eo fs o m et h r e a d s ，i ta c h i e v e st l l e f u n c t i o n so fo r i g i n a i l ys y s t e m t h i sp a p e ri l l u m i n a t e st h ec o n s t i t u t e so fh a r d w a r ea n d s o f t w a r ci nd e t a i l 柚dd i s c l l s s e ss o m ek e y p f o b l e m si nt h e o 哆m a n ye 仃c c t i v em e t h o d s a r ep r o p o s e d ，w h i c ha r es h o w n 觞f o l l o w s ：1 t h el c v e l i n gs y s t e mo ft a m pt r a i n si s a n a l y z e d a c c o r d i n g t ot h ea c t u a lr e q u i r e m e n t s ，ah a f d w a r es y s t e mb a s e do ne m b e d d e d s y s t e ms 3 c 4 4 8 0 xi sd e s i g n e d 2 t h ec i r c u i tb o a r di sd e b u g g e da n dt h ep r o b i e m s d u r i n gt h ed e b u g 西n gp r o c e s sa r cr e s o i v e d 3 w i t hl h el i m i to fh a r d w a r c ，t l l ep r i m a r y f u n d i o n sa r er e a i i z e da n dt h ep c r f o m l a n c c sa f ei m p r o v e d k e y w o i t d s ：t a m pt r a i 础i e v e i i n ga n dn “i n gs y s t e m e m b e d d e ds y s t e ms 3 c 4 4 8 0 x c l 。a s s n o ：u 2 8 3 1 致谢 本论文的工作是在我的导师蒋大明副教授的悉心指导下完成的，蒋大明副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三 年来蒋老师对我的关心和指导。 戴胜华副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此向戴老师表示衷心的谢意。 赵老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的 感谢。 在实验室工作及撰写论文期i 日j ，王巍、陈曦东等同学对我论文中的嵌入式系 统研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 最后，深深的感谢我的家人，谢谢他们对我无微不至的关怀，是他们给予了 我物质和精神上的支持和鼓励，让我能够全身心的投入研究生的学习，工作中。 希望母校北京交通大学明天会更好! j e 立楚适厶堂亟堂位诠塞l 盍 1 1课题背景 第1 章引言 近年来，铁路运输事业蓬勃发展，线路作业化技术也在飞速发展，由于捣固 车在铁路建设、大修和维修机械化的整道作业中工作量大，对线路质量的优劣起 着决定性作用，所以各国都把捣固车的研制放在各种线路机械的首位，目前应用 最广泛的一种捣固车是0 8 3 2 型捣固车1 1 1 由于它结构先进，功能齐全，近年来得到 世界各国铁路部门的广泛使用。d 0 8 3 2 型捣固车自9 0 年代引入我国后，改变了中 国铁路传统养护施工作业方式，在我国第一条准高速铁路广深铁路的顺利开通， 京秦铁路8 8 天提速技改工程的完成，以及秦沈客运专线开通等铁路养护施工作业 中，发挥了巨大的作用。经铁路养护专家计算，该类机械作业l 小时，相当于1 8 0 名养护工人一天的手工作业量。 随着捣固车应用的增多，给捣固车电气系统带来了更高层次的要求。这些要 求，既包括捣固车使用过程中的实时监测，也包括捣固车使用后维修的成本和难 度，以及电气系统运行时的功耗。因此，针对电气系统的新要求，研究车载电气 系统的数字化改造有着重要的意义与实际应用价值。 与此同时，嵌入式技术的发展突飞猛进，整个行业呈现勃勃生机，各个应用 领域的技术也在不断的发展和更新之中，其产品己渗透到社会生活和生产的各个 领域，小到家用电器，大到尖端武器、航天飞机等高科技产品，嵌入式系统的应 用几乎无处不在。它的发展给各种车载系统运行、监视、控制提供了新的技术手 段。嵌入式技术的发展也带动了捣固车技术的发展，现在国外发展总趋势是：发 展快、水平高。集成电路1 2 j 、微处理器、微型计算机及电子监控技术等在捣固车上 都有广泛的应用，捣圃车的可靠性、安全性、舒适性得到了高度重视，并向着高 性能、低成本的方向发展。国内虽然在引进技术的基础上已经能够自己生产大型 的捣固车，但研究时间短、经验少；捣固车的控制系统由模拟系统和8 位单片机1 3 j 构成，作业实时性能较差。所以，将捣固车模拟的电气系统改造成以3 2 位嵌入式 为核心的数字化系统对于其在我国的广泛应用和国内现有捣固车的技术升级有重 大的意义【4 】。 1 2 课题的研发意义 j e 塞銮适左堂亟堂位监塞i i 言 0 8 系列捣固车用在铁道线路的新线建设、旧线大修清筛和运营线路维修作业 中，对轨道进行拨道、起道抄平、石碴捣固及道床肩部石碴的夯实作业，使轨道 方向、左右水平和前后高低均达到线路设计标准或线路维修规则的要求，提高道 床石碴的密实度，增加轨道的稳定性，保证列车安全运行。捣固车全车的控制任 务都是由车载的电气系统完成，它是整车的大脑，直接指挥各种作业。从电路控 制而言，0 8 系列捣固车车载电气系统涉及到模拟控制、数字控制、计算机软、硬 件控制以及电器控制等方面。0 8 系列捣固车外形如图1 1 所示。 图1 10 8 系列捣崮下外形 但是现有的捣固车的电气系统，主要以模拟器件为主，其主要的缺点有： ( 1 ) 功耗高、散热量大； ( 2 ) 某些进口元器件成本高，损坏后修理难度大，不易于捣固车的维护： ( 3 )由于监测和控制系统的采用8 位的单片机硬件较为简单，存储空间较 小：由于硬件的局限性，导致系统软件就不能太大，系统实时监测性 能差。 而利用3 2 位的a r m 嵌入式系统硬件集成度高，集成的片内外设很多，通常 集成串口，u s b ，c a n 等各种控制器，且功耗小；字长一般3 2 位，性能高、速度 快，主频一般1 0 0 m 左右，a r m 9 可达6 0 0 m ；存储空间大，可以支持操作系统； 适用于捣固车的维修和实时监测。所以，捣固车的数字化改造势在必行。 将模拟车载电气系统改造成以a r m 嵌入式为核心的数字化系统可以避免使 用原来的系统上使用的大功率的模拟器件，减小了散热量降低了系统成本。3 2 位 的嵌入式处理器更适合系统的实时监测，能及时处理工作中出现的问题，保证捣 固车的作业质量。 1 3论文的主要内容与结构安排 本论文首先在介绍抄平起拨道捣固车的基础上，介绍了捣固车电气系统以及 抄平起道系统。然后针对现有电气系统存在的问题，提出了数字化改造的思路、 2 丝峦童适厶堂亟堂僮i 金塞 l i 矗 方法，详细说明了用嵌入式系统实现抄平起道系统的数字化改造过程。最后，论 文分析了改造后的系统。论文的具体安排如下： 第2 章阐述了捣固车的电气系统构成，着重介绍了抄平起道系统的组成及线 路水平检测及起道原理，对各部分的作用进行了详细的分析。 第3 章详细介绍了嵌入式及实时操作系统，分折了嵌入式系统设计的一般方 法，并对系统改造的硬件和软件做出了总体规划。 第4 章分析了系统功能要求，详细介绍了抄平起道系统改造后的硬件结构： 并对改造后的各部分硬件电路进行了详细的阐述。 第5 章介绍了数字电路板设计和制作需要注意的问题，分析了电路板的信号 的完整性，阐述了硬件电路各部分的调试过程和方法，并给出了硬件实物图。 第6 章介绍了嵌入式系统的程序设计方法和系统软件部分设计总体构思；阐 述了软件系统的建立过程，结合系统要求给出了软件部分的设计过程。 第7 章对论文进行了总结，并提出了以后需要做的工作。 3 b 塞銮适厶堂亟堂位j 金童 盐垩起重丕筮堡述 第2 章抄平起道系统综述 2 1抄平起拨道捣固车电气系统概述 根据控制功能的相对独立性，本文将0 8 3 2 捣固车的电气系统分成如图2 1 所示的框图。由框图可见，整车的电气系统分成作业控制系统和辅助控制系统 两大部分。 2 1 1作业控制系统 | 鳘i2 1 捣l 古| 乍电气系统框图 作业控制系统分为程序控制系统、捣固控制系统、拨道控制系统、起道抄平 控制系统和g ( 轨道参数自动处理系统) 等。 程序控制系统担负着全车的逻辑控制和逻辑联锁。机械的各种作业操作，如 作业走行、制动、捣固、起道、拨道、夯拍等均是在程序控制系统的统一指挥和 4 j e 塞窑适厶堂亟堂僮j 金塞垃垩起堂丞缝绽述 协调下进行的。程序控制系统的正常工作是各项作业能够顺利进行的基本条件。 轨道的横向移位是由拨道系统来控制的。在程控系统的控制下，液压伺服阀 动作，执行机构将轨道拨到要求的位置上。在拨道系统中根据输入的各种参数形 成总的拨道信号，再由总的拨道信号与矢距传感器构成闭环控制。 起道抄平系统则是本文论述的重点，它针对的是轨道超高和纵平。通过输入 的轨道基本量和超高值，并与辅助给定信号一起送入相应侧的起道伺服控制电路 中。伺服控制电路在程控的协调下完成起道作业。 g 、a ( 轨道参数自动处理系统) 是一套计算机系统。在捣固车中，它根据输 入的线路参数自动计算出在当前作业点进行起拨道所需的5 个给定量。这5 个给 定量是拨道正矢、基本起道量、起道减小量、作业区理论超高和前端理论超高。 这样既提高了作业效率，又减小了操作人员的劳动强度。由于g 的输出信号与 手动给定信号在电路上是相加的，所以在实际作业时，只能取其一，而另一给定 必须为零。 2 1 2辅助控制系统 辅助控制系统是指除作业控制系统以外的其它电控部分。 柴油机控制及整车电源：捣固车作业和自身行走的动力均来自于车上的柴油 机，柴油机停机时由+ 1 2 v 的蓄电池串联供电，柴油机启动后，由三台直流发电机 并联供电，并对蓄电池充电，成为整车的总电源。 变矩器控制：变矩器是捣固车高速行走的传动部件，是全车行走的重要环节。 主要保证对变矩器的安全使用及联锁控制要求。 故障报警及多路检测：故障报警电路可检测总风缸压力、柴油机压力等1 4 个 量。多路检测是一个4 0 路输入的信号选择器。通过选择可监测作业系统中的大多 数信号，为迅速检查故障提供一个有力手段。 轨道参数记录系统是一双通道长图笔式记录仪。他根据距离脉冲传感器产生 的脉冲控制走纸，要记录的模拟信号控制记录笔的移动，将轨道的方向和水平偏 差记录下来。 通话系统提供了前后操作司机室的对话功能，以使前后操作者协调操作。 在捣固车上还装配有空调器和燃油式取暖器。空调器的压缩机是由柴油机驱 动的，所以只有当柴油机运转时，才能使用空调器。但燃油式取暖器则可以单独 使用。 全车的照明包括作业照明、前后等和驾驶室照明等，它们均由相应的操作开 关进行控制。 5 b 峦窑堑厶堂亟堂位j 盆塞 世王起遵丕缝绽逵 以上是从控制结构上对0 8 3 2 捣固车电气系统的一个简单介绍，其中控制电路 主要由模拟器件组成，系统的实时性差、功耗大、一些模拟器件价格昂贵，本论 文主要针对电气系统的抄平起道系统给出了数字化改造方案。 2 2线路水平检测及起道原理 电气系统的抄平起道系统主要完成线路的水平检测，其中水平检测包括线路 j 横向水平检测和纵向水平检测。纵向水平检测装置和横向水平检测装置同时进行 测量，起道量要考虑横向水平偏差和纵向水平偏差，使起道作业后的线路轨道的 前、后、左、右都处于同一平面内，符合线路维修规则的要求。通常又把这一作 业过程成为起道抄平作业。 2 2 1三点式检测原理 三点式检测【5 j 是通过装在b 点的弦线固定器使b 、d 点固定，在c 点装矢距 传感器，这种方法有三个检测点，称为三点式检测，如图2 2 所示。 b。 j 月 ? i ，曰c 、 c d d 图2 2 三点式检测原理 三点式检测是以检测直线为基础的，在直线上进行方向偏差时，矢距传感器 测出的矢距信号h 就是c 点的实际线路方向偏差。 在圆曲线检测时，矢距传感器输出的信号h ，就是圆曲线在c 点的矢距。如 果这时不对信号进行修正，则h 就作为偏差信号进行作业，那么就会把圆曲线调 成直线，曲线的调整旧无法进行了。因此，三点式检测时，需要用手动或者是修 j 下值计算机g 、a 输入相应圆曲线在c 点的理论矢距值v c 与实测矢距值h 进行比 较得出该点线路方向的实际偏差信号，来控制装置使轨道移动，直到h 等于v c 时停止。理论矢距由下式求出： v c = 口c c d 2 r 其中，v c 由司机或微机g 、，a 输入。 其中，修正值的计算方法分为直缓点修正值计算方法和圆缓点修正值计算方 法。 6 e 立变垣厶堂亟堂位i 金塞 挫壬起遵丕统堡述 j 目b cq y 一 作业方向， ， z h h： 7 c ，j 一 图z 3 d 点过直缓点的位置 在平面坐标系中，选择直线与x 轴重合，直缓点z h 为坐标原点，如图2 3 ， d 点检测轮已进入缓和曲线，b 、c 两点的检测轮仍在直线上。 已知缓和曲线的方程式为： y = x 3 6 r l 式中r 圆曲线半径( m ) ： l 一缓和曲线长( m ) ； 设d 点检测轮离开直缓点的距离为x ，x 的变化范围是o x 5f ：。此时，最大 修正值计算公式是： = f ：+ ( + f 2 ) 6 r l 由于圆缓曲线修正值计算较为复杂，在一般的应用中都是通过查修正值增减 表来获取。 2 2 2线路横向水平检测及起道原理 线路横向水平又称轨道左右水平。线路横向水平的检测原理简单。由车上的 水平传感器f 6 】( 俗称电子摆) 测量起道前的轨道横向水平偏差，其水平偏差信号输 入起道控制电路，与设定的起道量进行比较，其差通过电液伺服阀控制起道油缸 提起轨道，直到基准钢轨的提起高度达到设定值时起道动作停。图2 4 是线路是水 平检测及起道原理。图中水平传感器2 在起道装置附近，它检测起道过程横向水 平的变化，并由仪表1 4 指示，使司机可以随时了解起道状况。若发现横向水平仍 有偏差，司机可以调节电位计7 来改善起道质量。 7 a e 立奎煎厶堂亟堂僮硷童 丝王起煎丕筮堡述 圈2 4 线路水平检测及起道原理 2 2 3线路纵向水平检测及起道原理 线路纵向水平检测原理【7 j 与线路方向偏差检测的三点式检测原理相同，只是各 点问的距离和传感器的结构不同。如图2 4 所示，在左右两钢轨上各有一套单弦水 平检测装霞，纵向毫低传感器1 l 将c 点检测小车处的轨道高低偏差信号输入起道 电路。 探测杆r m 问的距离为4 5 m ，m f 间的距离为9 1 5 m ，纵向水平偏差残留系数 为： t ( 4 5 + 9 1 5 ) ，4 5 = 3 0 3 3 线路纵向水平检测也有近似法和精确法两种检测起道作业。如果预先不测出 线路纵向水平偏差，只依靠捣固车的纵向水平检测装置进行起道抄平作业，线路 纵向水平偏差不能全部消除，仍有1 3 的偏差残留。这种起道抄平作业就称为近似 法。 用近似法作业后的线路纵向水平不理想，所以，在实际线路维修中都采用精 确法阁起道抄平。在捣固车作业之前用仪器测量线路的纵向水平，将每隔5 m 的纵 向偏差，即起道量，标写在轨枕上，捣固车作业时由前司机室的操纵人员，把标 注的起道量设定输入器9 逐步输入起道电路，即可以完全消除纵向水平偏差。 在竖曲线上进行起道作业时，对起道量同样要进行修正，其修正值的计算方 法与线路方向检测的三点式缓和曲线修正值的计算方法相同。起道量修正值的计 算由g 、a 微机完成并自动输入起道电路。也可以根据给定修正值表手动输入起道 8 t 塞奎堑厶堂亟堂垃i 金塞 挫壬起堂丕续堡述 电路， 2 3起道抄平系统简介 0 8 3 2 捣固车的起道抄平系统( 如图2 5 ) 实际上进行两个方向上的起道作业：一 是在横向上调节轨道的超高；二是纵向以实现对轨道线路纵向水平要求。 对于纵平和横平，二者采用了不同的检测方法，前端的理论超高与莳摆所测 出的实际超高的差值和输入的起道量一起分别形成左右两侧的前端起道量。该起 道量以一定比例传送到左右两侧的起道模拟控制电路中，形成作业点起道信号。 抄平传感器来的信号与理论的起道信号进行比较，其差值再加上辅助起道信 号共同构成起道总信号。起道总信号经过放大后控制液压伺服系统去执行起道。 圈2 5 起道抄平系统框图 抄平起道系统主要分为三部分： ( 1 ) 前端模拟信号板。 ( 2 ) 沉降补偿及超高预置板。 ( 3 ) 起道模拟控制电路板。 9 b 立交通厶堂亟堂位j 金童 挫圣起道丕缝绽述 2 3 1前端模拟信号板 前端模拟信号板由两部分组成：( 1 ) 起道信号电路。( 2 ) 超高信号和前端起 道信号的形成。 ( 1 ) 起道信号电路 起道信号电路( 图2 6 ) 由手动给定的起道信号和g 、，a 信号组成。当手动信 号为正时，表示向上起道；为负时，主要用于做下凹的线路。在实际使用中，手 动起道值输入和g 、，a 只能选用其一，使用g v a 时手动信号必须为零，而使用手 动输入时，g 、，a 送来的信号则应为零。在装备g 、，a 的车上，只要将作业的线路和 要求起道量输入g 、a ，作业时g 、，a 将自动送出信号。其中g v a 送来的信号为 6 9 m ，m m ，而输出的信号为5 0 m v m m ，即要求信号放大应为0 7 2 5 ，放大通过电 位器来调节。 起 图2 6 起道信号电路框幽 ( 2 ) 超高信号和前端起道信号的形成 来自前电子摆的实际超高信号送到运放0 p 8 d 的反相输入端。而手动超高信 号和g 、，a 输入来的前端超高信号选其一，分别分成极性相反但大小相等的两路信 号，分别控制继电器的得电和失电。从继电器出来的信号实际超高信号和理论超 高信号相减，得出的结果控制继电器将其加入左( 或右) 起道量中i 9 1 。形成i j i 端超 高信号。 2 3 2沉降补偿及超高预置板 该板在抄平系统中主要实现下列功能： j e 夏至煎厶堂亟堂位i 金塞趁垩起道丕续绫述 1 将起道点的实际超高与理论超高进行比较，产生差信号用来驱动抄平指示 表以观察作业情况。操作人员根据指示表情况，使用起道辅助输入手柄电位器进 行相应的调节。 2 将左、右两侧的起道总信号相比较，其差存入存储器，在起道时产生沉降 补偿信号送到需要进行补偿一侧的起道信号中。 ( 1 ) 沉降补偿电路( 如图2 7 ) 左起道信号送到o p 4 b ( 比较器) 的反帽端；右起道信号送到o p 4 b 的同相端； 两者相减生成起道差信号，当自动起道信号到来之前，起道开始信号q 7 c 为高电 平，r e 3 不动作，将起道信号存储于k 1 5 ( 电容) 中。当自动起道信号到来之后，起 道开始信号q 7 c 为低电平r e 3 得电吸合，将k 1 5 中的起道差信号送到o p 4 电压 跟随器) 与沉降补偿信号相加，控制继电器r e 6 来决定补偿信号是加到右轨道总信 号还是加到左轨道总信号，并送到相应侧的起道模拟控制板中去参与起道。 幽2 7 沉降补偿电路框幽 ( 2 ) 超高指示电路( 如图2 8 ) 从图2 8 可以看出，手动输入的作业区超高与来自g 的作业区理论超高相 加。这就要求，二者只能取其一，另一必须为零，然后与来自作业区电子摆的实 际超高信号相减，加上沉降补偿信号最后驱动超高指示表1 9 f 4 指示。 图2 8 超高指示电路信号综合框图 2 3 3起道模拟控制电路板 起道模拟控制电路板分成五大部分： ( 一) 起道信号的合成电路 在起道模拟控制电路中，总共又6 路信号形成总的起道信号，这6 路信号是： 1 沉降补偿信号。 2 起道减少信号。 3 前端起道信号。 4 辅助起道信号。 5 调零信号。 6 比例抄平传感器信号。 当以上6 路输入全为零时，说明起道信号没有误差，这样，调节电位器使 o p 4 a ( 加法器) 输出的信号为0 。当输出不为0 时说明有起道误差，这时0 p 4 a 输出 的信号即为起道总信号。 ( 二) 起道指示电路和起道极限信号的产生 总起道信号经过一个放大倍数为2 4 9 倍的方向放大器0 p 5 a ( 反相放大器) 后， 经过限制( 保证不超过指示表的最大量) 输出到起道指示表显示。同时，方向后 的信号再经过比较器o p 5 b 产生起道极限信号。 ( 三) 起道信号的信号等指示电路 总起道信号可经过0 p 4 b ( 斯密特触发器) 输出，输出信号控制起道信号指示灯。 ( 四) 起道调节放大器 从o p 4 a 输出的信号经过r e 2 ( 继电器) 的一个常闭触点输出一个信号，这个信 号经过调节后用来控制起道伺服阀。 当自动起道信号未到来时，r e 2 ( 继电器) 不动作，起道伺服阀上无电流，液压 起道机构不动作。 当自动起道信号到来时，r e 2 的得电动作，常闭触点断丌，o p 4 a 的输出信号 到达o p 6 n 反相器) 反相端，与来自电位器p 9 的调零信号相加，在无自动起道信 号时，调电位器p 9 使起道伺服阀中电流为零。 ( 五) 起道伺服放大器 o p 7 b 及外围元件构成起道伺服放大器。o p 6 b 1 0 脚输出的信号经2 2 b 端子回 送到运放o p 7 b 的反相输入端。通过电位器p 1 0 用来调节伺服阀的最大电流。 b 塞窑通厶堂硒堂僮论塞 丕统盛佳遮让左塞 第3 章系统总体设计方案 嵌入式系统的设计，通常划分为硬件系统设计与软件开发两部分。系统设计 将先进行系统要求分析，从而对系统设计模块进行划分l m 】1 1 l 】。 首先，对系统进行分析，考虑系统功能、功耗以及成本等因素，完成系统选 型：其次，将系统划分为硬件与软件两部分：然后，完成硬件系统元器件的选型， 绘制电路原理图和p c b ，制板并调试；而软件设计则在目标硬件系统完成之后开 始：、最后则是对整个系统联机测试，包括对所有硬件及软件组件的完整测试。 3 1 嵌入式系统简介 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件均可裁剪、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鲥1 2 】。其 操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中，简单的说就是系统的软件与系 统的硬件一体化，类似与b 1 0 s 的工作方式。具有软件代码小，商度自动化，响应 速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系。其发展已有二十多年的历 史，适用的c p u 种类有a r m 愿t r o n g a r m 体系、p o w e f p c 体系、x 8 6 体系等：著 名的嵌入式操作系统有v x w b r k s 、p a l m o s 、w i n d o w s c e 、u c o s 和l i n u x 等。 3 2实时操作系统 实时操作系统1 1 3 l 是指能在确定的时间内执行其功能并对外部的异步时间做出 响应的计算机系统。实时系统通常分为硬实时和软实时系统。前者意味着系统的 某种任务必须满足事件限制，而后者意味着偶尔超过时间限制是可以容忍的。大 多数实时系统都是软实时系统。 嵌入式实时操作系统是面向嵌入式应用而开发的，它有别于一般的p c 机的操 作系统，它没有文件系统，i ，o 管理等庞大的内容，其二进制的代码的大小一般只 有几k b ，具有很短的任务切换时问和响应速度。嵌入式实时操作系统的主要工作 是利用自身的实时多任务内核管理多个任务，任意时刻，处于运行的任务只有一 个，其它任务则处于另外的状态，如睡眠、等待、就绪等。 随着新的处理器越来越多，世界上已经有几千种r t o s 内核，它们当中有许 多的是开放源代码的，使用者不用付任何版费，还可以在此基础上任意裁剪，修 改实时内核。其中典型的代表是u n u x 系统。u n u x 是一种开放源代码，原本被设 计为桌面系统，现在广泛应用于多个领域，它是一种面向嵌入式而开发的r m 0 s 。 3 3嵌入式系统的一般设计方法 通常在单片机系统的- 丌发和应用中【1 4 1 ，是按照如图3 1 所示的流程进行的。在 嵌入式系统的应用歼发中，整个系统的开发过程将改变为如图3 2 所示的过程。 可见，在应用嵌入式系统丌发的过程中，因为对应于每一个处理器的硬件平 台都是通用的、固定的、成熟的。所以，在开发过程中减少了硬件系统错误的引 入机会；同时，因嵌入式操作系统屏蔽掉了底层硬件的很多复杂信息，使得开发 者通过操作系统提供的a p i 函数就可以完成大部分工作，大大简化了开发过程， 提高了系统的稳定性。 图3 1 单片机系统的开发流程 1 4 j e 夏銮堑盘鲎亟坐位盈塞丕统盛馇丝让友塞 图3 2 嵌入式系统的开发流程 3 4嵌入式系统的硬件软件协同设计技术 传统的嵌入式系统设计方法【1 5 i 如图3 2 所示，硬件和软件分为两个独立的部 分，由硬件工程师和软件工程师按照拟定的设计流程分别完成。这种设计方法只 能改善硬件软件各自的性能，而有限的设计空间不可能对系统做出较好的性能综 合优化。2 0 世纪9 0 年代仞，国外有些学者提出“这种传统的设计方法，只是早期 计算机技术落后的产物，它不能求出适合于某个专用系统的最佳计算机应用系统 的解”。因为，从理论上来晚，每一个应用系统，都存在一个适合于该系统的硬件、 软件功能的最佳组合，如何从应用系统需求出发，依据一定的指导原则和分配算 法对硬件，软件功能进行分析及合理的划分，从而使系统的整体性能、运行时脚、 能量耗损、存储能量达到最佳状态，已成为硬件软件协同设计的重要研究内容之 一。 系统协同设计与传统设计相比有两个显著的区别： ( 1 ) 描述硬件和软件使用统一的表示形式； ( 2 ) 硬件和软件划分可以选择多种方案，直到满足要求。 j e 毫窑适占堂亟堂僮论塞 丕箍总馇遮让左塞 显然，这种设计方法对于具体的应用系统而言，容易获得满足综合性能指标 的最佳解决方案。传统方法虽然也可改进硬件软件性能，但由于这种改进是各自 独立进行的，不一定使系统综合性能达到最佳。传统的嵌入式系统开发采用的是 软件开发与硬件分离的方式，其过程可描述如下： ( 1 ) 需求分析； ( 2 ) 软硬件分别设计、开发、调试、测试： ( 3 ) 系统集成，软硬件集成； ( 4 ) 集成钡8 试； ( 5 ) 若系统正确，则结束，否则继续进行； 若出现错误，需要对软硬件分别验证和修改； ( 7 ) 返回3 ，继续进行集成测试。 虽然在系统设计的初试阶段考虑了软硬件的接口问题，但由于软、硬件分别 开发，各自部分的修改和缺陷很容易导致系统集成出现问题。由于“硬件先行” 的思路，导致后期软件必须增加工作量， 导致了产品的设计质量差，设计修改难， 本系统采用软，硬件协同设计。 3 。5系统软硬件总体规划 3 5 1硬件规划 来弥补硬件的不足。这是由于这些问题， 研制周期不能有效保证。荐于上述原因， s 3 c 4 4 8 0 x 是a r m 微处理器中一款专门为通用嵌入式系统应用而设计的 1 6 3 2 位r i s c 处理器1 1 6 1 ，它具有3 2 t 8 b i t 的硬件乘法器、支持基于j 1 1 a g 的调试、 采用了一种新的三星a r mc p u 嵌入总线结构s a m b a 2 ( 最大速度可以达 6 6 m h z ) ，本系统采用s 3 c 4 4 8 0 x 作为主控芯片，其系统硬件规划如下： 本系统硬件规划如下： c p u ：s a m s u n g 的3 2 位s 3 c 4 4 b o x ； s d r a m ：8 m b y t e ss d r a m ； f l a s h ：2 m b y t c sf l a s h ； l c d ：5 7 英寸，s t n 2 5 6 色3 2 0 t 2 4 0 象素； 键盘：4 + 4 ： 1 0 m 以太网卡； u a r t ：一个r s 一2 3 2 c 串行接口； 1 4 针j t a g 接口； 1 6 l i c 总线接口； 两个数模转换8 位模块； 一个+ 1 5 v 转1 5 v 电压转换器； 本系统主要由信号采集电路，主控模块和数模转换单元，功率放大电路四部 分组成。 3 5 2软件规划 嵌入式系统的软件开发的特点是：以面向过程为主，代码的利用率高，代码 的规模小，实时性强。过去的嵌入式系统软件开发，大多从汇编开发，并以汇编 语言开发为主。这样的开发只能做简单的控制和算法，应用需求复杂时，开发周 期大大增加，不利于新产品的快速面市。现代嵌入式系统的软件开发从汇编启动 代码丌始( 这部分代码主要用来负责初始化硬件) ，以后的应用程序绝大部分用c 语 言来开发。c 语言作为一种中级语言，具有很好的灵活性，更贴近于程序员的思维 逻辑。因此用c 语言开发程序，大大的缩短了软件开发周期，也易于维护和升级i l ”。 编译器是程序丌发必不可少的重要工具之一。针对不同的硬件设备( 主要指处 理器1 ，采用不同类型的编译器，可以对程序进行优化处理，提高程序的效率。 当今，g n u 的编译器越来越受到嵌入式系统丌发工程师的欢迎。它可以在w i n d o w s ，u n i x ，l i n u x 环境下使用，使用灵活，可设置性强，而且大多是免费的软 件。 本系统的嵌入式软件丌发，就是采用g n u 的开发工具( 包括编译、链接、生 成各种格式目标代码等等) 。由于采用了a r m 7 t d m i 系列的处理器内核，因此选用 了a d s ( c o d e w i 盯i o rf o ra r md e v e l o p e rs u i t c ) 的编译器，在“n u x 操作系统下开 发。 在本系统中，程序体大致可以分成两个部分。一个是面向操作员的部分，也 就是人机交互程序，另一部分则是后台运行的程序，如数据采集、逻辑控制、数 据保存等。人机交互，主要通过按键和显示屏幕来完成。通过按键，操作员可以 把数掘发送给处理器。让系统完成某些工作，或让它显示某些信息。屏幕则是系 统把信息反馈给用户的媒介。 1 7 扯峦交通太堂亟堂僮j 金室 丕统堡住遮让 4 1系统功能要求 第4 章系统硬件设计 研制本系统的目的在于将原来的模拟系统改造成以嵌入式控制器为核心的数 字系统，改造后的系统应满足以下条件：能够采集并转换前基本起道量、起道给 定、前摆、前超高给定、超高预置、中摆、沉降补偿和抄平传感器输入信号8 路 输入信号；能够精确显示起道值、超高值的具体数据；用系统自带的二极管表示 起道是否成功，能用4 t 4 问盘输入起道辅助给定；能对系统的信号进行精确控制， 并将输出的结果转换成相应的模拟信号。 4 2改造后的抄平起道系统结构介绍 抄平起道系统的基本任务是对来自前端模拟信号板的起道信号进行采集，并 把采集到的数据存放到数据存储器中，并通过液晶屏进行数据显示，在需要数据 分析和处理的时候把数掘传到处理器中。控制系统以高性能、极低功耗的a r m 处 理器为核心，形成模数转换( d ) 、数据存储、数据处理及数据显示等环节的数 字化系统。改造后的系统结构参见图4 i 。 1 8 j b 夏至垣厶堂亟堂鱼! 金塞 丕统理仕逡让 图4 1 改造后的抄平起道系统结构框图 s 3 c 4 4 8 0 x 作为处理器，其外部扩展存储器包含s d r a m 和f l a s h 两大部分， s d r a m 存储器作为系统运行时的主要区域，系统及数据、堆栈均位于s d r a m 存 储器中，s d r a m 的扩充弥补了微处理器内部r a m 容量小的缺陷，可大幅提高程 序运行速度，并为软件升级预留空间。f l a s h 存储器可存放已调试好的应用程序 或其他在系统掉电后需要保存的数据等。f l a s h 作为程序存储器，并在系统掉电 后提供数据备份空间，构成了整个系统的存储系统。 显示部分由液晶显示屏组成，可为操作人员提供实时操作数据。液晶显示屏 为3 2 0 + 2 4 0 点阵字符型显示器。通信链路为一路r s 2 3 2 串行通讯接口和由r t l 广8 0 1 9 组成的网络通讯接口。通信口是s 3 c 4 4 8 0 x 自身的u a r t 接口，具有高速，接 口方便的特点，其主要功能是用于数字化改造后的系统和计算机的通讯。 j 1 1 a g 接口可对芯片内部的所有部件进行访问，通过该接口可对系统进行调 试、编程等。 4 3电源模块设计 e 塞銮适厶堂硒堂僮监塞丕缝鲤让遮让 本设计采用双层p c b 板实现系统功能，由于考虑到电平转换的复杂度，设 计中的电源电路尽量简化。 为了满足数模转换和功率放大部分的要求，整个系统的输入电压为1 5 v 直流 稳压电源。在改造后的系统中，有c p u 、s d r a m 、f l a s h 、l c d 等，分别需要5 v ，3 3 v 和2 5 v 的直流稳压电源，系统不但有静态功耗而且有动态电流。出于功 率放大部分要求正负1 5 v 的电压，所以，采用i c l 7 6 6 2 将讵1 5 v 的电压转换成负 1 5 v 的电压。根掘系统的实际功耗，选择l d 0 ( l o w d r o p o u tl i n e a rr e g i l l a t o r ) c m 1 1 1 7 2 5 、c m l l l 7 3 3 和c m l l l 7 5 v 提供直流稳压电源，：系统电源如图4 2 所示。 4 4复位电路 幽4 2 系统电源电路 晶振电路用于向c p u 及其他电路提供工作时钟。晶振一般分为有源晶振和无 源晶振。有源晶振称为“晶振”，一般有4 个管脚。无源晶振称为“晶体”，一般 有2 个管脚【1 9 】。使用有源和无源形成震荡电路各有优缺点：有源晶振容易起振，接 上电源和地就可以使用，但是体积一般较大。 无源晶体震荡电路中的辅助电容、起振反馈电阻、或反向器一旦出现异常就 会影响震荡电路，所以常常会出现无法起振的问题，但是一般体积小，频率的精 度高。 本系统使用的是无源晶振。根据s 3 “b o x 的最高工作频率以及p l l 电路的 韭塞窑通太坐亟堂僮论塞丕统缝仕递进 工作方式，选择l o m h z 的无源晶振，1 0 m h z 的品振频率经过s 3 c 4 b o x 片内p l l 电路倍频后最高可达7 5 m h z ，其实际工作频率在6 0 m h z 。片内的p l l 电路兼有频 率放大和信号提纯的功能，因此，系统可以以较低的外部时钟信号获得较高的工 作频率，以降低因高速开关所造成的高频噪音。 d 6 7 4 h c 3 2 d 幽4 3 系统复位电路 常见的r c 复位电路虽然在实验环境可正常工作，而且成本低，但不适合工业 控制环境。因此本系统采用了专用的复位芯片7 4 h 3 2 d ，提高了系统的抗干扰性能， 减少了系统误动作的可能性。系统复位电路图如图4 3 。 4 5j 1 a g 接口电路 j 1 a g ( j o i n tt e s t a c t i o ng r o u p ，联合测试行动小组) 是一种国际标准测试协议， 主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试【。j 1 a g 技术是一种嵌入式技术， 它在芯片内部封装了专门的测试电路t a p ( ，r e s ta c c e s sp o r t ，测试访问口) ，通过专 用的j t l a g 测试工具对内部节点进行测试。目前大多数比较复杂的器件都支持 j 1 a g 协议，如a r m 、d s p 、f p c 陡器件等。 标准的j 1 i a g 接口是4 线：t m s 、t c k 、t d i 、1 d o ，分别为测试模式选择、 测试时钟、测试数据输入和测试数据输出。在a r m 处理器中，可以通过j t a g 直 接控制a r m 的内部总线，i o 口等信息，从而达到调试的目的。 通过j t a g 接口，可对芯片内部的所有部件进行访问，因而是开发调试嵌入式 的一种简洁高效的手段。目前j 1 a g 接口的连接有两种标准，即1 4 针接口和2 0 针接口。本系统采用1 4 针j 1 a g 接口，支持s 3 c 4 4 b o x 的实时在线仿真和调试工 e 塞窑适太堂亟堂缱i 金塞丕统鲤仕超让 具。其引脚定义如4 1 所示。 表4 1 1 4 针j 1 a g 接口定义 引脚符号引脚名称描述 l 、1 3 v c c 接电源 2 、4 、6 、8 、1 0 、1 4g n d 接地 3n t r s t 测试系统复位信号 5t d i 测试数据串行输入 7t m s 测试模式选择 9t c k 测试时钟 1 lt d 0 测试数据串行输出 1 2n c 未连接 4 6 通用i o 接口电路 s 3 c 4 4 b o x 提供了7 1 个通用的v o 端口，可将每个端口配置为输入模式、输 出模式或特殊功能模式，由片内的特殊功能寄存器控制。它的一个重要的作用就 是引脚之间的复用，例如：g p i o 的端口c 和数据总线的1 6 2 4 位所使用的引脚就 是帽同的，需要指定g p i o 控制器的寄存器确定使用哪种输出。 4 7系统扩展存储系统设计 4 7 1s 3 c 4 4 8 0 x 存储器控制器简介 s 3 c 4 4 b o x 本身具有外部存储器控制器，为外部存储器操作提供必要的存储器 控制信号。s 3 c 4 4 b o x 具有以下特性： ( 1 ) 小大端( 通过外部引脚选择) ； ( 2 ) 地址空间：3 2 m 字节每b a n k ( 总共2 5 6 m b ，8 b a n l ( s ) ； ( 3 ) 所有b 锄k 都具有可编程的总线宽度( 8 1 6 ，3 2 位) ； (