（测试计量技术及仪器专业论文）基于arm处理器的便携式振动测试分析系统的研究与设计.pdf

浙江a 学硕- 学位论文 致谢 本论文在导师王友铡截教授的悉心指导和严格要求下完成钓。王老师严谨哟 治学态度、渊博的学识和诲人不倦的精神，给我留下了深刻豹印象，并将终生受 益。在我读研期间，王老师在学习、工作、生活等各个方面给予了我无微不至的 关怀和细致入微的指导，并提供了非常好的工作条件在此表示衷一d 的感谢。 感谢浙江大学仪器系特别是数字技术研究所的各位老师，本人所取得的点滴 成绩无不渗透着他们的辛勤劳动。特别是要感谢马永昌老师几年来对我的关心和 帮动，马老师对本论文的完成也给予了详细指导。他广播的知识、谦逊的态度和 无私相授的精神让我受益匪浅。 感谢师兄孟祥育，感谢江恒、付冬妮、傅倬伟、王凌字、李长青、孙熙文、 钟诚、陆哲时、吴非、郑卓超、赵丽等同学。正是他们各方面的帮助，令我可阱 顺利的完成自己的毕业设计，也让我学到了不少的知识和技能。 最后，深深感谢我的父母和哥哥，家庭的温暖永远是我前进的动力，正是他 们的关心和支持才让我成功的完成学业。 韩锋 2 0 0 4 年2 月于浙江大学 浙江夫学蛳l 学位论史 摘要 旋转机械状态监测对于旋转机械运行安全，降低设备维修费用，提高设备刹 用率有重大意义。基于嵌入式系统的便携式数据采集分析仪是旋转机械状态监测 中的重要工具。本文的研究重点是基于嵌入式系统的便携式数据采集分析仪的软 件编程实现技术。 本文在分析便携式数据采集分析仪发展趋势基础上，结合现代工业企业旋转 机械状态监测的新需求，提出了便携式数据采集分析仪的具体设计要求和功能设 计，并在此基础上选取了以a r m 处理器为核心的软硬件开发平台。整个软件系 统由实时频谱分析、现场点捡数据采集和管理、专家辅助诊断系统、系统参数设 置和管理等部分构成。本文重点介绍了以上这些软件的详细设计过程，并对轴系 简易专家辅助诊断系统的构成及推理过程进行了探讨。 关键字：旋转机械，便携式数据采集仪，a r m ，故障渗断 镪江大学袄t 学值论文 a b s t r a c t t h ec o n d i t i o nm o n i t o r i n go fp o t a t i n gm a c h i l l e r yc a nr e d u c et 沁c o s to fd e v i c e s m a i n t e n a n c e ，k e e pt h es e c u r i t yo fm a n u t h c t u r ea n di n c r e a s et h eu s eo fd e v i c e s t h e p o r t a b l ed a t ac o l l e c t o ra n ds i g n a la n a l y z e rb a s e do ne m b e d d e ds y s t e mi sa ni m p o r l a n t p a r to ft h ec o n d i t i o nm o n i t o r i n go fr o t a t i n gm a c h i n e r y t h ef o c u so ft h et h e s i si st h e s o f t w a r ed e s i g no f t h ep o r t a b l ed a t ac o l l e c t o ra n ds i g n a la n a l y z e r t h et h e s i sn a r r a t e st h ed e v e l o p m e n tt r e a do ft h ep o r t a b l ed a t ac o l l e c t o ra n d s i g n a la n a l y z e r , a c c o r d i n g t ot h en e wr e q u i r e m e n to ft h em o d e r nc o n d i t i o n m o n i t o r i n go fr o t a t i n gm a c h i n e r y ，i tb r i n g sf o r , a r dan e - nf u n c t i o nd e s i g na n d c h o o s e saa r m b a s e ds o f t w a r ea n dh a r d w a r ep l a t f o r m t h es o f t w a r es y s t e mi n c l u d e s d a t aa c q u i r e m e n t ，r e a l t t i m ea n a l y s e ，d e v i c e - e x a m i n a t i o n ，a c c e s s o r i a lf a u l t d i a g n o s i s s y s t e mp a r a m e t e rs e t t i n ga n df f a t am a n a g e m e n t t h et h e s i sm a i n l yi n t r o d u c e st h e s o f t w a r ed e s i g no ft h es y s t e m t h em e t h o do fr o t a t i n gm a c h i n e r y a tl a s l ，i td i s c u s s e st h et h e o r yo fe x p e r ts y s t e ma n d f a u l td i a g n o s i s 。 k e yw o r d s ：r o t a t i n gm a c h i n e r y ，a r m ，p o r t a b kd a t ac q l l e c t o ra n ds i g n a l a n a l y z e r , f a u l td i a g n o s i s s 浙江大学硕士学位论文 1 1课题的应用背景 第一章绪论 旋转机械是一种广泛应用于工业( 如电力、化工、机械、军事) 或部分民用 领域的常见设备。目前从国外购进的大型化工成套设备，往往都配备了比较完善 的进口监控系统，而国内制造的大型机组，则需要国内仪表技术领域的工作人员， 为其设计优良的可靠的监控监测系统。国内的技术人员正在从对旋转机械的振动 进行巡回检测、定期检测以及停机检修状况过渡到对机组进行长期连续监测阶 段，并进一步提出对机组的振动信号进行在线分析和实时的故障诊断。 t 就一般意义来说，要诊断故障，首要先采用正确的测量方式，使用合适的仪 器仪表，获得准确的振动参数，然后对数据进行分析，找出病因。随着旋转机械 向着大型化，精密化的方向发展，对机组运行状态监测的水平要求更高，在安全 上、经济上的意义也更为重大。 振动监测的目的和意义在于： ( 1 ) 保证机组生产的安全性。机组生产的安全性，首先是指对工作人员的 人身安全，同时也包括设备、厂房的安全等。特别是对于高速机组， 运行时具有很大的能量，一旦机器发生故障，会使机器某些部分破坏， 甚至使得整个机器报废。造成巨大的损失。 ( 2 ) 降低维修费用。如果在机组上安装有监测系统，可以大大减少事故发 生，因此机器所要求的备用件种类和数目可以减少到最少。及时的对 机组进行监测，还可以延长周期性体检的时间，从而降低生产安全成 本。 ( 3 ) 提高工厂的开工率。对于发电厂、石油化工厂这类工厂来说，其开工 率都是具有重要经济意义和社会意义的。因此避免事故停车，尽量减 少不必要的技术检修次数，延长机组两次停车检修的运行时i 、白j ，尽量 缩短停车检修时间，都将提高开工率，也是振动监测和故障诊断的根 本目的。 在线监测领域中，既有远程计算机网络监测系统，也有现场实时数据分析和 撕江大学硕：l 学位论文 故障诊断系统。前者可以同时监测大量的机组，而且保存数据很方便，后者则灵 活多变，可以在前者没有涉及到的地方进行动态随机测量，大大弥补了前者的不 足。 随着现代嵌入式系统科学的迅速发展，特别是r i s c ( 精简指令集处理器) 技术、半定制a s i c 技术、存储技术和多媒体技术的发展，给便携式设备的发展 提供了一条光明的道路。高速宽带的处理器给测量分析带来了效率，缩短了必要 的等待时间。在这个多媒体时代，声音图像技术大大增强了便携设备的人机交互 友好性，给仪器操作人员带来了很大的方便。因此，制作一台现代化、高性能的 便携式振动测试分析仪，已经成为当务之急。 1 2 传统便携式振动测试分析仪的特点和发展过程 在旋转机械测量领域，便携式振动测试分析仪凭借其轻巧方便，适用范围广， 灵活性高，测量对象多的特点成为了这个领域的主力。传统的振动铡试仪，采用 了8 位或1 6 位的m c u 作为其核心，用加速度传感器( 或别的传感器) 采集振 动物理信号，通过模拟调理电路，数字调理电路将信号量化( 数字化) ，然后利 用处理器对数据进行时域或频域的分析。这类设备的特点是： ( 1 ) m c u 功能弱。主要表现在工作主频低，数据总线宽度比较窄，数据 运算能力差。 ( 2 ) 数据存储量小。早期很多使用s r a m 等易失性存储器，不仅存储容量 很小，而且遇到掉电，会遗失数据。 ( ”人机交互效果差。由于没有强劲的多媒体硬件支持，图像显示颜色单 调( 黑白为主) ，分辨率低，单位面积的信息表达量低，这个缺点大 大遏制了仪表的现场实时分析功能。 ( 4 ) 体积大，携带不够方便。由于大量数字电路靠芯片堆积，而且芯片的 封装尺寸也比较大，所以整机体积较大。 ( 5 ) 工作模式简单。往往只有测量某种数据或做某个频谱分析的功能，灵 活性比较差。对不同使用单位的不通需要，满足能力不足。 ( 6 ) 上层软件支持少。上层软件不光要读取测量数据，还要对数据进行管 浙江大学硕士学位论文 理，因此数据库必不可少。此外，还要有强大的离线分析功能。这些 都是老仪器无法提供的。 此外，现场振动测试分析和故障诊断对设备的要求越来越高。有时候设备 需要在很多的时间内采集多组数据，然后对每组数据都做f f t 运算，这样大的 运算量对老仪器来说，需要很长的时间，速度慢得让人无法等待。因此，便携式 设备的实时性要求，已经很明确的摆在了我们面前。 为了解决实时性问题，选择功能强大的m c u ，可以起到一定的改善作用。如 果选用了高速的m c u ，还是无法达到我们要求的实时性程度。那么，就有必要 考虑将算术运算部分从软件实现改成硬件实现。方法上既可以选用d s p 芯片， 也可以用s o c 技术来实现。特别是s o c 技术，它已经成为当今a s i c 发展的一 个热点，越来越多的i c 设计企业开始走这条道理。 1 3 现代嵌入式系统概念简介 在工业控制、仪器仪表、测试计量等领域，嵌入式系统的蓬勃发展已经有目 共睹。到底什么是嵌入式系统? 我们有必要在这里向大家简单的介绍一下它的基 本概念。 首先谈谈现代计算机的技术发展史。 ( 1 ) 始于微型机时代的嵌入式应用。 电子数字计算机诞生于1 9 4 6 年，在其后漫长的历史进程中，计算机始终是 供养在特殊的机房中，实现数值计算的大型昂贵设备。直到2 0 世纪7 0 年代，微 处理器的出现，计算机才出现了历史性的变化。以微处理器为核心的微型计算机 以其小型、价廉、高可靠性特点，迅速走出机房；基于高速数值解算能力的微型 机，表现出的智能化水平引起了控制专业人士的兴趣，要求将微型机嵌入到个 对象体系中，实现对象体系的智能化控制。例如，将微型计算机经电气加固、机 械加固，并配置各种外围接口电路，安装到大型舰船中构成自动驾驶仪或轮机状 态监测系统。这样一来，计算机便失去了原来的形态与通用的计算机功能。为了 区别于原有的通用计算机系统，把嵌入到对象体系中，实现对象体系智能化控制 的计算机，称作嵌入式计算机系统。因此，嵌入式系统诞生于微型机时代，嵌入 浙江大学硕士学位论文 式系统的嵌入性本质是将个计算机嵌入到一个对象体系中去这些是理解嵌入 式系统的基本出发点。 ( 2 ) 现代计算机技术的两大分支 由于嵌入式计算机系统要嵌入到对象体系中，实现的是对象的智能化控制， 因此，它有着与通用计算机系统完全不同的技术要求与技术发展方向。 通用计算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算；技术发展方向是总线 速度的无限提升，存储容量的无限扩大。 丽嵌入式计算机系统的技术要求则是 对象的智能化控制能力；技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制 能力与控制的可靠性。 早期，入们勉为其难地将通用计算机系统进行改装，在大型设备中实现嵌入 式应用。然而，对于众多的对象系统( 如家用电器、仪器仪表、工控单元) ， 无法嵌入通用计算机系统，况且嵌入式系统与通用计算机系统的技术发展方向完 全不同，因此，必须独立地发展通用计算机系统与嵌入式计算机系统，这就形成 了现代计算机技术发展的两大分支。 如果说微型机的出现，使计算机进入到现代计算机发展阶段，那么嵌入式计 算机系统的诞生，则标志了计算机进入了通用计算机系统与嵌入式计算机系统两 大分支并行发展时代，从而导致2 0 世纪末，计算机的高速发展时期。 ( 3 ) 两大分支发展的里程碑事件 通用计算机系统与嵌入式计算机系统的专业化分工发展，导致2 0 世纪束、 2 1 世纪初，计算机技术的飞速发展。计算机专业领域集中精力发展通用计算机 系统的软、硬件技术，不必兼顾嵌入式应用要求，通用微处理器迅速从2 8 6 、3 8 5 、 4 8 6 到奔腾系列：操作系统则迅速扩张计算机基于高速海量的数据文件处理能 力，使通用计算机系统进入到尽善尽美阶段。 嵌入式计算机系统则走上了一条完全不同的道路，这条独立发展的道路就是 单芯片化道路。它动员了原有的传统电子系统领域的厂家与专业人士，接过起源 于计算机领域的嵌入式系统，承担起发展与普及嵌入式系统的历史任务，迅速地 将传统的电子系统发展到智能化的现代电子系统时代。 因此，现代计算机技术发展的两大分支的里程碑意义在于：它不仅形成了计 算机发展的专业化分工，而且将发展计算机技术的任务扩展到传统的电子系统领 浙江大学硕士学位论文 域，使计算机成为进入人类社会全面智能化时代的有力工具。 然后向大家介绍嵌入式系统的定义与特点，如果我们了解了嵌入式( - h 。算机) 系统的由来与发展，对嵌入式系统就不会产生过多的误解，而能历史地、本质地、 普遍适用地定义嵌入式系统。 ( 1 ) 嵌入式系统的定义 按照历史性、本质性、普遍性要求，嵌入式系统应定义为：“嵌入到对象体 系中的专用计算机系统”。“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统 的三个基本要素。对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。 ( 2 ) 嵌入式系统的特点 嵌入式系统的特点与定义不同，它是由定义中的三个基本要素衍生出来的。 不同的嵌入式系统其特点会有所差异。 与“嵌入性”的相关特点：由于是嵌入到对象系统中，必须满足对象系统的 环境要求，如物理环境( 小型) 、电气气氛环境( 可靠) 、成本( 价廉) 等要求。 与“专用性”的相关特点：软、硬件的裁剪性；满足对象要求的最小软、硬 件配置等。 与“计算机系统”的相关特点：嵌入式系统必须是能满足对象系统控制要求 的计算机系统。与上两个特点相呼应，这样的计算机必须配置有与对象系统相适 应的接口电路。 另外，在理解嵌入式系统定义时，不要与嵌入式设备相混淆。嵌入式设备是 指内部有嵌入式系统的产品、设备，例如，内含单片机的家用电器、仪器仪表、 工控单元、机器人、手机、p d a 等。 1 4 本课题的任务和意义 在一块以a r m 7 t d m i 为内核的s o c 平台上，开发出一台便携式振动测试分析。 主要工作包括设计数据采集电路板，设计通讯硬件和通讯协议，制作仪表外壳， 编写硬件底层驱动程序，编写主机数据库管理程序和离线分析程序等。这台测试 分析仪在兼具本实验室d m 6 0 0 2 型测振仪的所有功能的基础上，改进和增加部分 功能，如更美观清晰的日寸频图像、快速的计算能力、串行数据通讯功能、上位机 浙江大学硕士学位论文 数据管理和离线分析以及对设备巡检的支持。这台新仪器不仅在功能上大大增 强，而且体积小，携带方便，具有类似p d a 外形。 参考文献 1 旋转机械振动监测及故障诊断，张正松等，机械工业出版社，1 9 9 1 。 浙江大学颂：l 学位论文 第二章系统的总体规划和设计 2 1嵌入式系统设计方法和过程 一、嵌入式系统设计方法变化的背景 嵌入式系统设计方法的演化总的来说是因为应用需求的牵引和i t 技术的推 动。 1 随着微电子技术的不断创新和发展，大规模集成电路的集成度和工艺水平不 断提高。硅材料与人类智慧的结合，生产出大批量的低成本、高可靠性和高 精度的微电子结构模块，推动了一个全新的技术领域和产业的发展。在此基 础上发展起来的器件可编程思想和微处理( 器) 技术可以用软件来改变和实 现硬件的功能。微处理器和各种可编程大规模集成专用电路、半定制器件的 大量应用，开创了一个崭新的应用世界，以至广泛影响着并在逐步改变着人 类的生产、生活和学习等社会活动。 2 计算机硬件平台性能的大幅度提高，使很多复杂算法和方便使用的界面得以 实现，大大提高了工作效率，给复杂嵌入式系统辅助设计提供了物理基础。 3 高性能的e d a 综合开发工具( 平台) 得到长足发展，而且其自动化和智能化 程度不断提高，为复杂的嵌入式系统设计提供了不同用途和不同级别集编辑、 布局、布线、编译、综合、模拟、测试、验证和器件编程等一体化的易于学 习和方便使用的开发集成环境。 4 硬件描述语言h d l ( h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 的发展为复杂电子系统 设计提供了建立各种硬件模型的工作媒介。它的描述能力和抽象能力强，给 硬件电路，特别是半定制大规模集成电路设计带来了重大的变革。目的，用 得较多的有已成为i e e e 为$ t d l 0 7 6 标准的v h d l 、i e e es t d1 3 6 4 标准的 v e r i l o gh d l 和a 1 t e r m 公司企业标准的a h d l 等。 由于h d l 的发展和标准化，世界上出现了一批利用h d l 进行各种集成电路功 能模块专业设计的公司。其任务是按常用或专用功能，用h d l 来描述集成电路的 功能和结构，并经过不同级别的验证形成不同级别的i p 内核模块，供芯片设计 人员装配或集成选用。i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 内核模块是一种预先设计 好的甚至已经过验证的具有某种确定功能的集成电路、器件或部件。它有几种不 浙江大学硕士学位论文 同形式。i p 内核模块有行为( b e h a v i o r ) 、结构( s t r u c t u r e ) 和物理( p h y s i c a l ) 3 级不同程度的设计，对应有主要描述功能行为的“软i p 内核( s o f tt pc o r e ) ”、 完成结构描述的“固i p 内核( f i r mi pc o r e ) ”和基于物理描述并经过工艺验证 的“硬i p 内核( h a r di pc o t e ) ”3 个层次。这相当于集成电路( 器件或部件) 的毛坯、半成品和成品的设计技术。软i p 内核通常是用某种h d l 文本提交用户， 它已经过行为级设计优化和功能验证，但其中不含有任何具体的物理信息。据此， 用户可以综合出正确的门电路级网表，并可以进行后续结构设计，具有最大的灵 活性，可以很容易地借助于e d a 综合工具与其他外部逻辑电路结合成一体，根据 各种不同的半导体工艺，设计成具有不同性能的器件。可以商品化的软i p 内核 一般电路结构总门数都在5 0 0 0 门以上。但是，如果后续设计不当，有可能导 致整个结果失败。软i p 内核又称作虚拟器件。硬i p 内核是基于某种半导体工艺 的物理设计，已有固定的拓扑布局和具体工艺，并已经过工艺验证，具有可保证 的性能。其提供给用户的形式是电路物理结构掩模版图和全套工艺文件，是可以 拿来就用的全套技术。固i p 内核的设计深度则是介于软i p 内核和硬i p 内核之 间，除了完成硬i p 内核所有的设计外，还完成了门电路级综合和时序仿真等设 计环节。一般以门电路级网表形式提交用户使用。t i ，p h i l 】p s 和a t m e l 等厂商 就是通过i n t e l 授权，用其m c s 5 1 的i p 内核模块结合自己的特长开发出有个 性的与i n t e lm c s l5 1 兼容的单片机。常用的i p 内核模块有各种不同的 c p u ( 3 2 6 4 位c i s c r i s c 结构的c p u 或8 1 6 位微控制器单片机，如8 0 5 1 等) 、 3 2 6 4 位d s p ( 如3 2 0 c 3 0 ) 、d r a m 、s r a m 、e e p r o m 、f 1 a s h m e m o r y 、a d 、d a 、m p e g j p e g 、 u s b 、p c i 、标准接口、网络单元、编译器、编码解码器和模拟器件模块等。丰 富的i p 内核模块库为快速地设计专用集成电路和单片系统以及尽快占领市场提 供了基本保证。 5 软件技术的进步，特别是嵌入式实时操作系统e o s ( e m b e d d e do p e r a t i o n s y s t e m ) 的推出，为开发复杂嵌入式系统应用软件提供了底层支持和高效率开发 平台。e o s 是一种功能强大、应用广泛的实时多任务系统软件。它一般都具有操 作系统所具有的各种系统资源管理功能，用户可以通过应用程序接口a p 调用函 数形式来实现各种资源管理。用户程序可以在e o s 的基础上丌发并运行。它与通 用系统机中的o s 相比，主要有系统内核短小精悍、丌销小、实时性强和可靠性 浙江大学硕士学位论文 高等特点。完善的e o s 还提供各种设备的驱动程序。为了适应网络应用和 i n t e r n e t 应用。还可以提供t c p i p 协议支持。目前流行的e o s 有3 c o m 公司的 p a l mo s 、m i c r o s o f t 公司的w i n d o w sc e 和w i n d o w sn te m b e d d e d 4 0 、同本东京 大学的t r o n 和各种开放源代码的嵌入式l i n u x 等。 二、嵌入式系统设计方法的变化 过去擅长于软件设计的编程人员一般对硬件电路设计“敬而远之”，硬件设 计和软件设计被认为是性质完全不同的技术。随着电子信息技术的发展，电子工 程出身的设计人员，往往还逐步涉足软件编程。其主要形式是通过微控制器( 国 内习惯称作单片机) 的应用，学会相应的汇编语言编程。在设计规模更太的集散 控制系统时，必然要用到已普及的p c 机，以其为上端机，从而进一步学习使用 q u i c kb a s i c ，c ，c + + ，v c 和v b 等高级语言编程作系统程序，设计系统界面， 通过与单片机控制的前端机进行多机通信构成集中分布控制系统。 软件编程出身的设计人员则很少有兴趣去学习应用电路设计。但是，随着计 算机技术的飞速发展，特别是硬件描述语言h d l 的发明，系统硬件设计方法发生 了变化，数字系统的硬件组成及其行为完全可以用h d l 来描述和仿真。在这种情 况下，设计硬件电路不再是硬硬件组成及其行为完全可以用h d l 来描述和仿真。 在这种情况下，设计硬件电路不再是硬件设计工程师的专利，擅长软件编程的设 计人员可以借助于h d l 工具来描述硬件电路的行为、功能、结构、数据流、信号 连接关系和定时关系，设计出满足各种要求的硬件系统。 e d a 工具允许有两种设计输入工具，分别适应硬件电路设计人员和软件编程 人员两种不同背景的需要。让具有硬件背景的设计人员用已习惯的原理图输入方 式，而让具有软件背景的设计人员用硬件描述语言输入方式。由于用h d l 描述进 行输入，因而与系统行为描述更接近，且更便于综合、时域传递和修改，还能建 立独立于工艺的设计文件，所以，擅长软件编程的人一旦掌握了h d ，和一些必要 的硬件知识，往往可以比习惯于传统设计的工程师设计出更好的硬件电路和系 统。所以，习惯于传统设计的工程师应该学会用h d l 来描述和编程。 三嵌入式系统开发过程 浙江大学硕士学位论文 传统的嵌入式系统的设计，有以下这些特点：【2 】 1 系统在最初就被划分为软件和硬件两大部分。 2 软件和硬件独立的进行开发设计。 3 一般首先考虑的是硬件设计部分。 由于软硬件独立分开设计，因此它们之间的交互性受到了很大的影响，软件 和硬件之间的相互性能影响很难评估。系统集成也相对滞后。由于“硬件先行” 的思路，导致后期软件必须增加工作量，来弥补硬件的不足。正是由于这些问题， 导致了产品的设计质量差，设计修改难，研制周期不能有效保证。 如今，软硬件设计过程的发展方向是协同设计。如图2 1 ： 图2 - l 软硬件协同设计的优势体现在：在设计初期就可以进行软硬件的交互设计和 调整，并在整个设计过程中都可以进行验证。 协同设计的基本步骤： 1 设计描述( s p e c i f i c a t i o n ) 2 设计建模( m o d e l i n g ) 3 软硬件划分( d e s i g ns p a c ee x p l o r a t i o na n dp a r t i t i o n i n g ) 4 综合和优化( s y n t h e s i sa n do p t i m jz a t i o r ) 5 设计验证( v a i d a t i o i l ) 浙江大学硕j 一学位论文 6 设计实现( l m p l e m e n t a t i o n ) 图2 - 2 很好的展示了软硬件协同设计的方法 2 2 需求分析和功能设计 图2 2 我t l 知道，便携式设备的最大特点就是携带方便，灵活测量，不太受地理位 置的限制。因此，体积小，携带方便，测量方法简单，耗能低是便携式设备必须 具备的优势。 传统的便携式振动测试分析仪( 以本实验室的d m 6 0 0 2 型产品为例) ，它选 用了8 位的5 1 系列单片机作为主逻辑控制芯片，数据存储容量为2 5 6 k 或5 1 2 k 的s r a m 存储器( 如果每测点采集1 0 2 4 点波形数据，可以存储至多1 0 0 个波形 频率) ，2 4 0 6 4 象素黑白大点阵l c d 屏幕，中文字符( 单一点阵) 显示4 0 个 字8 行，r s - - 2 3 2 c 标准接1 ：3 与主机通讯，可以做现场实时时基波形分析、频 谱分析等，功耗大约l2 w ，尺寸：2 1 0 m m ( 宽) x8 5 m m ( 高) 2 4 0 m m ( 深) ， 重量：2 3 k g 。 随着i c 工艺不断发展，芯片体积越来越小，模拟电路从直插元件慢慢转变 成了贴片小封装器件，数字电路从集成大量数字芯片发展到了自己制定数字集成 浙江大学硕士学位论文 电路，如采用c p l d 或f p a g 芯片，这些技术进步为大大减小设备的体积提供了 可能性。此外，需要复杂多样的分析软件，也导致了嵌入式系统软件开发的巨大 变革，从原先单纯依靠汇编语音开发程序到用c 语言来开发软件，甚至移植小 型嵌入式操作系统( 实时或非实时的) ，所以软件规模越来越大。不过快速发展 的存储器技术很好的解决了这个问题，闪存存储器已经成为嵌入式系统程序存放 的主要载体。多媒体技术的迅猛发展是人机交互需要的结果。采用色彩丰富、声 音提示、操作方便的硬件设备，更容易被客户所接受。 对新设备的需求，要求我们重新对现有的便携式振动测试分析仪技术进行改 进。当然，我们有必要重新对它做出新的需求分析和功能设计。 一台新型便携式振动测试分析仪，体积大小和携带方便程度是第一个要考虑 的问题。当今手持设备要求我们的测振仪必须是掌上型设备，单手即可携带。为 了尽可能小，我们采用折叠式的外形，类似折叠手机。打开以后，上层是液晶显 示屏，下层的上部是按键，下部是硬件电路，全塑料封壳。 振动测量方式需要主要有两种：一种是通用的时频谱分析仪，可以随机动态 的设定测量参数，在任何设备上进行测量。另一种是巡检测量模式。巡检功能是 一个比较复杂的功能，也是现代便携式测振仪必须的功能。它不仅需要测振仪的 软件支持，更需要主机的软件支持。上位机软件主要包括以下几个部分： ( 1 ) 测点数据库管理。主要指对需要进行巡检测量的测点进行编号管 理，这个编号主要以信息钮( 这个将在后面详细介绍) 为主。同 时还要详细指定不同设备不同测点的测量参数，测量方式等测量 指标。 ( 2 ) 测量数据的数据库管理! 主要指管理测量数据( 以时域波形值为 主) 。这两个库的管理都以设备为基准单位，设备要靠它所属的工 厂名，车间名和设备名来区分。测点则归属于某个固定的设备， 所以当设备名和测点名都规划好以后，测点的数据存放在它所归 属的设备下。 ( 3 ) 制定巡检路径表的软件。主要指从需要测量的设备测点中选择出 某些测点，按照就近连续原则编连起来，组成一条路径。然后下 载到测振仪中，测量人员按照要求一个一个的测量。 浙江大学硕士学位论文 ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) 下位机 ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) ( 7 ) 数据通讯软件。主要用来下载巡检路径表和上传测量数据。要求 用简单的标准通讯设备，基本上选定用r s - - 2 3 2 c 串口通讯。 巡检违规检查软件。主要功能是检查巡检路径的所有的测点数据 有没有及时测量和上传数据库。一旦发现了违规操作，及时将违 规记录写入违规日值中。 离线数据分析软件。主要对历史数据进行事后的再分析，既要支 持单个数据分析，又要有历史趋势分析，如时基分析、频谱分析、 趋势分析、细化分析、倒频谱分析、相关谱分析、包络分析、瀑 布图分析等等。 ( 测振仪) 软件主要具有以下功能： 信号采集。本产品主要用来测量旋转机械的振动信号，采用加速 度传感器，振动信号经过滤波电路和a d ，变成数字信号。由内 部定时器设定定时间隔，c p u 读取数据。测量频率、测量点数、 测量种类都必须可调。 波形或频谱图显示。波形显示的是时域的振动信号值，不仅有时 域波形的图像，还有振动特征值的显示。图像是2 5 6 色的。具有 图像放大，缩小，时域展宽等功能。在频域显示部分，还必须有 加窗选项( 海明窗、汉宁窗、矩形窗) ，对数坐标系选择等。 巡检测量模式。当设备进入巡检模式后，提供便捷的操作流程， 提高测量的方便性。 通讯软件。主要指上传测量数据( 包括临时测量的散点数据和巡 检模式下的数据) ，下载巡检路径表。 在线专集诊断系统。应用经验公式和模糊判别理论，分析导致某 个频段振动发生的原因，为发现故障提供参考。 产品信息介绍和设备使用说明。 系统设定。可以动态的调整传感器灵敏度、校准参数、实时时钟、 以及默认的采样参数。 一塑坚奎兰堡兰竺丝兰 2 3 系统软硬件总体规划 2 3 1 硬件规划 占 这款日本公司的硬件平台已经集成了许多硬件，f 面大致介绍一下它的特 c p u ： 3 2 位的a r m 7 t d m i 内核( 1 6 7 8m h z ) r a m ：内部工作r a m3 2 kb y t e s 外部工作r a m2 5 6 kb y t e s ( 板上) 显存v r a m9 6 kb y t e s 调色板r a ml k 嘲e s v i d e o ：2 9i n c ht f tc o l o rl c d d i s p l a y 2 4 0 x 1 6 0 点阵 3 2 ，7 6 8 色模拟显示，4 图像系统模式 4 层背景，可旋转缩放 s o u n d ：4c h a n n e ld a 2d m a f o rs o u n d ( 2o t h e rd m af o rd a t aa c c e s s ) c o m m u n i c a t i o n ： 串口通汛 c o n t r o l s ： 1 0 个按键 s u p p l y ：低电压( 2 7 3 3 v ) 供电 i n t e r f a c e ：3 2 根外接线，其中包括： ( 1 ) 地址总线2 4 位，数据总线1 6 位( 地址总线低1 6 位 复用) ( 2 ) 2 片选信号线c s l 和c s 2 ( 3 ) 读r d 和写w r ( 4 ) 电压输出线v c c ( 5 ) 晶振信号线p h i ( 6 ) 接地线g n d ( 7 ) 外部中断请求线i r e q 【3 】 浙江大学硕士学位论文 面向此平台的3 2 线外接口，我们设计并集成了数据采集电路、数据存储电 路、实时时钟电路、逻辑控制电路到一块整板上。大致框架如图2 3 图2 - 3 数采板卡框架图 浙江大学删卜学位论文 2 3 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，大多从汇编丌始，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，当应用需求复杂时，开发 周期讲大大增加，不利于新产品的快速面市。随着嵌入式系统硬件的不断发展， 如处理器主频提高，存储器容量扩大，硬件体积减小等特点，嵌入式系统的软件 开发也发生了一些变革。 现代嵌入式系统的软件开发从一小部分汇编启动代码开始( 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 语言做为 一种中级语言，具有很好的灵活性，更贴近于程序开发员的思维逻辑。因此用c 语言开发程序，大大的缩短了软件开发周期，也增强了可维护性和可升级性。还 有部分领域用b a s i c 、c + + 、j a 、，a 等高级的开发语言来开发程序，使得嵌入式 系统的面向对象性也越来越突出。 编译器是程序开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) ，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开发工程师的欢迎。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开发，就是采用g n u 的开发工具( 包括编译、链接、 生成各种格式o b i 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 我们选用了g c c f o r - a r m 的编译器。既可以在w i n d o w s 下开发，又可以在l i n u x 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，另一个部分则是后台运行的程序，如数据采集，频谱计算， 逻辑控制，数据保存等等。 人机交互，主要通过按键和显示屏幕来完成。按键，操作员可以把指令发送 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。 软件基本原理：当系统启动后，用户可以按键，选择各种不同的功能。在不 浙江大学硕士学位论义 同的功能下，显示不同的画面。在不同的画面里，针对不同的选项，按键会导致 不同的操作。这些操作既包括后台操作，又包括画面切换操作( 当然功能也就随 之而变化) 。软件框架如图2 4 图2 4 软件框架图 应用简单的框架结构，可以有效地提高程序的执行效率。而且对于减小代码 的规模也具有显著的效果。 参考文献 1 嵌入式系统结构及其发展状况，凌志浩，自动化仪表，2 0 0 2 。 2 面向2 1 世纪的嵌入式系统设计技术，徐欣，国防科大，2 0 0 3 。 3 c o w b jt ev i r t u a lh a r d w a r es p e c i f i c a t i o n s ，t o mh a p p ， h r t p ：w w w c s r i t e d u - t i h 8 3 0 0 c o w b i t e c o w b i t e s p e c h t m 2 0 0 2 。 浙江大学碗十学位论义 第三章硬件设计与开发 3 1 硬件开发平台介绍 前一章，我们已经简单的介绍了这款开发平台的基本配置，在这罩，我们再 向大家详细介绍一下a r m 处理器的硬件特点。 1 a r m 简介 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 是微处理器行业的一家知名企业，设计了 大量高性能、廉价、耗能低的r i s c 处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、 成本低和能耗省的特点。适用于多种领域，比如嵌入控制、消费教育类多媒体、 d s p 和移动式应用等。 a r m 将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和o e m 厂商，每个厂商 得到的都是一套独一无二的a r m 相关技术及服务。利用这种合伙关系，a r m 很快 成为许多全球性r i s c 标准的缔造者。 目前，总共有3 0 家半导体公司与a r m 签订了硬件技术使用许可协议，其中 包括i n t e l 、i b m 、l g 半导体、n e c 、s o n y 、菲利浦和国民半导体这样的大公司。 至于软件系统的合伙人，则包括微软、升阳和m r i 等一系列知名公司。 a r m 架构是面向低预算市场设计的第一款r i s c 微处理器。 2 产品介绍 a r m 提供一系列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案。由于所有产品 均采用一个通用的软件体系，所以相同的软件可在所有产品中运行( 理论上如 此) 。典型的产品如下。 c p u 内核 a r m 7 ：小型、快速、低能耗、集成式r i s c 内核，用于移动通信。 a r m 7 t d m i ( t h u m b ) ：这是公司授权用户最多的一项产品，将a r m y 指令集同 t h u m b 扩展组合在一起，以减少内存容量和系统成本。同时，它还利用嵌入式i c e 调试技术来简化系统设计，并用一个d s p 增强扩展来改进性能。该产品的典型用 途是数字蜂窝电话和硬盘驱动器。 - - a r m 9 t d m i ：采用5 阶段管道化a r m 9 内核，同时配备t h u m b 扩展、调试和 h a r v a r d 总线。在生产工艺相同的情况下，性能可达a r m v t d m i 的两倍之多。常 浙江大学颂一卜学位论文 用于连网和顶置盒。 体系扩展 一t h u m b ：以1 6 位系统的成本，提供3 2 位r i s c 性能，特别注意的是它所需 的内存容量非常小。 嵌入式i c e 调试 由于集成了类似于i c e 的c p u 内核调试技术，所以原型设计和系统芯片的调 试得到了极大的简化。 微处理器 一a r m 7 1 0 系列，包括a r m 7 1 0 、a r m 7 1 0 t 、a r m 7 2 0 t 和a r m 7 4 0 t ：低价、低能耗、 封装式常规系统微型处理器，配有高速缓存( c a c h e ) 、内存管理、写缓冲和j t a g 。 广泛应用于手持式计算、数据通信和消费类多媒体。 a r m 9 4 0 t 、9 2 0 t 系列：低价、低能耗、高性能系统微处理器，配有c a c h e 、 内存管理和写缓冲。应用于高级引擎管理、保安系统、顶置盒、便携计算机和高 档打印机。 一s z r o n g a r m ：性能很高、同时满足常规应用需要的一种微处理器技术，与 d e c 联合研制，后来授权给i n t e l 。s a 1 0 处理器、s a l l 0 0p d a 系统芯片和s a l 5 0 0 多媒体处理器芯片均采用了这一技术。 - - a r m 7 5 0 0 和a r m 7 5 0 0 f e ：高度集成的单芯片r i s c 计算机，基于一个缓存式 a r m 73 2 位内核，拥有内存和i o 控制器、3 个d m a 通道、片上视频控制器和调 色板以及立体声端口：a r m 7 5 0 0 f e 则增加了一个浮点运算单元以及对e d od r a m 的 支持。特别适合电视顶置盒和网络计算机( n c ) 。 a r m 公司作为3 2 位处理器内核的提供者，拥有：1 0 0 多家半导体合作伙伴， a r mc o r e 是目前消费类电子市场中市场占有量第一的c p u 体系。a r m 是一个c p u 内核。a m 公司自己并不生产或销售芯片，它采用技术授权模式，通过出售芯片 技术授权，收取授权费与技术转让费。随着a r m m i p s a r c 等成熟内核的推出， 很多过去没有3 2 位c p u 研发能力的半导体公司进入这一行列。 这个开发平台的基本特点如下： c p u ： 3 2 位的a r m 7 t d m i 内核( 1 6 7 8m h z ) 塑望查堂堡主兰焦堡；! ! ! ： r a m ： 内部工作r a m3 2 kb y t e s 外部工作r a m2 5 6 kb y t e s ( 板上) 显存v r a m 9 6 k b y t e s 调色板r a m l kb y t e s v i d e o ： 2 9i n c ht f tc o l o rl c dd i s p l a y 2 4 0 1 6 0 点阵，3 2 ，7 6 8 色模拟显示，4 图像系统模式 4 层背景，可旋转缩放 s o u n d ： 4c h a n n e ld a 2d m a f o rs o u n d ( 2o t h e rd m af o rd a t aa c c e s s ) c o m m u n i c a t i 0 1 3 ： 串口通讯 c o n t r 0