（机械电子工程专业论文）基于armdsp架构的准在线诊断系统硬件平台研究.pdf

摘要 摘要 随着故障诊断技术的不断发展和完善，以及传感技术、微电子技术、计算 机、网络通信等相关技术的突破和发展，应用于故障诊断的仪表仪器和系统也 在不断发展、完善。工程实践中日益强调故障诊断系统的可靠性，对其智能化、 网络化以及故障诊断与设备维修管理的融合程度等方面的要求也越来越高。本 文针对目前常见的离线诊断系统和在线诊断系统的优缺点，提出了一种准在线 诊断系统的设计方案。 准在线诊断系统可用于对没有配备在线监测诊断系统的设备进行长时间的 状态监测和诊断。它具有一定的数据分析处理能力和较大的数据存储容量，可 支持其进行长时间的状态监测和诊断，同时继承了便携式诊断设备轻便、灵活 的特点，可灵活配置或采用框架结构安装以支持系统长时间工作。 针对准在线诊断系统的功能要求，本课题主要完成了以下工作： 系统的整体设计根据对准在线诊断系统的功能分析，以a r m + d s p 架构的o m a p l 1 3 8 处理器为核心，采用应用广泛的嵌入式l i n u x 为软件支撑， 进行系统各个功能模块的设计开发。 系统硬件平台的开发在o m a p l 1 3 8 处理器的基础上，利用其丰富的 外围设备接口资源，进行各个功能模块的设计开发，主要包括信息采集模块、 存储模块、人机交互模块( l c d 显示屏和触摸屏) 、通信模块、电源管理模块 以及双机组合使用的设计。 系统软件平台的构建分析了系统的驱动程序，着重介绍了信息采集 模块的驱动程序开发；在已有软件资源的基础上进行了引导程序u b o o t 、l i n u x 内核和j f f s 2 根文件系统的修改、配置和编译，构建了系统运行所需的软件环 境。 关键词：故障诊断：准在线；o m a p l 1 3 8 ；硬件平台；嵌入式l i n u x a b s t r a c t - 一 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ff a u l td i a g n o s i s ，a sw e l la st h e b r e a k t h r o u g h sa n d l m p r o v e m n e to fs e n s o rt e c h n o l o g y , m i c r o e l e c t r o n i c s ，c o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o ni n n e t w o r ka n do t h e rr e l a t e dt e c h n o l o g y ，f a u l td i a g n o s i si n s t r u m e n t a t i o na n d s y s t e ma l e e v o l v i n gt o w a r d sp e r f e c t i o n t h er e l i a b i l i t yo ff a u l td i a g n o s i ss y s t e mi si n c r e a s i n g l y e m p h a s i z e di nt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，a sw e l la st h ea p p l i c a t i o no fi n t e l l i g e n c e , n e t w o r ka n dt h e i n t e r g r a t i o no ff a u l td i a g n o s i sa n dm a c h i n e r ym a n a g e m e n t c o n t r a r yt os t r e n g t h sa n dw e a k n e s s e so ft w oc o m m o nt y p e so ff a u l t d i a g n o s i s i n s t r u m e n t ，o n - l i n ef a u l td i a g n o s i ss y s t e ma n do f f - l i n ef a u l td i a g n o s i ss y s t e m ，ak i n d o fq u a s i l i n ef a u l td i a g n o s i ss y s t e mi sd e s i g n e di nt h i st h e s i s t h eq u a s i _ l i n ef a u l t d i a g n o s i ss y s t e mi sm a i n l ya p p l i e df o ral o n gt i m e c o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n dd i a g n o s t i c st om a c h i n e r yw h o h a v en o tb e e nm o m t o l r e db v a no n - l i n ef a u l tm o n i t o r i n gs y s t e m i no r d e rt ob eu s e df o ral o n gt i m ec o n d i t i o n m o n i t o r i n ga n dd i a g n o s t i c s ，i th a sac e r t a i nc a p a c i t yo fd a t aa n a l y s i si nt i m ea n da m a s ss t o r a g ef o rd a t a i nt h es a m et i m e ，i ti n h e r i t st h ea d v a n t a g e so f l i g h t w e i g h ta n d f l e x i b i l i t yo fp o r t a b l ef a u l td i a g n o s i si n s t r u m e n t ，s oi tc a nb eu s e df l e x i b i l y , o rb e i n s t a l l e dt ow o r kf o ra l o n gt i m e b a s e do nt h ef u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t so ft h eq u a s i 1 i n ef a u l t d i a g n o s i s s y s t e m ，t h ew o r kc o m p l e t e di nt h i st h e s i si ss h o w e da sf o l l o w i n g ： t h eo v e r a l l d e s i g no ft h es y s t e m b a s e do nt h em i c r o p r o c e s s o ro f o m a p - l 13 8w i t ht w oc o r e s ( a r mc o r ea n dd s pc o r e ) ，s e v e r a l m o d u l e sa r e d e s i g n e dw i t ht h ee m b e d d e dl i n u xb e i n gu s e da st h eo p e r a t i n gs y s t e mt om e e tt h e f u n c t i o n a lr e q u i m e n t so ft h eq u a s i l i n ef a u l td i a g n o s i ss y s t e m d e v e l o p m e n to ft h eh a r d w a r ep l a t f o r m b a s e do nt h eu s eo ft h ea b u l l d 趾t i n t e r f a c e so ft h eo m a p - l 1 3 8m i c r o p r o c e s s o rf o r p e r i p h e r a ld e v i c e s ，s e v e r a l m o d u l e sa l ed e s i g n e d ，w h i c hi n c l u d i n gd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，s t o r a g em o d u l e ， h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ( l c dd i s p l a ya n dt o u c hs c r e e n ) ，p o w e rm a n a g e m e n t m o d u l e ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l e , a n dt h er e a l i z a t i o no ft w o m a c h i n ec o m b i n a t i o n n 、 a b s t r a c t c o n s t r u c t i o no ft h es o f t w a r ep l a t f o r m t l l ed r i v e r so fs y s t e ma l e a n a l y z e d ，a n dt h ed r i v e rf o rd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ei si n t r o d u c e ds p e c i a l l y b a s e do i l t h e e x i s t i n g s o f t w a r er e s o u r c e s ，t h eb o o t l o a d e ro fu b o o t ，t h ek e r n e lo ft h e e m b e d d e dl i n u xa n dt h ej f f s 2r o o tf i l es y s t e ma l em o d i f i e d ，c o n f i g u r e da n d c o m p i l e d ，i no r d e rt oc o n s t r u c tt h es o f l w a ee n v i r o n m e n tf o r t h eq u a s i l i n ef a u l t d i a g n o s i ss y s t e m k e yw o r d s ：f a u l td i a g n o s i s ，q u a s i l i n e ，o m a p l 13 8 ，h a r d w a r ep l a t f o r m ， e m b e d d e dl i n u x i i i 1 绪论 1 1 故障诊断技术简介 1绪论 1 1 1 故障诊断技术的形成和发展 现代设备故障诊断技术兴起于二十世纪六十年代。随着科学技术和工业生 产的不断进步与发展，尤其是计算机技术的迅猛发展和普及，它已逐步完善， 成为一门新兴的边缘综合工程学科。该学科着重研究设备的管理、状态检测和 故障诊断等，以建立新的维修体制，增强现代企业生产环境的安全性，完善企 业设备资产管理【l 】。 伴随着科学技术的不断进步和现代工业的快速发展，现代企业中各种机械 设备往往具有体积巨大、结构复杂、速度快、负载重等特点，而且功能日益完 善，自动化程度日趋提高。机械设备的各个部件之间以及不同设备之间的联系 也较以往更为密切，更多地以整体的形式服务于生产过程。机械设备的正常安 全运转，涉及设备的设计、制造、安装、操作、运行、维护等众多环节，难免 受到影响而导致设备出现故障。对于生产过程中的核心设备，一旦出现故障导 致设备功能降低或失效，将产生一系列的恶性连锁反应。因而，对设备进行有 效的状态监测和故障诊断，对于保证设备长期、满载、安全优质运行，增强生 产安全性，提高企业经济效益，具有重要意义。这也促进了现代故障诊断技术 的不断发展。 现代设备故障诊断技术于二十世纪六十年代从美国发展起来，此后英国、 德国、瑞典、日本等国家也相继开始故障诊断技术的研究。虽然现代设备故障 诊断技术最初是为了满足航空航天等军工行业的的需求，但经过几十年的发展， 它已逐渐扩展到民用工业领域，并且发挥着越来越重要的作用。与早期故障诊 断中依靠相关领域专家的感官获知设备的健康状态不同，现代设备故障诊断技 术更多地得益于信息技术、微电子技术、计算机和通信技术等。二十世纪六十 年代开始，新的传感检测技术改进的检测仪器逐步取代了专家的感官和经验； 七十年代，新技术催生了大量专门用于设备故障诊断的仪器、仪表：八十年代， 计算机技术的迅猛发展，促进了设备诊断仪器及系统的数字化，并由此产生了 一系列在线监测与故障诊断系统；九十年代人工智能技术的发展将故障诊断技 1 1 绪论 术推向智能化，提高了其实用性和可靠性；近年来，网络通信技术将i n t e m e t 引入现代工业生产，使远程监测和诊断成为现实2 1 。目前，设备故障诊断技术 已成为一门涉及信号采集、信息处理、微电子、计算机等技术的综合性新兴学 科，并广泛应用于工业生产，成为企业设备资产管理的重要组成部分。 1 1 2 故障诊断技术的原理与实施方法 设备故障诊断主要通过对设备的信息采集等方式了解掌握设备的运行状 态；分析设备的可靠性：预判设备可能发生的故障，并就故障的部位、起因和 轻重程度进行分析评判，提出相应的维护措施【l 】。 对设备进行故障诊断，首先必须准确掌握设备各部分及其整体的运行状态， 作为判断依据。这就需要对机械设备进行信息采集，以获得设备运行过程中的 一些重要信息，如振动、温度、压力等。在诸多信息中，尤其以振动最为重要， 它与设备运行状态的联系更为紧密。对于在企业的机械设备中占有重要份额的 旋转机械设备而言，振动信息更能直接地反映出设备的运行状态。当然，其他 信息对故障诊断也具有重要的参考意义。对运行设备的信息采集，主要通过各 类传感器，如振动传感器、压力传感器及温度传感器等获得所需信息。通过传 感器直接获得的信息，通常是杂乱无章的，不能从其得出直观、明显的判断。 因此需要对采集的信息进行一定的预处理和分析，剔除干扰信息，提取出对设 备故障诊断最为有用、直观和敏感的特征信息。然后依据信息分析处理提取出 的特征信息，对设备的运行状态和健康状况进行判断和预测，并制定出相应的 维护治理措施。其具体逻辑流程，如图1 1 所示。 图1 1设备状态监测和故障诊断逻辑流程 从诊断方式的角度来看，设备故障诊断的实施方法，目前常见的有离线诊 断和在线诊断两种方式。 离线诊断一般是在现场完成信息的采集，信息的分析处理和对设备的诊断 工作往往在脱离现场的后台计算机或其他仪器上进行。常见的仪器有点检仪、 2 1 绪论 便携式巡检仪等。 便携式点、巡检仪往往对功能要求不是很高，其结构多小巧便于携带，因 而具有投资小、灵活、便利等特点。但由于离线诊断不能一直监测设备的运行 状态，且多脱离现场分析处理信息，因此它的分析诊断相对滞后，处理突发故 障的能力相对较差。同时由于功能和体积结构的限制，便携式点、巡检设备的 实时信息处理能力相对较差，不能在现场进行数据分析及故障诊断。因而离线 诊断多用于设备的同常检查或不太重要的设备。 在线诊断是对设备进行连续的监测，并将采集的信息实时地送入后台处理 系统，进行相应的分析处理和故障诊断。在线诊断系统多为大型的在线监测与 故障诊断系统。 凭借强大的数据处理能力和实时的状态监测，在线诊断系统能够及时地掌 握设备的运行状态和健康状况，进行相应的维护治理，同时避免了离线诊断中 可能出现的遗漏故障的现象。但由于在线诊断系统往往体积较大、结构复杂， 因此限制了其灵活性，而且它的造价往往很高，故在线诊断多用于相对关键的 设备。 1 2故障诊断系统研究现状 随着故障诊断技术的不断发展和完善，以及传感技术、微电子技术、计算 机、网络通信等相关技术的突破和发展，应用于故障诊断的仪表仪器和系统也 在不断发展、完善。理论研究方面，应用于设备故障诊断的理论和方法日趋成 熟并走向深入；工程实践应用方面则日益强调故障诊断系统的可靠性，对其智 能化、网络化以及故障诊断与设备维修管理的融合程度等方面的要求也越来越 高。 美欧和日本等国的故障诊断技术起步较早，在故障诊断的理论研究和工业 应用方面较为成熟，在国际上处于相对领先的地位。其中具有代表性的技术主 要有以下几个方面： i 在线监测仪表和系统 在线监测仪表和系统既可应用于简单的设备监测，也可以应用于设备的闭 环控制和保护。国外多家公司均已形成种类齐全的在线监测仪表产品系列，比 如美国p a l o m a r 公司生产的“8 0 0 0 系列机器监视与保护系统”就是一种典型的 3 1 绪论 状态监视系统。b e n t l yn e v a d a 公司生产的3 5 0 0 系列、3 3 0 0 系列、1 9 0 0 系列监 测系统，形成了一个完整的监测系统，能够为多种机械资产提供连续在线监测 服务。 i i 监测与分析系统 监测与分析系统是建立在软件模块上的监控装置。与仪表系统不同，监测 与分析系统良好的柔性可以使它在相同的硬件基础上，采用不同的软件模块， 以适应不同的对象和使用环境。囡外关于设备状态监测与分析系统已有一些较 为成熟的产品，如美国s k f 公司的m 8 0 0 a 系统、b e n t l yn a v a d a 公司的 t r e n d m a s t e r2 0 0 0 系统和英国s o l a r t r o n 公司的5 5 0 1 系统等。 i i i 在线监测与故障诊断系统 设备在线监测与故障诊断系统不仅具有强大的、高可靠性的实时信息采集 能力，而且能够实时地对数据进行分析处理，提取敏感重要的特征信息，并对 设备作出相应的状态分析和故障诊断。国外相关的产品有美国w e s t i n g h o u s e 公 司的p d s 过程诊断系统( p r o c e s sd i a g n o s i ss y s t e m ) 、b e n t l yn e v a d a 公司的e a 3 0 系统( e n g i n e e ra s s i s ts y s t e m ) 和d m 2 0 0 0 系统( d a t am a n a g e r2 0 0 0 ) 、s c i e n t i f i c a t l a n t a 公司的m 6 0 0 0 系统等。 从上世纪8 0 年代起我国的故障诊断技术逐渐兴起并不断发展，尤其是近年 来故障诊断理论不断完善，应用于故障诊断的技术和设备也得到了很大推广【3 】。 目前，我国的故障诊断理论研究和国际研究水平相比虽有不足，但差距不 大。但是，在先进的故障诊断技术转化到相应的产业化应用方面，我国还是存 在着明显不足。不过有关设备故障诊断系统的研究还是取得了较大进步，国内 一些高校和科研机构也相继研究和开发了各自的故障诊断系统，比如依托于郑 州大学振动工程研究所的郑州恩普特公司的e m 3 0 0 0 系统【4 】、西安交通大学的 r m d s 系统、清华大学的b b 1 系统等。 近年来，伴随着计算机网络技术的发展，基于i n t e m e t 的远程故障诊断技 术逐渐兴起和发展，它使异地间的状态监测和故障诊断成为现实。国外产品中， 美国b e n t l yn e v a d a 公司的d m 2 0 0 0 系统可以通过网络动态数据交换的方式向 远程终端发送设备运行状态的相关信息；n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司在其虚拟仪 器产品l a b v e i w 中新增了i n t e r n e t 模块，可以通过w w w 、e m a i l 、f t p 等方式 发送测试数据；e n t e k 、s o l t r a n 等公司也已推出了各自的网络化设备状态 监测产a t 2 1 。国内这方面的研究也取得了一些成果，比如西安交通大学创建的 4 1 绪论 基于m o d e i n 和电话线的远程故障诊断系统；郑州大学振动工程研究所建立的 基于b r o w c r s c r v c r 模式的设备远程状态监测和故障诊断中心等。 此外，在新的故障诊断理论和方法、快速且高精度的数据采集装置、友好 便捷的人机交互界面以及大容量存储系统和实时数据库等方面的研究，也正在 进一步的发展和完善中。 1 3课题的来源、目的和意义 1 3 1 课题的来源 本课题来源于河南省教育厅自然科学基金：嵌入式技术在设备故障诊断系 统中的关键技术研究( 2 0 0 9 a 4 6 0 0 1 0 ) 。 1 3 2 课题的目的和意义 目前，应用于工业实践的设备监测和诊断系统大致可分为两种：离线诊断 系统和在线诊断系统。其中，在线诊断系统主要应用于企业中大型、复杂的关 键设备，如大型旋转机械设备。这些设备在企业的机械设备中所占的比重同益 增大，它们的运行状况往往影响着整个企业设备的运转，直接关系着企业的经 济效益。在线诊断系统以其连续的状态监测、强大的实时信息处理能力等优点， 能够使企业及时地了解和掌握设备的运行状态，并进行故障预判、提前维修等， 保证设备长周期、满负荷地高效运转，避免因定期维修、设备故障等带来的损 失，提高企业的经济效益。离线诊断系统则由于其便携性、低造价、易于操作 等特点，广泛应用于对一般设备的点检、巡检等。 然而在线诊断系统和离线诊断系统还是各自具有其局限性的。对于在线诊 断系统，其较大的体积和复杂的结构，必然影响它使用时的灵活性。同时由于 要满足其实时的信息采集、数据分析处理和故障诊断等功能，在线诊断系统的 造价与离线系统相比，要高出很多。相应的，在线诊断系统的开发周期比较长， 维护成本也较高。因而在线诊断系统往往多用于像大型旋转机械这样的关键设 备。离线诊断系统多为便携式故障诊断仪，如点检仪等。由于处理器的限制， 其数据处理速度和能力都比较有限，不能进行较为复杂的数据处理，这就限制 了它故障诊断的能力，因而离线诊断系统更多地用于现场信息的采集等。同时 点检仪等离线诊断仪由于仪器体积的限制或操作灵活性的需求，多采用电池供 5 1 绪论 电，有限的电力供应也限制了它在现场长时间运行的能力。 本课题的目的就是针对目前离线诊断系统和在线诊断的优缺点，利用应用 较为广泛的嵌入式技术提出一种设备故障诊断仪器的设计方案，使其继承便携 式诊断仪的操作方便灵活、便于携带等特点，同时具有一定的实时数据分析处 理能力，可以在现场长时间地监测设备的运行状态并进行相应的分析诊断。 在设备诊断现场常常存在这样一种现象：利用点检仪或巡检仪对设备进行 点检或巡检时，根据检测结果初步判定设备运行异常，但是由于所采集信息的 有限性或者仪器数据处理能力的限制等，不能在现场对设备的健康状况作出准 确的判断，同时该设备由于是非核心设备而没有相应的在线诊断系统可以利用。 如果设备真的存在故障，继续运行就可能进一步损坏机器引发更严重的后果； 如果由于仪器误判而停机检修，则可能带来不必要的经济损失。这就在离线诊 断系统和在线诊断系统之间产生了一个需求空间，需要一种具有一定在线监测 和故障诊断能力的便携式诊断系统在现场对存在异常的设备进行长时间的监测 和故障诊断1 5 】。我们把满足这种需求的便携式故障诊断仪器称为准在线故障诊 断系统【6 】。本课题的目的就是提出这样一种准在线诊断系统的设计方案，使其 可以用于对非核心设备的长时间状态监测和故障诊断，如对存在异常的设备进 行监测和故障诊断，用于设备的启、停机过程监测等。 1 4课题主要研究内容 本课题主要研究准在线诊断系统的硬件平台的设计，包括硬件电路的设计 和硬件驱动程序、l i n u x 内核等的修改移植。具体内容如下所示： 根据准在线诊断系统的性能需求对系统的功能进行分析，对系统的整 体设计方案进行规划，并根据工作需求选择相应的开发工具，建立开发环境。 提出系统硬件平台各个功能模块的设计方案，在满足系统功能需求的 同时考虑成本控制、产品的升级及维护等因素，选择适当的外围设备芯片和元 器件，并绘制相应的硬件电路原理图。 构建系统运行所需的软件环境，包括驱动程序的修改编译、引导代码 b o o t l o a d e l 、嵌入式l i n u x 内核和根文件系统的配置编译等。 6 2 系统的功能分析和设计规划 2系统的功能分析和设计规划 2 1系统的功能分析 本课题研究的准在线诊断系统是一种便携式故障诊断仪，它的功能需求介 于在线诊断系统和离线诊断系统之间，因此它应同时具有在线系统和离线系统 的优点。首先它必须具有长时间在线监测的能力。在线监测与故障诊断系统具 有良好的实时监测能力，但其较高的造价和维护费用限制了它在非关键设备上 的广泛应用。具有一定的在线监测能力的准在线诊断系统造价相对较低，可以 满足企业对一般设备的长时间状态监测和故障诊断。其次，它应该像便携式设 备一样体积较小，轻便、灵活、便于携带。再者，它还应该具有一定的实时数 据处理能力，能够运行较为复杂的数据处理程序，这样它可以在现场进行数据 实时分析处理【_ 7 1 。此外，在采集通道、存储系统和通讯等方面也应该与其功能 需求相匹配。该诊断系统的具体功能需求【8 】【9 】，可以概括如下： 灵活、轻巧、便于携带，可以作为便携式仪表使用。 可以采用框架形式安装，能够在现场对设备进行长时间的监测，实现 一定的在线功能【l o 】。 处理器能够运行较为复杂的算法等，提高其数据处理能力和实时性。 具有多通道数据采集能力，丰富信息来源，利于提高其诊断的准确性。 具有较大容量的存储系统，可内部存储数据。 具有通讯功能，可以灵活选择将采集的信息上传至后台计算机进行更 为精确的处理。 具有良好的人机交互界面：l c d 显示器实时显示分析处理后的数据和 提取的特征信息，触摸屏和按键等实现仪器的功能设定等。 2 2系统的整体设计规划 本系统可以在两种模式下工作：一是作为作为便携式仪表对设备进行进行 常规的检测：二是作为在线系统对设备进行长时间的监测和故障诊断。后者应 该是其主要工作方式，可用于没有配备在线监测和诊断系统的非关键设备，在 设备检测出异常现象时完成常规的点、巡检设备不能胜任的长时间监测和分析 7 2 系统的功能分析和设计规划 诊断任务。它也可用于设备的启动和停机过程中的在线监测等。 在线故障诊断系统为了满足其在线监测和强大的故障诊断性能，更多地考 虑了系统的实时数据处理能力等，而系统的体积、功耗等多属于次要考虑的因 素。本课题研究的准在线诊断系统则在满足具有一定的实时数据分析处理能力 的同时，应具备较为轻巧的体积和较低的功耗。对比基于p c 机的在线故障诊 断系统的特点，嵌入式系统更符合准在线诊断系统的要求。嵌入式系统以计算 机技术为基础，以应用为核心，且软硬件均可裁剪，非常适用于对功能、体积、 功耗、成本、可靠性有严格要求的专用计算机系统】。本系统和一般的嵌入式 系统一样，由四部分组成：嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统 和应用程序【1 2 】。从整体结构上本系统也可以划分为系统硬件和系统软件两个部 分。 2 2 1 系统硬件设计规划 作为专用的嵌入式系统，本系统的硬件除了微处理器、电源、存储设备等， 还需要信息采集、通讯和人机交互等外围硬件设备以实现特定的功能，满足该 诊断系统的应用需求。整个系统的硬件平台功能框图如图2 1 所示。 8 2 系统的功能分析和设计规划 l 、嵌入式微处理器 本系统需要在设备运行现场对采集的信息进行较为复杂的分析处理，因而 必须具备较强的数据处理能力。在便携式系统中常用的微处理器多是为特定的 应用而专门设计的，具有丰富的外围设备接口，在外围设备的管理方面拥有较 大的优势。但是与数字信号处理器d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 相比，通用微处 理器的数据处理能力和运行速度则逊色很多。所以本系统的处理器采用了t i ( t e x a si n s t r u m e n t s ) 公司的o m a p l 1 3 8 处理器。o m a p l 1 3 8 处理器为双核 ( a r m 和d s p ) 架构，它把d s p 处理器的信号处理功能和r i s c 处理器的通用 系统性能有效地融合起来，具有较高的“性能功耗比 ：同时它具有丰富的外 围设备接口资源，十分有利于系统外围硬件设备的开发和管理【j 3 1 。 2 、信息采集模块 本系统主要用于旋转机械等机械设备的故障诊断，其采集的信息主要是振 动信号，包括位移、转速、加速度等【1 4 】。信息采集模块主要完成信息的采集、 初步处理等，为处理器提供设备的运行状态数据。它由传感器、信号调理电路、 a d 转换器及其它相关电路组成。 3 、数据存储模块 常用的离线式便携诊断设备多在后台进行数据的进一步分析处理，对设备 的存储容量一般要求不高。本系统由于需要具备长时间在线监测设备的能力， 因此需要具备较大的数据存储容量。o m a p l 1 3 8 处理器虽然在处理器内部集 成了小容量的存储器，但远远不能满足该系统的数据存储需求，因此系统需要 在处理器外部扩展存储器。 4 、人机交互模块 作为输入输出设备，人机交互模块对诊断系统的使用性能具有重要的影响。 优秀的故障诊断系统往往具有良好的人机交互界面。它一般包括l c d 显示屏、 触摸屏、鼠标、键盘等。本系统主要包括：l c d 显示屏，作为输出接口，显示 采集信号的波形、频谱图及其它设备运行信息；触摸屏，作为输入接口，用于 诊断系统的操作设置等。 5 、通信模块 随着网络通信技术的发展，故障诊断系统的网络通信能力显得日益重要。 而远程诊断技术的兴起和发展，更显示了故障诊断系统中网络通信的重要性。 故障诊断系统主要通过有线或无线的方式进行通信，与上位机交换信息或直接 9 2 系统的功能分析和设计规划 连接至互联网实现远程诊断。本系统采用有线通信，通信接口包括以太网接口、 串口和u s b 接口。u s b 接口可用于向后台上传数据，实现更为详细、精确的 数据处理。以太网接口和串口可用于构建系统的开发环境，进行系统的开发调 试等。以太网接口还可用于系统的网络连接，给系统提供升级开发的空间。 6 、电源管理模块 电源管理模块主要用来对外部电源进行电平转换，满足系统微处理器和外 围设备等不同的电平需求。用于故障诊断系统的电源通常有两种：壁上插座电 源和便携式电源【l5 1 。壁上插座电源为交流电，它可通过交流适配器转换为直流 电供系统使用，无供电时间限制；便携式电源多为电池或电池组等，可直接提 供系统需要的直流电源，但具有供电时间限制，需要经常更换电池或对电池进 行充电i l6 1 。根据系统长时间连续工作的需要，同时考虑到系统的功耗与一般的 点巡检设备相比较大，本系统选择壁上插座电源供电。 2 2 2 系统的操作系统的选择 早期的嵌入式系统功能相对单一，多采用8 位或1 6 位的单片机，只能执行 一些单线程的程序，不需要操作系统。本系统的硬件平台以嵌入式微处理器 o m a p l 1 3 8 为核心，需要进行对外围硬件设备的控制和管理等工作，功能相 对复杂。因此系统的硬件平台需要配套的嵌入式操作系统，以减轻系统中应用 程序的负担，同时这也有利于降低系统的开发难度，提高系统的可靠性和安全 性【17 1 。 据调查数据显示，目前国际上存在的嵌入式操作系统有两百多种。按照系 统对时间要求的不同，嵌入式操作系统可分为两种：实时操作系统和非实时操 作系统】。实时操作系统对时间的要求非常严格，如果系统在预定的时间内没 有响应请求的事件，就可能导致系统出错。尤其是在航空、航天等行业中，系 统对时限的要求尤为苛刻，这些工程中必须使用实时操作系统。嵌入式系统为 实时系统，但它对时限的要求是柔性灵活的。嵌入式系统允许偶然的超时错误， 但这将降低系统的吞吐量。本系统为嵌入式系统，在运行过程中其功能需求对 时限有一定的要求，因此采用实时的嵌入式操作系统。 目前在市场上流行的嵌入式操作系统主要有：v x w o r k s 、w i n d o w $ c e 、p a l m o s 、q n x 、u c o s 和l i n u x 等。 v x w o r k s 是w i n d r i v e r 公司专门为实时嵌入式系统设计开发的操作系统软 1 0 2 系统的功能分析和设计规划 件，为程序员提供了高效的实时任务调度、中断管理、实时的系统资源以及实 时的任务间通信【1 1 1 。它对系统资源的有效管理，有利于程序员集中精力开发应 用程序。 w i n d o w sc e 是微软公司开发的多线程、多任务、完整优先权的嵌入式操 作系统，它采用模块化设计，对内存资源有限的平台的开发十分有利。 p a l mo s 是3 c o m 公司开发的一款3 2 位嵌入式操作系统，它的内核为抢占 式的多任务内核，用户界面在同一时刻只允许打开一个应用程序。p a l mo s 的 灵活性和移动性很强，多作为掌上电脑的操作系统。 q n x 是q n x 公司开发的一款实时嵌入式操作系统。它的内核遵循 p o s i x l 0 0 3 1 标准，可从零设计，可移植性非常好。它具有伸缩性良好的体系 结构，允许用户把应用程序代码和内核直接编译在一起，生成单一的多线程映 像。q n x 多用于自动化、数据通信、交通运输等任务关键型的领域。 u c o s 是一款源代码公开的实时嵌入式操作系统。它的代码结构十分清晰、 明了，具有很好的可裁剪性和可移植性。它的内核也属于抢占式多任务内核， 可管理任务多达6 0 个i l 。 嵌入式l i n u x 是目前发展最快、应用最为广泛的嵌入式操作系统。l i n u x 的源代码公开，而且它的开发遵循g p l ( g e n e r a lp u b l i cl i c e a s e ) 协议，这就使 它具有良好的更新速度和技术支持。嵌入式l i n u x 的内核可裁剪性很强，内核 最小可达1 5 0 k b 。其中，u c l i n u x 是去掉了内存管理单元的嵌入式l i n u x 操作系 统，它直接访问内存，多用于没有内存管理单元的处理器。 操作系统对诊断系统的稳定性和可靠性具有很大的影响，同时也影响系统 的后期开发和软件维护等。因此需要进行对比分析以选择最适合本诊断系统的 操作系统。可考虑以下几个因素进行选择：操作系统对诊断系统硬件的支持； 选择的开发调试工具等与成本关系密切的因素；操作系统可利用的资源，如a p i 等，丰富的a p i 资源对系统的二次开发具有重要的意义；操作系统的发展成熟 程度和技术支持，成熟完善且具有良好技术支持的操作系统可减小系统的开发 难度，提高系统的可靠性。 在上述各嵌入式操作系统中，v x w o r k s 和w i n d o w sc e 均具有良好的性能 和丰富的系统资源，技术支持和售后服务也很完善，但两者都属于商用型操作 系统，价格比较昂贵，容易增加成本。此外，p a l mo s 、q n x 等也属于需要付 费的商用型操作系统。与之相反，免费的嵌入式l i n u x 和u c o s 则可有效地降 2 系统的功能分析和设计规划 低成本。其中u c o s 虽然短小精悍，但它只是一个实时内核，只能完成最基本 的任务调度和中断处理，其开发难度相对较大。遵循g p l 协议的嵌入式l i n u x 则具有广泛、强大的技术支持和较快的更新速度，且具有丰富的资源和良好的 移植性。 通过对各操作系统的对比分析，同时考虑系统的功能需求和成本等因素， 我们最终选择嵌入式l i n u x 作为本系统的操作系统，在此基础上进行系统的驱 动程序和应用程序等软件的开发。 2 3系统的开发工具和开发环境 2 3 1 系统的开发工具的选择 对系统的功能和结构进行分析和整体规划后，需要为系统选择合适的开发 工具。好的开发工具可以降低开发难度，提高开发效率，起到事半功倍的效果。 1 、开发板 为了便于开发，用户往往以与芯片相对应的开发板为参考样板。开发板往 往具备了芯片的各项功能，并且提供了诸多的外围设备接口供用户进行功能扩 展。用户可以在开发的过程中参照开发板的设计方案，以降低开发难度，缩短 开发周期。此外，在硬件开发的同时，软件开发人员可以先行在开发板上做软 件的开发调试工作，以实现软件、硬件的并行开发，提高效率【1 8 1 。 本系统在开发过程中选择了北京合众达公司的s e e d d e c l 3 8 作为开发样 板。s e e d d e c l 3 8 是基于德州仪器( t i ) o m a p l 1 3 8 处理器的评估套件。 o m a p l 1 3 8 处理器集成了3 0 0 m h za r m 9 2 6 e j s 内核及3 0 0 m h zc 6 7 4 8 v l i wd s p 核，并提供了丰富的外设接口。板上外设主要有d d r 2 ，n a n d f l a s h ，6 路1 6 位a d 转换器，4 路1 2 位d a 转换器。外部接口主要有两个 u s b 接口、一个网口、两路异步串口、两组( 四路) 电机接口、一个m m c s d 接 口、一个液品屏l c d 接口、一个硬盘s a t a 接口以及外部扩展总线【1 9 】。各个 外设和接口的逻辑控制主要由c p l d 来实现。 2 、硬件电路开发工具 嵌入式硬件设计的工具有很多，如p r o t e l 、a l t i u md e s i g n e r 、o r c a d 、 v i e w l o g i c 等。本系统的设计中选用了在国内应用较为广泛的p r o t e ld x p 进行系 统的硬件电路开发。p r o t e ld x p 是a l t i u m 公司在p r o t e l9 9 s e 的基础上开发的 12 2 系统的功能分析和设计规划 一款基于w i n d o w s 2 0 0 0 和w i n d o w sx p 操作系统的e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t i o n ) 设计软件。利用p r o t e ld x p 可进行原理图的设计和仿真以及印制 电路板的设计、布线等，十分便于硬件电路的设计。本系统中主要利用p r o t e l d x p 进行原理图的设计。 2 3 2 系统的开发环境的建立 选择了嵌入式l i n u x 作为本系统的操作系统后，就需要建立相应的软件开 发环境。 在通用计算机上，我们可以直接安装发行版的l i n u x 操作系统，利用编辑 器和编译器等工具进行本机的软件开发，甚至可以实现整个系统的升级。 与通用计算机不同，嵌入式系统往往存在着诸多的硬件上的限制，如处理 器频率较低、存储空间很小，或者缺少鼠标、键盘之类的输入设备等。这些硬 件资源的局限性限制了在嵌入式系统上直接进行l i n u x 系统的开发。于是，开 发人员提出了交叉开发的模式【1 3 】。交叉开发包括开发主机和目标板，其中开发 主机安装有相应的开发工具，为目标板编辑、编译l i n u x 引导程序、内核及文 件系统，并下载到目标板上运行。 本系统的交叉开发环境中，选择p c 机作为开发主机。由于p c 机安装的操 作系统为w i n d o w s 系统，因此在p c 机上另外安装了虚拟机，在虚拟机中运行 l i n u x 操作系统。开发主机通过u s b 接口、以太网接口和串口与目标板进行连 接。连接示意图见图2 2 。 l 开 串口 k 发 蔫 l 1 仿se缓ed器-翟k560plus 串1 2 1 l目 圈 仿真器豳 i _ _斋标 i 主 震 o 目目日日日日 接口l 板 世娑按，u 。 以太网接e l 、暖盈翰鞠斑强强强盈勰嘲糊黜姥糍磁嬲1 _ _ - e 目日g 目目m * e h 嘲 图2 2 交叉开发环境示意图 其中，串口可以用电缆线直接连接标准的r s 2 3 2 端口，通过串口可以向目 标板发送命令、显示信息、传送文件、调试内核和程序等：一般的p c 机上都 1 3 2 系统的功能分析和设计规划 配置有以太网卡，可以很方便地通过以太网接口实现开发主机和目标板的网络 连接，进行快速的数据通讯和文件传输；目标板上的j t a g 接口通过j t a g 仿 真器与开发主机的u s b 接口连接，实现程序的下载和调试等。j t a g 仿真器通 常通过串口、并口、以太网接口或u s b 接口与开发主机连接，本系统的开发中 j t a g 仿真器采用u s b 接口通信。此外，如果有多名人员参与开发工作，可以 架设一台l i n u x 服务器，每名开发人员从客户端使用t e l n e t 或s s h 登录到服务 器进行开发工作，开发板也连接到同一局域网内。 在上述硬件环境配置的基础上，还需安装相应的交叉编译工具链，构建交 叉编译环境。简单地说，交叉编译就是在一个平台上生成在另一个平台上可执 行的代码。交叉编译环境一般包括三部分：编译器、连接器和解释器( 2 0 1 。l i n u x 使用的是g n u 的工具，我们可以通过社区网站下载常用体系结构的工具链， 也可以自己动手编译新的工具链。本系统丌发中使用的是s e e d d e c l 3 8 开发 板的开发软件套件s o n r c e r yg + + l i t e2 0 0 9 q 1 2 0 3f o r a r mg n u l i n u x 编译器， s e e d d e c l 3 8 的配套光盘中为用户提供了编译器的安装文件 a