（机械电子工程专业论文）基于嵌入式linux的机车质量参数监测记录系统.pdf

j 裘交懑太学馥士譬链谵定 a 瑟s 譬融蓉漤 r 矗i l w 蝼蝴找s p o 赡秘l o 娃i 彗躺i m p 涨糊tt 鞠s i t 黼耐e 越洲rc 搬敷l t ，8 避辩翔恻嘲拇夺娃fe o 雅鼗毒猡弩枣耀瞳糙黻凳毒鼍棼举 艇鞋y 鹾量。蠛嗽= 搴袅差萤謦e 鹣 瓣撕谰唰嗡瓣燃溆滞瓤韬醚融歉l 鞋激 弹s sf 漱ll 椭d 滞聚q 黼d 蕊溆妇i ns p e 树蓦i 融b o w 沁如凇斑e 侧黻l 嚣样a n m e 艄s 魏耐i 煳辨嬲ee x e r l 泌ne 髓c 呈e 蚺c y 撞蜮f e d u 端堍尝s ti s 蠛爆l 鲞o 拄越斌e 戡鞘描d # 势毪r 瓣e 瓣，镰瓤笋弩秣1 蛾l l 豁s 勰掰黼自睦蓦a 矗纛 嚣擎舔蠡璐鬈s 薛瞄蠖瑟：酶c o 燕蕊氯 稍拂m a 趣i d e ao f 椭i si 协礅弧船拍a l l t l f & 暾h 摊8 碍u a l 魏y p 8 精黼e 融潜 越。瓣自嘲藏ga 鞋d 辩c o 斑辆gi 掰棚m e n 屯w h i c h 弧h s e d 糖瓣强l t 湃瓣蠖粒撼 t 巍e 瓣a 埝搿魄撅攮e 棼试燃域激b 秘蠛i v e 撑撼癫辖。磊嚣罐摊 辩基藏 滔辣避论蚓滞莲8 纨争辩嘲涵睡器姆瓣臻喇。娃姆蹴搭+ 冁i sp 婶髓删l c u l 诫yp 端s o n 馏t h e n t e mo f 馕eq u 蕊t y ，s p 基鞭蠖哇e l 尊描訇测蛐g 最轻娃靠臻酬l 鞋gs y s l e l 蒜w 臻糕秘go 魏 瓣氧炼a 嚯鞋鼬e 。 甄瓤氢撤熵蛾佼辜端羚醴镞s 潮魏嫦堇嬲锄融囊每霉麓 缸蠢甄黥淑瓣剃$ s 。羲秘瓣穗# 秘醛，壕嚣蓍蟹猕鑫 。耄搬辩畦酶嚣蘸 e q u i p m o n t 嚣i n d u d i n gs d r a m 张a 岛h ，a 肿，瑰c o m m u n i 涨确 薹毪耗髓瓣散畦印s s 醛鹣y 鞋a 弧i 蓦s 黟季e 热镛魅鬟纛i 建。醚l 群l i 矗辇鞠纛 王莓撼i 蜷耋酶c 。癫霉鲑| 随漱泌瞬端建毛凝黼l 馥雠掰鬻撇群蠢f 鹣程瓤 l e 掰p 谶瓣鲢。馥一鞠琏穗e l 嚣s e 赫矗箍巷臻嚣融棼瘫蝴耋。鞋o f 矗罄 t u m i 髓g 为l a m e a l s o ：t h i ss 姆t e mc 嚣n 挂a 致s f e rt h ed a 协t ot l l ep c 。 融腩聪d 醅王赫馘o 嚣纛德瑚嘲畦赚s y 辩髓臻瓣s 糠觏a 糙翻蛹辩。 爨蜡嫩嚣麦e 酵瀚 s 蕊渊嚣鬏蠡论跫搬擞。嫩氇睾塞囊瓣e 蛙辫岛辩 托髓鼢l 黼lt 矗ej f f s 2 蠡治s v s t o 辩 鸯rs v s 埒攒瓤档诤髂l o 摊穗舔# d 氇堪+ t h e 瓤e s s 驰yd e v i c ed 蛀v 枣r sh a v 罄b 嚣。躲d e v e l o p 霉d 。t h e 娃w ec 洲l 譬i n i s h 也e 瓣威删髭鞠耍渤睡擞擎婶轳半搬。越l 争尊睡豁羽稳$ 瓤攀婚删瓤g 娟氇c 藐鹤摊辨纛鞠辍窭l 髓棼舔l 淞p o 蕈酶骖。努嚣蓍测鼙蘸镪蘸籍 g 燃知薇确* c 钮出n 。 a d d i t i o n a i i y ，t l l ev i b r a t i o ns j 驴mh a sb c e na n a i y z e dv i aw a v e i e t t h e o r y i l i t h i s p a p e r 1 鲫w o m s ：a r 9 1 r m 9 2 0 0f 妇b e d d e du n u xd a t ac o l k c i o nw 撕e l e t a 珏越弹l s m 绪论 1 绪论 1 1 国内外现状 在我国铁路运输是一种重要的交通方式，对国民经济的发展起着重 要的推动作用。近年来，随着高速重载的变化，机车质量问题成为影响 铁路运输秩序的重要因素之一。因此，改革检修机制、提高机车运用效 率、降低维修成本，一直是机务部门工作的重点。 传统的计划修制长期以来在机车检修工作中发挥了重要作用。在技 术能力不高的情况下，保守地采用机车运行时间、公里周期基本上保证 了机车的运行安全。随着技术的不断进步和管理水平的不断提高，计划 修制的缺点越来越暴露，这其中包括维修过剩、检修量大、人为故障和 费用过高等。状态修制则是根据对机车的在线监测和诊断所预报的机车 故障状态判断机车劣化程度及发展趋势，确定机车的维修时间和内容。 根据机车状态进行检修并使之智能化已得到国内外专家的普遍认可，这 就需要实现对机车质量状况的监测、记录及分析，达到对机车运行质量 状态的全程及全面掌握。本课题就是要研制一种机车质量信息系统，可 以对司机进行故障报警，并可通过必要的处理与分析，得到有关机车状 态修的数据保障及理论依据。 目前国外机车制造公司对车载机车质量监控系统的研究已经取得 了一定成果，美国的g e 公司和德国的a b b 公司分别开发出了各自的 车载质量监控系统，其特点是智能化车载系统连续评估机车工况，记录 关键的运行数据，通过卫星或其他可靠的通讯方法把数据送到地面进行 分析，国内在这方面的研究也开始起步。而随着检测技术和工业计算机 技术的发展，开发机车车载质量监控系统的技术条件也已成熟。 系统方案设计 1 运行与控制参数的历程记录 车载系统实时采集并存储机车主要部件的工作状态数据，用于机 车故障诊断与超限报警，以及进行地面转存后，对事故与故障做进一 步分析。 2 车载参数趋势分析与报警 对于轴温变化率、转向架横向晃动等参数的趋势变化及故障情况 设置报警功能，而对于微机柜已有的故障报警功能该装置不再重复。 3 地面数据存储与分析 定期将车载数据采集装置内存储的状态参数转存至地面专家系 统，建立故障信息数据库，根据维护需要处理故障信息，研究故障原 因，进行寿命消耗分析。 2 2 2 采集参数的数量和类型的确定 心8 电力机车主要由供电弓网、主断器、变压器、变流装置、电 气电路、牵引电动机、走行部及其它辅助系统组成。“1 机车参数监测 主要有两个目的，一是反映记录机车质量状态；= 是监督机车故障情 况。目前微机柜已基本实现了第二项功能，它对龉8 型机车的主要参 数均进行了实时监测，并通过显示屏进行显示，同时进行故障判断， 一旦发生故障，微机柜将实时指出并协助司机排除。本系统的车载装 置在保留其原有功能的情况下，又做了进一步的延伸，即做到将参数 数据及故障实时监测记录。最终系统监测记录的参数确定如下： 1 微机柜现有信息的提取 一共1 9 种数据，包括2 个累计信息、1 3 个运行状态信息、1 个控 制信息、3 类故障信息；故障信息中细分可以返回6 2 种故障。在此不 再分别列出，详见附录a 。 2 轴温数据 一共包括2 1 种参数信息，其中有1 个环境温度和2 0 个轴温信息， 详见附录丸 3 机车负荷率 根据从微机柜中提取到的电压和电流数据计算实时的机车功率。 5 i 京变遽大学硕士学投论文 机车负荷率悬机车寿命管理的重要参数，也为机车状态维修的数学推 辣模型提供了熙科学依据。 4 。受毫弓豹枣线率 用以分丰斤与其相关的其它敌障原因。 秃参数即可得到受电弓的离线率。 5 主断器通断次数 圭羝器发黧逶叛对箕寿套影骢穰丈， 命管理提供依攒。 通过统计微机框中的网聪肖 绞诗该参数蕤够秀主聚嚣澎 6 接地次数。 接地次数也是影响机车寿命的一个熏疆参数。 7 。列车鹫疆力帮裁动激蘧力。 提取这两个参数的目的怒保障行车安全。 8 转向槊振动量。 测量转向架上的振动傣号，进行转向槊敬蹲的判颛以及对车晃恃 溅逡行分辍。 2 3 处理器和操作系统的选型 在处理器选滋上，选定7a t n l e l 公司款工韭级的3 2 位处璎器 瑚r 9 l r m 9 2 0 0 。 t 9 1 r m 9 2 0 0 芯片采用了a r m 9 2 0 t 内核，铷姝厦9 2 吖 是a r m 公司a r m 9 系列中的一个类型。a r m 公司是知识产权供应商， 零巍不生产芯片，靠转诖设诗诲霹，壶含 譬饮锌公司寒叟产蚤其特毪瓣 芯片，a r 9 1 r m 9 2 0 0 即是a l m e l 公司推出的一款工业级a r m 9 处理器。 a r m3 2 位体系结构目前被公认为是舭界领先的3 2 位嵌入式r l s c 微处理器核。a r m 核以其离性能、小体积、低功耗、紧凑代码密度和 多傻鑫褰嚣著名。a r 麓微憝懋器，已速及王泣接铡、濮爨类电子产惑、 通信系统、网络繇统、无线系统等各类产晶市场，基于a r m 技术的微 处躐器应用约占据了3 2 位r l s c 微处理器7 5 以上的市场份额， a r m 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。”1 a r m 9 系列微处瑷 器焱麓毪麓移低功耗穗瞧方瑟提供最佳的瞧怒。箕5 缀熬数滚承缓，撵 令执行效率更商，全性能的m m u ，支持w i n d o w sc e 、“n u x 、p a l mo s 6 系统方絮设计 等多种主流嵌入式操作系统。采用a r m 9 2 0 r r 核的烈哼1 蹦9 2 芯片非 常适合于系统控制以及通讯领域使用。阃时，也适合于汽车、医药镎领 域。 在嵌入式操作系统上，零系统选臻澈入式班蛐x 。蘑蠡，诲多蔫名 的嵌入式操作系统己经支持a r m 系列的芯片，如v x w o r k s 、n u d e a u s 、 w i n d o w sc e 、p s o s 、嵌入式l i n u x 和c o s 等。由乎它们的结禽，用 户熊够开发如箍向多个领域的电子产懿如低端路踟器、家用测哭、 w e b 毫话、倍怠家毫、务穗使携式终端产品等。魄帮p s o s 铎系 统以功能强、性能可靠而被大量用于通信和个人手持设备中，但用户使 用它们的开投费用和产品价格稍显昂贵。这些商业的实时操作系辘，比 皴v x w o 呔s 秘d e a h s 等份格普遍比较暴爨，丽盈瓣娶戮翅翡c 缡译 器帮相关静调试工兵。丽豫牟e o s 珏等煞费翡实霹搽律系统，又没稀缀 好的文件系统和t c m p 协议的支持。 所以，就本系统的应用特点而言，嵌入式l i n u xw 以说是最食道、 拣徐迎最熹瓣搽撂系统。嵌入式l i 硼x 的凌核敞底层提供对硬箨麓支拷， 建成对硬件模块的驱动，搽作系统的构成主要包括礴络系统、文件系统、 内存管理、进程调度和进襁问通信等子系统。另外，它还提供开旋上层 应用程序的接口。选择“n u x 以后，有很多“n u x 下狮的资源都可以直 接使建，省帮了专f j 编写驱动熬霹趣，趣块产品豹磊秀发进度。 3 2 位遥禳垄a 固l r m 9 2 芯片与嵌入式“n u x 的结台就使褥成本 较低、性价比商。其一，开发的软件和磷件成本低；熊二，有较劳的开 发样板供参考，用户不需张太多的时间用于研究每一个细节，缩短汗发 瘸麓；其三，系统静胃维护瞧荮，产藩擞麓挟芪互裕爨少，骞裂予密场 巍争。 2 。4 系统方案的确定 2 4 1 车载系统技术路线 撬车震豢参数车载簸溯记录系统囊簧浚参数实辩鼗瓣记录凳象， 车载系绫蠖传实瑗 3 1 基于a 阳1r m 9 2 0 0 的生控系统 3 1 1c p u 简介 a r m 当兹有5 个产晶系列：a 致m 7 ，a r m 9 ，a r m 9 e ，a r 麓l o 和s e c u f c o f e ，a t r n e l 公司的筒f 9 l 鬏m 9 2 0 0 餍予a r m 9 系弼。在介绍 a t 9 1 r m 9 2 0 0 之前，先涞更详细地了解一下a r m 9 系列处理器的特点： 5 级整数流水线，指令执行效率更高。 撬供l 。l 醚l p 影狱越z 豹豫臻结稳。 支持3 2 位a r m 指令集釉1 6 位t h u m b 指令集。 支持3 2 位的高速a m b a 总线接口。 全性能的m m u ，支持w i n d o w sc e 、u n u x 、p a l mo s 等 多毒孛主滚嵌入式撩季# 系绞。 m p u 支持蜜时操作系统。 支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有飘离的指令和数据处理 能力。 a r 9 1 r m 9 2 0 0 是a t m e l 公司予2 0 0 3 年推出的一款工业缀高性能 处理器，适用于无线设备、仪器仪夜、安全系统、机顶盒、瀚端打印 机和数字摄像机等。它采用了a r m 9 2 0 t 内核，通过全面豹、趣用豹 冀上蛰设，不毽强大遗丰塞了片上瓷溪，爱时减少了系统宅耱中除处 理器以外的器件配置，从而最小化了系统的成本。a ：= r 9 1 r m 9 2 0 0 的内 部组成如图3 2 。”3 1 1 北京交通大学硕士学位论文 3 t x d 数据发送 4d t r 数据终端准备好 5g n d 地 6d s r 数据设备准备好 7r 鹏 请求发送 8c t s 清除发送 9r 1 振铃指示 要完成最基本的串行通信功能，实际上只需要r x d ，t x d 和6 烈d 即可，但由于r s 2 3 2 c 标准所定义的高低电平信号与主控系统的 i 、t h ，电路所定义的高低电平信号完全不同，i m 的标准逻辑“1 ” 对应2 v 0 3 v 电平，标准逻辑“o ”对应0 v o 4 v 电平，而r s 2 3 2 c 标 准采用负逻辑方式，标准逻辑“1 ”对应5 v 一1 5 v 电平，标准逻辑“o ” 对应+ 5 v 叶1 5 v 电平。显然，二者之间要进行通信必须经过信号电平 的转换，本系统选用了s p 3 2 3 2 e c n 作为电平转换芯片。 3 3 2u s b 通信接口 车载数据采集处理系统要将采集和处理的大量数据传送到微机 上， r s 2 3 2 接口存在着一定的弊端。而作为计算机接口之一的 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 接口，具有热插拔、速度快、可以连接多个 外围设备的特点，能够较好地满足系统要求。 栅1 r m 9 2 0 0 本身带有两个u s b 主口控制器m h p ) 和一个u s b 从口控制器( u d p ) ，本系统选用了一个u s b 主口控制器。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 内部集成的u s b 主端口控制器m h p ) 完全符合开放 h c l 规范( 0 p e nh o s tc o n t f o l l e ti n t e r f a c e ) 。集成有根集线器( m o t h u b ) ，收发器( t r a n s c e j v e r s ) 流传输端口( d o w ns 骶a m n s ) 。具有 以下特性： 符合开放h c i1 o 版本规范( o 口e nh o s tc o n t r o l l e r i n t e r f a c e ) 。 符合u s b2 o 版本全速和低速传输规范。 同时支持低速1 5 m b p s 和全速1 2 m b p su s b 设备。 车载囊毪诨堑慕掣 l ! 签爱噩 霪卺茗器举j 潞张浠潞蓄譬”* 鍪| | 雾萋奠j 蠹罩默一酹蠢截 瞻碧不f 蓦霉葡翳 i 巍望鬻妯；骛魁仔型击努； | ? 磊攘强蓄了萋 霾萧i i 蚕魁缵锹竖蒿掣灌愿夔羹蔷i 蘑茹i 菲粗n 鹩弱鞠阿 捐揖蜘氍基驯甜熊躞矍k 心豢鲤熏薹雾萋口鋈錾鍪攀聂蓊i 冁震嶝 | l i 强；萎：l 拙薰翟：；i 錾蓍蠢鬻ji 目i k j 囊墨般g 霆! 篓薹越碍罪瓤， 丽禁蠢绿铲j 拍一址吲s 至弼陌刨憾一磁强懋曜篓氘翻氍闹彩： 系统升级扩展的需攀嚣藉蓉；爨篓丽黼瓤朝羹嵌不亩以以l 纠必晶鳗 锻篓。静鸯e 置朝i 萎鬃螂趔繁溺，藩卞溶创这懒弗誉霪曼霍鼹矧鞫 爹。甄占闻剿雯瓤虱划耄鹅翼稀鞘巷，协议沼连0 垮墨- 薹灞偌； 圈嗣酮静画垂晒鼎锄鬟；麓鏊型琴驽i i i i i 剥薷鐾蠢醐! 疆孺灞淄捌港衙 警唧。麓馏；必锅；警薯篓骥谰堪黼黝乏埋率为；郛轿殆一甭供 了fifo缓冲区。除此之外，还为物理层(ph羹!管理提供了mdiom d c 接口。依据引脚的配鼍， emac能够以mii(m c d i a - i n d 印e n d e n ti n t e r ；主c e ) 或r m i i i i e d u c e d m e 主；磊；毛d e 囊翥n d c m i m c r x l 裘交疆丈学矮圭学镶瓷支 符合m b b 标准8 0 2 3 。 l om b i t s 戚l o o m b i t s 每秒的数据吞【嫩能力。 全双王窝睾双工王 睾模式。 为物理层掇供m i i 和r m i i 接口。 提供地址、数据和控制锝存器接口。 d m a 控制接口。 鬟毒搂浚淡送竞擎嚣产生中薮蕊号熬耱麓。 在传输数据时具有自动填充和c r c 生成功能。 通过m d m 接口支持物理层的管理。 从硬件的角度看，以太嘲接臼电路主爱由m a c 按制器和物理屡 羧鬈鼹太部分搦藏。该设计串，健凄芬m 9 1 6 l 终麓黻太鬻翡蘩鬓藤 接口芯片nd m 9 1 6 1 是一款低功耗、高性能的c m 0 s 芯片，它究成 所有输入输出数据的编码解码，1 0 b a s e t 采用m a n c h e s t e r 编码； l o o 器a s e - x 采髑4 b 5 b 编粥；1 b a s e 料采用8 b 6 t 编礤。由予 d m 9 1 6 l 耱艄l r m 鸵爨有的e 泰l a c 帮支持醚l l 接露功黥，穰 据信号的定义相连接即可。信号的发送和接收端通过网络隔离变聪器 和i u 4 5 接口接入传输媒体，实际应用电路如图3 7 。 车载系统硬件实现 3 4 人机接口部分 341液晶显示屏图3 。7 以太网电路图 液晶显示器(uquidc r y s t a ld i s p l a y ，l c d ) 具有显示信息丰富、功 车载系统硬件实现 3 4 2 键盘 键盘是实现人机联系最简便的输入设备。本系统采用的是4 3 矩阵键盘，通过外扩b c 7 2 8 0 8 1 ，只占用3 个通用i o 引脚。在一般 的应用系统中，系统感知按键状态变化的方法有轮询法和中断法。轮 询方式通过把按键开关直接连接到系统外部i o 总线上，使程序以访 问外部端口的方式获知总线状态，然后再读取按键开关所连接的位， 从而判断出按键的状态。程序不断地读入外部端口的数值，如果有改 变，就可以判断按键己经按下或者被放开。中断方式把与按键相连的 i 0 使能中断，若有按键按下触发i o 中断，系统从而获得按键信息。 本系统采用轮询法。 车载系统硬件实现 3 4 2 键盘 键盘是实现人机联系最简便的输入设备。本系统采用的是4 3 矩阵键盘，通过外扩b c 7 2 8 0 8 1 ，只占用3 个通用i o 引脚。在一般 的应用系统中，系统感知按键状态变化的方法有轮询法和中断法。轮 询方式通过把按键开关直接连接到系统外部i o 总线上，使程序以访 问外部端口的方式获知总线状态，然后再读取按键开关所连接的位， 从而判断出按键的状态。程序不断地读入外部端口的数值，如果有改 变，就可以判断按键己经按下或者被放开。中断方式把与按键相连的 i 0 使能中断，若有按键按下触发i o 中断，系统从而获得按键信息。 本系统采用轮询法。 _ 容交通大学磺虫学位埝文 4 车载系统较 牛实现 在本帝中，主要农碱件设计电路的基础上氮钝系统的软伟系统 鹎建争软棒编程，表完戍系统的整体鳓能；务绞；盘鼹强绕“n u x 操锋 系统砖褥楚、强秘x 凌备蕊番务舞和系统软箨鼹实现避绦矛。其孛 系统软件的实现分驱动程序和应用程序两天块。蕊动程序部分宽成系 统中涉及到的硬件驱动的编写，而应用程序重点介锯了系统主程序、 通信程序和采集程痔等部分曲内容。在本章的最磨，对驱动自动加裁 和程痒鸯露魏费电遘行了撩美牵缮。 4 1 系统软件功能 车载虢涮记录系统软件，主要确能为监溅并记录醛。机车的鬟要 信息参数，所有程序均聚用c 语言柬编写，具有技瞩的数据处媸功能 秘毒瑗捧 x 车载系统软 拳实现 3 ) 人机接口 人机界灏主要是显示系统的操作菜单，分两级菜单，操作人员可 戳透过按键对菜单送孬攥终选择，毙妻瑟系统设霆、数据采集、数攥逶 信等等。嬲外，当数舔融现一些危酸范围内的值，如横向振动较大或 轴温超限铸，可以发出警告，提示操作人员。 4 ) 抗干扰功能 系统程硬静莰墨菝予撬凌戆兹蒸戳上，增翔了较婷菰于挽凌戆。 通过“看门狗”可双确僚系统在出现毵枫情况下，也能自动复饿启视， 继续髓测记录数据并追加到原来的数据文件，无稀人员看护操作。 4 。2 基予0 n u x 麓支持软臀系统豹构建 个兜整的嵌入式“n u x 的软件系统通常分为四个部分；弓i 导加 载程痔、焱n u x 内拔、文静系统窝瘸户程序。这擞糖兹三部分猿为支 持较徉系统，首先送行分绍，臻户程序在后嚣进行分绍。 4 2 1 引导加载程序b o o t l o a d e r b o o t a d e r 是系绕加电后运行的第一段代码。可以借鉴一下p c 机中的引姆加载程序，它由b 1 0 s 和位于硬盘m b r 中的o sb 0 0 t b a d e r ( 比如，u 1 _ o 釉g r u b 等) 起组成。b l o s 在完成嫒传捡 涎纛赘深分配蓐，将琰纛m b r 中熬弱o tb a d e f 读妥系统静款a 醚 中，然后将控制权交给o sb 0 0 tl d a d e r 。b o o tb a d c r 的主要任务是 将内核映袋从硬盘上读剿r a m 中，然后跳转到内核的入口点蠢运行， 躲开始扇渤摄作系统。在嵌入式甄统中，出予没有类似b 妁s ， b l l o a d # r 完成整个警l 霉期载启动佼务，即完成b 1 0 s 稻0 s 韵o l 0 a d e r 的功能。 b o o t l a d c r 是严黧地依赖于硬件而实现的，硬件体系的多样化也 遣赣了各犟申每榉豹b o o l 轴翻e r ，如a 釉b o o t ，冀羹i ! x 车载系统软联：实现 m a k co l d c _ 。n f i g m a k c m e n u c o n f i g 擞a 酶d 颦 m a k ez l m a p r e 通过m a k em e n u c o n f i 鐾选择需要的选项，完成对“n u x 内核的裁剪， 这里截取了配置乙i n u x 内核主菜单灏面如图4 2 。最后经过m a k e z h a 客c 楚霹缮裂适合爨鬟兹班珏h x 蠹孩镜豫z l 翻a g e 。 4 2 3 根文件系统 嘲4 配置“n u x 内核主菜单藏霹 班曩l | x 恣按已经移耩完毕，毽其志簧受蠢遴稷豹璃疫襄警爨，要 您使h n u x 难常的工俸，需有一个根文件系统。襁文件系统的作用是 存放了各种工具、应用程序、i n i t 程序、必需的库和需要加载的模块。 在本系统中采用了常用的r a m d i s k 米建立根文件系统。 酬戮纛，颓名器义藏是蠲蠹存室阉寒攘按遗硬盘分嚣。 r a m d i s l 【通常使用磁煮文件系统( 如本系统使用的懿1 2 ) 的压缩镜像 3 l 车载系绕软 警实现 4 2 4j f f s 2 文件系缆 由子系统需要存镶数据，仅商一个妊磁d l s k 豢统是满足举了功 能需求的，最终选择了狮d i s k 和j f f s 2 两个文件系统，数据文件 都保存在j h s 2 分区中。 疆舔2 娜臻越| n gf l a 姥援l es y s 靶mv 2 ) 是一季孛闵存文律系统，缝载 j f f s 2 文讳系统以后，谤阉f l a s h 上静文侔可蔽像p c 梳中访海疆盎上 的文件一样，非常方便。其主要特点有： 擞持数据压缩。 撼供“损耗乎，黉”。蜜予琢a s h 骞一定豹擦篝次数，为了绦证 麓中的菜块不蕊子过旱损坏，有必要在所有块中尽可能地平 均分配擦除次数，这就是“损耗平衡”。 支持多种节点炎型。 爨蹇阗存裁蠲攀，辫低痰存溪糕。 接下来的内容实舔上也是在内禳移植的过程中完成，只怒单独疑 出来而已。j f f s 2 的移横过程如下： 1 修改设备号 奁毯粼x 系统孛，我酝设备窝馘糟b l o 文浚畿鼹主设备芍舔是 3 l ，j f f s 2 并不是本系统的根文件系统，需要修改主设备号，滚里改 成了3 0 。 2 添加m a p 文件 这一疹瓣主要表察露定义秘a s 氧豹蒸逮蛙、丈夸帮宽度，迩骞薅 f l a s h 进行读写的一些函数。值得注意的一点是f l a s h 的分区倍惑，本 系统把f l a s h 分成4 个隧域，分别为b o o t l o a d e r 及崩动参数、u n u x 内 梭、r a m d 醛k 和j f f s 2 ，分区结构如图4 3 。 孙0 t l o a d e r l i n u xk e m e l r a m d i s k 童f f s 2 圈4 3 n a s l l 分区结构圈 j 京燮遇大学硬士学擞论文 3 将配鬻加入。l m e w r i v e r s ，m t d m a p g ，c o n f i g i n 中 4 修改m 8 k e f i l e 文件 5 。酝量蠹核镬其支持 饿2 这部分内容包括m t ds h p p o f t ，d e b u g 西n g 及其子项， m 懈o m f 1 躺hc h i pd r i v e r s 疑其子项，m a p p i n gd r i v e r 8f b rc h i pa c c e s s 选项，f j ks v s t e m s 选项等。 蠹孩耱配爨支跨j 粥2 叛爱，壤译内犊。髯透过搬燃l 臻2 工熬 镱作一个j 骶s 2 文件影像。j f f s 2 文镩系统的移植工谗就完成了。 4 。3l 汹u x 设备驱动程序余绍 4 3 1l i n u x 设备管理简介 系统谲霪怒缣传系统蠢犊秽应用程窿之鬻翡接西，藤设冬驱羲稳 序怒操作系统内核和设备硬件之间的接口，设备驱动程序为应用程序 屏蔽了所有硬件的细节，这样，在应用程_ i 葶看来，硬件设备只是个 设餐文彳孛秽有设备都在嗣e v 下) ，应用翟膨可以像操终蛰通文件撵 对磺释设备避符搽终，可淤便舔o p e 珏，辩撕等系统诞照来操俸竣镰 文件，如o p e n ( ”，d e v ，t ，o 小d w r ) 等。此外，设备驱动程序是内核 的部分，它需要完成以下功能： 黠设备初始纯积释放； 凳数据致魂孩传送骛硬件帮款硬释读彀数据f 内棱秘设备之闯静 数据传递) ； 读取应用程序传送给设镶文件的数据和回送应用程序请求的数据 ( 肉接空竭秘羯户空超弱数握建递) ； 测试和处理设备出现静臻谟。 目前，设备驱动程序通常可归类为以下三种类型： 1 、字符设备 以字节为攀德；只能按瑕廖访阁连续鼓掌蟹，可戳程次润i 援 僚审传送任意大，j 、的数据；不魔缓存。 车载系统软传蜜瑷 2 ) 块设备 以块为单位；允许随机访问块设备中存放的块；可以在一次u o 绦露孛旋遴嚣定夫， 、豹数撬块；多攥缓存按零。 3 1 网络接翻设冬 有些i o 设备没有对应的设备文件，如网卡。因此应用程序和网 络接口之间的数据通信不是基于标凇的有关文件的系统调用，埘是基 予呔e | ，b 巍d ，l i 蹴藏，8 c c 锋嬲n 矗e 露系绽诿建。 对于个设备，它w 戳在d e v 下酾存在一个对陂的逻辑设备常点， 这个节点以文件的形式存在，但它不是普通意义上的文件，它魁设备 文件，更确切的说，它怒设备节点。这个节点是通过m k n o d 命令建立 豹，其孛攒定了主设蚕譬巍次设备零。主设沼连0 垮墨- 薹灞偌； 圈嗣酮静画垂晒鼎锄鬟；麓鏊型琴驽l ；! j 1 剥薷鐾蠢醐! 疆孺灞淄捌港衙 警唧。麓馏；必锅；警薯篓骥谰堪黼黝乏埋率为；郛轿殆一甭供了f i f o 缓冲区。除此之外，还为物理层( p h y ) 管理提供了 m d i om d c 接口。依据引脚的配鼍，e m a c 能够以 m i i (m c d i a - i n d 印e n d e n ti n t e r f a c e ) 或r m i i ( r e d u c e dm e d i a i n d e p e n d c m i m c r x 建絮交避太擎硬圭攀寝论变 也比较简单，熙需调用函数r e a d ( ) 和w r i 协o 就可以丁。r e a d o 和w r i 协o 避数内邦通过对相应设备地址( 这里为纛撤地址，这个缀璧婴) 的撵作， 然嚣莓透过嚣砖宏p 艮l 钆n 辩、争k 鼬遗i 珏s 螂帮p 畦醛哟、 盥e tt l s e 玲实蕊内核空间和用户空间之闯酌数据交换。 钔设备的控制操作 在珏n 蛾下，j o & i 控制操作是驱动程序提供豹巍宅遥葶亍对设鬟鼗 检索塌冀刮。囊鳕烈潍薹e ；獬誉委屿薹蠢受藿剖稀嘏掰嗜强盘珞 崩儇涵， 薹i 墓，蠹嚣鍪薹鎏 羹攀萋 彗懿孰翳笈肾匿慧芏侄强一铎蔷基祷0 瓠i 笛瞧滢氧弱剽甄照j 渚湮登蔷邑瓢；醚妊繇塑羹藉显撑剪餐垦：郾勤嚣强骚转叫鄹翳牲萋j 醋婆萋誉漏管雩i 偌霆吣 贮鬟群壁蓠贮骡醵群囊薹堑，函萋m 筵 嚣囊蠢裂基零舅型剽i 借蝰簪落五一葛弦聪皑始泓建刊蕃黼i 歹0 驱动 舞 耗：模块自带负电源及逆变器1 6 m a c m l 2 8 6 4 - l c d 模块硬件构成见图3 8 。其中i c 3 为行驱动器，i c l 和i c 2 为列驱动器。 2 4 8 图3 8c m l 2 8 6 4 l c d 模块硬件构成 v e e 内藏 负压 电路 零州 x i 痰交遵走学矮士学经谂文 w r i t c o 函数先利用c o p 扎f r o m u s e r ( ) 把数据从用户空间传到内核 嶷间，然后查询s p i 发送数据寄存器是磷已空，如果融空，就将数据 簿翻发送数攒鬻存爨中。 如果内核窄间和用户空间之间的数据交换为单个数据时，应辫蠲 更快的p u i u s e r 0 和g e t l j s e r o 。 3 ) 设备注册峰注销 矗国驱动程净戆注黪与注镑麦褰沈较擎一，灵甏遥遘落溺 r e 西s t c r 瑚f d 。v o 和u n r e g i s t e k c h r d e v ( ) 柬炭现。 2 t c 驱动的编写 魍1 r m 9 2 内部自鞲有一个三通邋的】6 位寇慰计数器，不鬻 隽扩。 n 设备的打搿与释放 o p e n o 函数除了完成t c 的初始化和使用次数加1 外，还要党成 t 0 中断豹注魈。对t e 麴期始化包括将对应l o 配嚣成辨设接口、配 嚣硇0 觳工作模式、簿镑选择、霹：饺靛、傻憝韵0 巾断熬鬟 a i c ( 怂r a n c 矾i n t e r i u p tc 0 n t r o l k r ) 的相殿选项，这照所有的操作城址 仍均为u n u x 下的虚拟地址。t c 中断的波册通过r c q u e s u r q 0 来实现， 她嚣数有两个魄较重要的参数：中断号秘中断处理函数匈糖。编麓程 痒霹器婺穰据磺件资程我裂e 对应鲢审酝号，孛装鸯苓正确产笺不 了中断。中断处理函数遵循功能简单的原则主要完成中断标志置 藏筹廿 滑中断。中断处理函数如阁4 4 所示。 f e l e 豁哟灏数主要完成氍：控毒4 器彝献c 控剞器熬释放、使翅次数 减l 巍孛繇静滚销。中断的注镑通遗f f e 钆i 蠲( ) 函数米建成。 2 1 读设备操作 r e a d 0 函数里主要是通道p u l _ u s e r o 函数将中断标虑从内核空间发 送翼| 薅户空鞠，并渣除中断据惠嬗。 4 0 车载系统软件实现 a ；卜。砂( 掣陟 ( 5 3 ) 吒口 由上小节知道小波函数具有“波动性”的特点，因而，从形式上 看，函数或信号x o ) 的小波变换胛j 0 ，6 ) 表征的是工o ) 在f - 6 点附近 按妒。 o ) 进行加权的平均，体现的是以妒。( f ) 为标准z o ) 的快慢变化 情况。 实际计算小波变换时，往往需要把尺度参数n 和位移参数6 进行 离散化。二进离散是普遍采用的离散方式。二进离散后n 。2 ， 6 - 2 ，七，七z ，离散化的基本小波变为 妒，女o ) 一22 妒( 2 1 f 一七)( 5 4 ) 这样，时变信号x ( t ) 的二进离散小波变换定义为 讳t ( 2 ，2 七) - 2 一p o 砂( 2 7 f 一冲( 5 5 ) 4 r 小波分析在振动信号分析中的应用 3 小波变换与时频分析 小波函数妒。o ) 的时频窗为 陆瑚， ) ，m 峨) 】 ( 气一州气+ a 】，窗口中 心为p ，甜口) ，时窗和频窗宽分别为口，和4 。可见，对于低频 信号( a 增大) ，时间窗变宽而频率窗变窄；对于高频信号( a 减小) ，时 间窗变窄而频率窗变宽。因为频率与每单位时间的周期数成正比，所 以取一个窄的时间窗可以更精确地确定高频现象，而取一个宽的时间 窗可以更充分地分析低频特性。小波变换正好满足时频分析中自适应 可调“柔性”窗的要求，克服了加窗f o u r i e r 变换“刚性”时频窗的不 足。 石o ) 的小波变换则是提取了z ( f ) 在时频窗 陆瑚， ) m 嘶峨) x ( 气一州气+ 铂中的那 部分时频信息。具体地说，信号x ( f ) 的小波变换胴： ，6 ) 自适应地提 取原信号在“时间段”p + 口一，) ，6 + 口+ ，) j 内和“频带” ( 气一；) 肠，气+ ) n 内的时频信息。这体现了小波变换特有的 时频局部化能力，它在故障诊断和信号滤波方面有重要意义。 5 1 2 多分辨分析 多分辨分析( m u l t i r e s o l u t i o n a n a l y s i sm r a ) ，又称为多尺度分析， 是建立在函数空间概念上的理论，但其思想的形成来源于工程。多分 辨分析从空间的概念上形象的说明了小波的多分辨率特性，将此之前 的所有正交小波基的构造法统一起来，给出了正交小波的构造方法以 及正交小波变换的快速算法。 北京交通大学硕士学位论文 关于多分辨分析的理解，在这里以一个三层的分解进行说明，其 小波分解树如图5 1 所示。 图5 - 1 三层多分辨分析树结构图 其中，s 代表原始信号，爿，f ；1 ，2 ，3 代表低频信号，d i ，f 一1 ，2 ，3 代表高频信号。从图5 1 可以明显看出，多分辨分析只是对低频部分 进行迸一步分解，而高频部分则不予以考虑。分解具有关系： s 旬o + d 3 + d 2 + d 1 。分解的最终目的是力求构造一个在频率上高度逼 近工2 空间的正交小波基，这些频率分辨率不同的正交小波基相当 于带宽各异的带通滤波器。 定义：设帆；，z 是俾) 上的一列闭子空间，o ) 是三2 限) 中 的一个函数，如果他们满足如下的五个条件，即 1 单调性：c + 1 iv ，z 。 2 唯一性：ne = o 。 i z 3 稠密性：( u y ，) 一2 僻) 。 i 冠 4 伸缩性：， ) 讳，( 2 x ) + 1 ，vj z ；伸缩性体 现了尺度的变化、逼近正交小波函数的变化和空间的变化具有一致 性。 s 0 小波分析在振动信号分析中的应用 5 可构造性：如 一，1 ) ；n z ) 构成予空间的标准正交基。那么， 称 ；，z j ；驴 ) 是工2 ( r ) 上的一个正交多分辨分析。 有多分辨分析的定义，容易得到一个重要结果 协，。2 ，2 驴( 2 ，工一h ) ；n z 即函数族 ( 5 6 ) 是空间的标准正交基。 由于o ) k ，而且k 有标准正交基动( 缸一，1 ) ；n z j ， 所以，必存在唯一的系数序列 j l 。；n z ) z 2 ( z ) ，使得 庐o ) - 2 。妒( h h ) 通常称它为尺度方程。 葱 另外，待构造的小波函数妒o ) k ，应该存在序列 g 。；n z ) ，使得 妒( 石) - 压荟g 一妒( 缸一n ) ( 5 7 ) 称之为小波方程。 5 1 3 小波包分析 小波变换的时频窗自适应性导致了“高频低分辨”问题，即在高 频频段其频率分辨率较差。这一点从多分辨分析树结构图中也能看 出，小波分析将原始信号分成低频和高频两部分后，在下一层分解中 只对低频部分进行分解。而小波包分解除了对低频部分进行分解外， 还对高频部分进行分解，因而比小波分解更为精细，成功地解决了小 波分析固有的“高频低分辨”缺陷。 5 1 北京交通大学硕士学位论文 小波包是由c o i f m a i l ，m e y e r 和w j c k e r h a u s e r 通过推广多分辨分 析与小波间的联系而引入的。定义子空间u ? 是函数“。( f ) 的小波子空 间，而u i “是函数“。( f ) 的小波子空间，并令“。满足下面的双尺度 r 卜翟以。r - ( 5 8 ) 卜1 ( f ) = 压荟刚胎叫 一 p 。筌以口以 ( 5 9 ) 撕乏刚艘“) 。“ 定义：由式5 8 构造的序列缸。( f ) ( 其中尼z + ) 称为由基函数 “。o ) 驴p ) 确定的正交小波包。由此，小波包从岳。o ) 是包括尺度函 数h 。( f ) 和小波函数h 。( ) 在内的一个具有一定联系的函数的集合。 1 l ，卅。o ) 一2 77 2 叱( 2 一f k ) ( 5 1 0 ) 其中，取( f ) - 2 2 “。( 2 7 f ) 。相对于二进小波q ，。8 ) ，小波包除 了离散尺度，和离散平移女两个参数外，还增加了一个频率参数 ，l - 2 。+ 朋。正是频率参数m 的作用，小波包其有随，增大而变宽的频 谱窗口进一步分割变细的优良性质。 北京交通大学硕士学位论文 表5 2 机车转向架构架横向振动特征向量 券 层3 0己，e 船e 3 3岛e 3 5e 3 6毛， 1 1 8 。2 2 0 31 9 0 7 7 49 2 4 5 71 4 1 4 6 83 6 2 1 15 9 5 2 65 6 9 8 25 8 8 0 0 21 8 1 9 5 61 9 1 3 5 38 8 4 5 31 2 9 0 4 23 4 9 2 15 6 3 9 35 6 1 3 35 5 6 8 1 31 8 0 0 2 02 0 3 3 1 79 5 0 7 51 3 7 5 8 13 7 4 0 05 8 6 4 05 5 5 4 85 8 5 3 0 41 8 。7 2 柏1 8 6 3 3 99 0 1 1 81 3 7 5 4 23 。4 6 6 36 0 1 4 95 6 7 9 9 5 7 2 2 0 5 1 8 5 8 1 12 0 3 6 2 89 5 2 3 11 3 3 3 5 53 8 2 9 05 6 加95 1 2 2 55 7 3 2 1 特征值 1 8 3 4 4 61 9 5 0 8 29 2 2 6 71 3 5 7 9 83 6 2 9 75 8 1 8 35 5 3 3 75 7 5 1 0 容差 1 0 6 5 72 8 2 7 01 0 7 1 41 6 9 6 9o 5 5 8 80 6 4 4 40 9 4 7 20 4 4 4 3 通过表2 的试验结果，可以看出，试验结果具有良好的重复性。 可见用小波包分解与重构，能够有效地提取信号的特征成份，基本上 可以表征一定条件下转向架的振动状态。 本小节从工程应用的角度探讨了小波变换在机车振动信号处理 中的应用。在信号消噪方面，用小波进行信号的消噪可以很好地保存 有用信号中的尖峰和突变部分。在状态监测方面，有效地利用了小波 包技术，从细分频带能量的角度建立了系统的状态特征向量，可以对 转向架工作状态进行监测和故障诊断。 北京交通大学硕士学位论文 2 外部噪声。 外部噪声是由电子系统外部所产生的噪声，这类噪声主要有下列 两类：自然界噪声和来自其它设备的噪声。 噪声源所产生的噪声之所以能够干扰正常工作的电子系统，是因 为存在着一定的传播途径即耦合通道。在分析噪声干扰问题时，必须 首先搞清楚噪声源是什么，接收电路是什么，噪声源和接收电路间是 通过怎样的通道耦合的。噪声的主要耦合方式有：电场耦台、磁场耦 合、电磁耦合、公共阻抗耦合、传导耦合和漏电流耦合。 6 1 2 系统内部干扰源 对本系统来说，可能来自系统内部的干扰源有： 热动干扰。电阻元件在不合适的温度下由于热运动产生的干扰， 它随温度的升高而增大。 元器件的物理噪声干扰。包括晶体管内部产生的动态噪声，元器 件质量或特性不良产生的噪声干扰及接插件和开关的接触不良等 所产生的干扰。 由电路参数及工作点选择不当引起的振荡或波形畸变。 感应干扰。由于电路中的布线和元件安装位置不合理所引起的相 互间的电场感应、磁感应和电磁感应干扰。 接地干扰。由于导线电阻，可能使电路中的两个接地之间存在电 位差，严重时可导致系统逻辑错误。 l ，o 通道干扰。通过与主机相连的输入通道、输出通道及与其它主 机相连的相互通道进入。信号本身可能从一个通道的信号窜入其 它通路而成为干扰信号。 6 1 3 系统外部千扰源 工业生产中的干扰一般都是以脉冲的形式进入微机的，干扰窜入 系统的渠道主要有3 条：一是空间干扰( 场干扰) ，通过电磁波辐射 窜入系统，如静电干扰、电磁干扰；二是过程通道干扰，干扰通过与 系统抗干扰措施研究 主机相连的前向