（计算机应用技术专业论文）基于wince的嵌入式旋转机械监测系统的研制.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 旋转机械状态监测技术对于旋转机械运行安全，降低设备维修费用，提高设备利用 率有重大意义。 大型监测设备费用太高，而且存在“监测过剩”的问题，所以，我们就开发一套基 于w i n c e 嵌入式旋转机械监测系统，它可以达到小型监测站的能力，能有效的进行数据 处理及故障诊断，而且整个设备非常小，便于携带。 本系统采用基于a r m 9 内核的$ 3 c 2 4 1 0 为硬件系统核心，移植嵌入式w i n d o w sc e 作 为操作系统，并在此基础上开发相应的设备驱动程序和系统的应用框架。a d 9 4 2 0 模数 转换芯片+ 大规模可编程器件c p l d 进行数据处理，c p l d 来控制高速a d 和高速存储器 f i f o ，实现高速数据采集。 本文提出了基于w i n c e 的嵌入式旋转机械监测系统的硬件和软件的解决办法。在文 中首先介绍了课题的背景和实际意义，其次介绍了嵌入式系统的相关概念，然后详细介 绍了系统的硬件结构设计，主要是对硬件系统的处理器的选型及其外围电路的设计，接 着详细介绍了嵌入式w i n d o w sc e 操作系统的移植，其中主要工作为修改b o o tl o a d e r ， 裁减w i n d o w sc e 内核，最后是系统中设备驱动程序和应用程序的设计。 本系统的主要功能是：通过传感器将采集到的模拟信号进入数据采集模块进行处 理；可以显示实时数据波形；用户通过设置可以选择对历史数据还是新的数据进行时域 波形分析、频谱波形分析或者轴心轨迹分析；用户可以对存储的数据文件进行管理；用 户可以对电源进行管理；用户可以进行系统的设置等。 所使用到的开发工具为微软的内核定制工具p l a t f o r i l lb u i l d e r 和应用程序开发工具 e m b e d d e dv i s u a lc + + 。 开发基于w i n c e 的嵌入式旋转机械监测系统是监测系统中新的尝试。本系统具有界 面友好，性能可靠，采集速度快，软件可扩展等优点。 关键词：$ 3 c 2 4 1 0 ；w i n d o w sc e ；监测系统 大连理工大学硕士学位论文 r e s e a r c ho ne m b e d d e dc o n d i t i o nm o n i t o r i n go fr e v o l v i n gm a c h i n e r y b a s e do nw i l l c e 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 fr e v o l v i n gm a c h i n e r yc a nr e d u c et h ec 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 f m a n u f a 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 c o n m d e r i n gt h el a r g ec o s to fl a r g em o n i t o r i n gd e v i c ea n dt h ep r o b l e mw h i c hi sc a l l e d “m o n i t o r i n go v e r m u c h ”，w ed e v e l o pas e to fe m b e d d e dc o n d i t i o nm o n i t o r i n go fr e v o l v i n g m a c h i n e r yb a s e do nw i n c e ，i th a st h ea b i l i t yo fm i n i t y p e - m o n i t o r i n gs t a t i o n ，m a k i n gd a t a p r o c e s s i n ga n d f a u l td i a g n o s i se f f e c t i v e l y ，m o r e o v e r ，i tc a l lb et a k e nf o r t h es m a l ls i z e t h es y s t e mu s e st h e $ 3 c 2 4 1 0a st h ek e r n e lo ft h eh a r d w a r e ，t r a n s p l a n t i n gt h ee m b e d d e d w i n d o w sc ea st h eo p e r a t i o ns y s t e m d e v e l o p i n gt h ed e v i c ed r i v e ra n dt h ea p p l i c a t i o n p r o g r a m n cp a p e ra d v a n c e sam e t h o do fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fe m b e d d e dc o n d i t i o n m o n i t o r i n g o fr e v o l v i n gm a c h i n e r yb a s e do nw i n c e f i r s t l y ，i td e s c r i b e st h ew h o l e b a c k g r o u n da n d t h ea c t u a ls i g n i f i c a n c e ，s e c o n d l y ，i ti n t r o d u c e st h ee m b e d d e dc o n c e p t ，t h e ni t d e t a i l st h eh a r d w a r ed e s i g n m a i n l yt h ep r o c e s s o ra n dt h eh a r d w a r es y s t e mo fe a c hm o d u l e s e l e c t r i cc i r c u i td e s i g n ，a n dt h e ni t g o e si n t o t h es y s t e mp l a t f o r m o p e r a t i n gs y s t e m t r a n s p l a n t a t i o n ，w h i c hc o n t e n t sm o d i f i c a t i o no ft h eb o o tl o a d e r , r e d u c t i o no ft h ew i n d o w s c ek e r n e l f i n a l l yi tp r e s e n t st h ed e s i g n i n go ft h ed e v i c ed r i v e ra n dt h ea p p l i c a t i o np r o g r a m t h ep r i m a r yf u n c t i o no ft h es y s t e ma r e ：u s e rc o u l dm a k eas e t t i n gt oc h o o s ep a s td a t ao r n e wd a t at ob ea n a l y z e d ；u s e rc o u l dm a n a g et h ed a t af i l e s ；u s e rc o u l dm a n a g et h ep o w e r s u p p l y ；u s e rc o u l dm a k eas y s t e ms e t t i n ga n ds oo n t h et o o l su s e da r ep l a t f o r mb u i l d e ra n de m b e d d e dv i s u a lc + + i ti san e wt r y i n gt od e v e l o pe m b e d d e dc o n d i t i o nm o n i t o r i n go fr e v o l v i n gm a c h i n e r y b a s e do nw i n c e e x c e l l e n c i e so ft h es y s t e ma r e ：f r i e n d l yi n t e r f a c e ，d e p e n d a b l ec a p a b i l i t y ， h i g h - r a t ed a t aa c q u i s i t i o na n ds o f t w a r ee x t e n s i b i l i t y k e yw o r d s ：s 3 c 2 4 1 0 ：w i n d o w sc e ：m o n i t o r i n gs y s t e m 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：蛰：量 导师签名：远芯 p 1 年f 月f 日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题意义 旋转机械是工业上内应用最广泛的机械，随着机械工业的迅速发展，现代机械工程 中的机械设备朝着轻型化、大型化、重载化和高度自动化等方向发展。出现了大量的强 度、结构、振动、噪声、可靠性，以及材料与工艺等问题，设备损坏事件时有发生，国 内外大型汽轮机严重事故是其典型实例。旋转机械的监测技术就是着重考虑避免设备的 随机性故障。 为保证设备安全运行，目前普遍采用的是“状态预先维修”的设备维修体制，即基 于对设备“健康”状况检测的机制。旋转机械的主要功能是通过转子的旋转动作完成， 而作为机械设备动力学特性表征的振动总是伴随着转子的运转而存在，因此，对转子振 动的时域、频域和幅值域的分析结果均可以作为旋转机械的故障征兆。统计表明，9 0 的机械故障都发生在振动增大之后，国内外企业中，使用振动方法进行设备监测和诊断 占其所用手段6 0 以上【1 1 。 近年来，随着计算机技术的快速发展，我们又发现嵌入式系统已经成为影响我们生 活的重要部分，从玩具，家电，汽车一直到航天飞机，都有嵌入式系统隐身其中。它的 应用范围广泛而且种类繁多，其基本特征就是高可靠、低成本、体积小、实时性强等特 点。 综上所述，以前利用大型工控机进行状态监测已经不能满足现有市场的需要，在监 测系统研究应用领域，研制嵌入式监测系统已经成为监测领域的一个不可缺少的分支。 1 2 国内外发展概况 大型旋转机械状态监测技术研究是国家重点的攻关项目，目的是提高大型旋转机械 的产品质量，减少突发性事故，避免重夭经济损失。5 0 年代，各种类型和性能的传感器 和测振仪相继研制成功，并开始应用于科学研究和工程实际。六七十年代，数字电路、 电子计算机技术的发展、“信号数字分析处理技术”的形成，推动了振动检测技术在机 械设备上的应用。7 0 年代至8 0 年代，机械设备的状态监测与故障诊断技术在许多发达国 家开始研究。随着电子计算机技术、现代测试技术、信号处理技术、信号识别技术与故 障诊断技术等现代科学技术发展，机械设备的监测研究跨入系统化的阶段，并把实验室 的研究成果逐步推广到核能设备、动力设备以及其它各种大型的成套机械设备中去，进 入了蓬勃发展的阶段。例如：日本三菱公司的“旋转机械健康管理系统”( m a c h i n e r y h e a l t h m o n i t o r i n g ，简称m h m ) ，美国西屋公司的“可移动诊断中心”( m o b i l ed i a g n o s i sc e n t e r ， 基于w i n c e 的嵌入式旋转机械监测系统的研制 简称m d c ) ，丹麦b & k 公司的2 5 0 0 型振动监测系统等，都具备了机组信号数据的采集、 分析、计算、显示、打印、绘图等功能，并配有专项诊断软件。先进的状态监测系统把 体现机械动态特性的振动、噪声作为主要监测和分析的内容。由于振动、噪声是快速的 随机性信号，不仅对测试系统要求高，而且在分析中要进行大量的数据处理， 国内外 在8 0 年代用小型计算机或专用数字信号处理机作为主机完成机械动态特性的数据处理 ( 如：h p 5 4 5 1 c ) ，该类主机不仅价格昂贵( 一般价格为数十万元) 而且对工作环境要求苛刻 ( 需要专用机房) ，因而通常采用离线监测与分析的方式【l 】。 9 0 年代以来，高档微机不断更新且价格迅速下降，适合数字信号处理的计算方法不 断优化，使数据处理速度大为提高，为在工业现场直接应用状态监测技术创造了条件。 丹麦、美国、德国、日本等发达国家的专家学者对旋转机械工作状态监测技术进行了深 入研究，研制出不同系统。该类系统以丹麦b & k 公司的2 5 2 0 型振动监测系统、美国 b e n t l y 公司的3 3 0 0 系列振动监测系统、美国亚特兰大公司的m 6 0 0 0 系统为代表已经达 到较高的水平。在功能上比较典型的系统之一是丹麦b & k 公司的2 5 2 0 型振动监测系统 ( v i b r a t i l i t y o n m o n i t o r - t y p e 2 5 2 0 ) ，主要功能有：自动谱比较并进行故障预警报警；对6 和2 3 恒百分比带宽谱进行速度补偿；幅值增长趋势图显示；三维谱图显示；振动总均 方根值( 振动、烈度) 计算；支持局域网。美国i r d 公司的i q 2 0 0 0 系统可认为是至今为止 有报道的功能最齐全的监测与诊断系统。 我国在工业部门中开展状态监测技术研究的工作起步于1 9 8 6 年，在此之前从国外引 进的大型机组，一般都购置了监测系统。而在白行研制的国产设备上，若选用国外的监 测系统，由于价格异常昂贵而难以接受。8 0 年代中后期以来，我国有关研究院所、高等 院校和企业开始自行或合作研究旋转机械状态监测技术，无论在理论研究、测试技术和 仪器研制方面，都取得了成果，并开发出相应的旋转机械状态监测系统。如：西安交通 大学、浙江大学、北京理工大学、北京机械工业学院等【2 j 。 国内主要有几种类型：哈尔滨工业大学等单位联合研制的3 m d i 、3 m d i i 、3 m d i i i 系统；西安交通大学机械监测与诊断研究室的r m m d s 系统；西安交通大学润滑理论及 轴承研究室的r b 2 0 1 系统；郑州工学院的r m m d s 系统；重庆太笛公司的c d m s 系统； 浙江大学的c m d i 型及i i 型系统；西北工业大学的m d 3 9 0 5 系统；北京机械工业学院的 b j d z i 、b j d z i i 、b j d z i i i 系统。其中比较典型的系统有：1 9 8 5 年1 0 月通过鉴定的由 哈尔滨工业大学等单位联合研制的3 m d i 微机化“汽轮发电机组振动监测与故障诊断系 统”，以及后来进一步开发的汽轮机故障诊断专家系统3 m d i i 、3 m d i i i ；1 9 8 7 年通过 鉴定的由西安交通大学机械故障诊断研究室研制的r m m d s 化肥五大机组“微机状态监 测与故障诊断系统”等。这些系统的主要功能有：轴振动监测，包括轴心轨迹分析、轴 大连理工大学硕士学位论文 向串动、轴振动位移峰，峰值计算；壳体振动监测；频谱分析，包括频率细化、阶比谱 分析、阶跟踪谱、三维功率谱分析；自动预、报警；故障特征提取及诊断。 以上系统的软件功能比较丰富，硬件性能也不断改进，但基本上仍处于研究发展阶 段，且价格依然昂贵，这些系统主要应用于国家重点企业中关键设备的监测或特定设备 的监测，如大型汽轮机组、大型水轮机组等。 从技术发展过程看，现代监测技术大致经历了两个阶段。 第一阶段是以传感器技术和动态测试技术为基础，以信号处理技术为手段的常规技 术发展阶段，这一阶段的技术已在工程中得到了应用，它吸收了大量的现代科技成果， 传感器技术的飞跃发展，使之可以利用振动、噪声、力、温度、电、磁、光、射线等多 种信息。由此产生了设备的振动、噪声、光谱、铁谱、无损检测、热成像等监测和故障 分析技术。信号分析与数值处理技术的发展，结合微计算机技术的发展，使各种方法应 运而生，如：状态空间分析、对比分析、函数分析、逻辑分析、统计和模糊分析方法。 近年来，各种数据处理软、硬件的出现使实时在线监测及故障分析技术成为可能。 人工智能技术为设备监测和故障分析的智能化发展提供了可能，使得现代监测技术 发展步入第二阶段。这一阶段的研究内容与实现方法已开始并正在继续发生着重大变 化，以数据处理为核心的过程将被以知识处理为核心的过程所替代，开展了专家系统、 神经网络和模糊分析等理论、方法和应用技术的研究。这阶段起主导作用的将是人类专 家的知识，包括人类专家所拥有的领域知识、求解闯题的方法等。由于实现信号检测、 数据处理与知识处理的统一，使得先进技术不再是少数专业人员才能掌握的技术，而是 一般操作人员所能使用的工具 3 1 。 1 。3 本文研究内容 本项目所属公司是一家专门从事大型旋转机械的状态监测及故障诊断的公司，公司 根据产品更新换代的要求，在建立了大型监测站，开发了便携式监测站的基础上，根据 市场对小型化监测系统的需要，决定研制一套小型的嵌入式监测系统。 该系统具有如下优点： ( 1 ) 整个系统非常小，大小为2 0 0 x 1 6 0 m m ，重量不超过l 公斤，方便携带； ( 2 ) 可达到小型监测站的能力，能有效的进行数据处理及故障诊断； ( 3 ) 解决大型监测设备存在的的体积大，维修费用高，以及“监测过剩”的问题。 由于以上的原因，公司决定根据生产实际的需要，研制一套适于技术人员使用的便 携监测系统。这一旋转监测系统具有先进性、高可靠性和工程实用性。 基于w i n c e 的嵌入式旋转机械监测系统的研制 该课题的监测对象是旋转机械设备。要求系统可以连续实时的进行监测，能够快速 采集旋转机械的振动信号并显示当前运行状态；在旋转机械设备处于危险工作状态时能 及时发出声音报警；对采集的数据自动处理、存储，以提供给技术人员分析使用。 该监测系统的主要技术指标如下： ( 1 ) 监测通道：6 通道 ( 2 ) a d 转换精度：1 4 b i t s ( 3 ) 测量精度“振幅误差5 ” ( 4 ) 通道间无相差 ( 5 ) 系统功能： 当监测系统工作时，所有监测通道可确保每2 秒采样一次； 系统具有实时显示功能； 当振动幅值超标时，系统提供声音报警； 系统具有存储监测数据的功能，能保存一定时间内的实时数据和历史数据，并 通过网络传送到企业检测中心服务器； 系统可进行简单的配置，具有一定人机通话的功能。 总之，在本课题中，就是要实现具有先进性，高可靠性，工程实用性的基于w i n d o w s c e 的嵌入式旋转机械监测系统。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 2 嵌入式旋转机械监测系统的设计方案 目前嵌入式产品已经在很多领域得到广泛的使用，如：国防、工业控制、通信、办 公自动化和消费等领域，本文设计的“基于w i n c e 的嵌入式旋转机械监测系统的研制” 是利用3 2 位嵌入式a r m 9 微处理器搭建硬件平台，并移植嵌入式w i n d o w sc e 操作系 统，开发具有高性能、高可靠性、方便扩展的旋转机械监测系统【4 j 。 2 1 嵌入式系统 嵌入式系统一般指非p c 系统，它是与常见的微型机系统和专用的大型、小型系统相 对而言的。嵌入式系统一般不以独立的设备或装置的形式出现，而是将自己隐藏在( 嵌 入1 在各种设备和装置的内部，根据主体设备和装置的需要，发挥其运算、处理、存储 和控制的作用。 嵌入式系统一般包括硬件和软件两部分。硬件包括微处理器、存储器、外部设备和 i o 端口、图形控制器等。微处理器通常是单片机或微控制器，它有8 位、1 6 位或3 2 位等不同类型，现在常用的是3 2 位微处理器。软件部分包括操作系统( 一般要求为实时 多任务操作系统) 和应用程序。有时，设计人员也把这两种软件组合在一起，作为一个 软件系统来安装。 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具备以下特点： ( 1 ) 实时和多任务处理任务 能在限定的时间内完成多个任务，一般限定的时间较短，即要求嵌入式微处理器能 在瞬间完成应该处理的任务，从而使内部的代码和内核的执行时间减少到最低限定：另 外，现代操作系统也都要求处理器具有多任务处理能力。 ( 2 ) 集成度高 嵌入式系统的处理器一般工作在为特定用户设计的系统中，它具有低功耗，体积小， 集成度高等特点，能够把通用处理器中许多由板卡和辅助设备完成的任务集成在芯片内 部，从而有利于嵌入式系统设计的小型化。 ( 3 ) 很强的存储区保护功能 由于嵌入式系统的软件结构已模块化，为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作 用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。 基于w i n c e 的嵌入式旋转机械监测系统的研制 ( 4 ) 低功耗 由于有些嵌入式系统的移动性要求，使它不可能具备长时间不间断的电源供应，这 一点对于便携式的无限及移动的计算和通讯设备尤其明显。所以，对于先进的嵌入式微 处理器，它需要的功耗在m w 甚至g w 级。 嵌入式系统不当和一般的p c 系统不同，而且针对不同的具体应用而设计的嵌入式 系统之间差别也很大。嵌入式系统一般功能单一，简单，且在兼容性方面要求不高，但 是在体积，成本方面限制较多1 5 j 。 嵌入式系统和通用型计算机系统相比具有以下特点： ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式系统的设计和开发必须要考虑特定 环境和系统的要求，而它也只需要满足一个特定环境和系统的要求。这与通用型计算机 系统的设计有很大的不同。 ( 2 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术，半导体技术和电子家伙速与各个行业的具 体应用相结合后的常务。这一点就决定了它的设计和开发要将软件和硬件技术相结合， 特别是要对计算机系统的底层技术整合。而且，它还要将应用开发和特定行业特点以及 特定应用领域相结合。这些都决定了嵌入式系统是一个发散的，技术密集的和应用广泛 的系统。 ( 3 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣，去除冗余，力争在 相同地资源条件下实现更高地性能，只有这样，它才能完成特定系统地高要求。 ( 4 ) 嵌入式系统将软件，硬件和具体应用及行业特点有机地结合在一起。这使它地 升级换代也是一体地，所以嵌入式系统地产品生命周期一般比计算机系统长。 ( 5 ) 为了提高系统地执行速度和可靠性，嵌入式系统的软件一般都固化在存储器芯 片或单片机中，而不是存储在外加地磁盘等载体中【”。 2 1 世纪是嵌入式计算系统时代，人们日常生活和工作中所接触的仪器和设备中，都 将嵌入具有强大计算能力的微处理器。根据统计，目前每年只有1 0 - 2 0 的微处理器芯 片用于台式计算机或者笔记本电脑，8 0 左右的微处理器芯片是为嵌入式计算系统设计 和制造的。嵌入式计算系统已经广泛地应用到工业控制系统、信息家电、通信设备、医 疗设备、军事设备等众多领域中。尤其是最近几年，嵌入式计算系统不断进入到新的应 用领域，如p d a 、手持设备、智能家庭设备、智能电话等1 7 。 显而易见，嵌入式计算机技术是一种十分实用的技术，它广泛应用于多种类型的产 品设计中。针对如此巨大市场，围绕嵌入式系统展开的研究和开发也就成为了计算机技 术领域发展最活跃的方向之一。虽然微处理器的出现已有很长时间了，畅通的嵌入式系 统设计起源于2 0 世纪7 0 年代初，但是，嵌入式系统对信息技术( m 产业产生强有力的影 大连理工大学硕士学位论文 响还只是近几年的事。随着技术的发展，对嵌入式系统设计的要求也越来越复杂，传统 的手工设计方法已经不能满足快速、高效地设计复杂嵌入式系统的要求1 8 】。 根据摩尔定律，微处理器飞速发展的结果是使嵌入式计算成为一门科学。在嵌入式 系统的早期阶段，所有基本硬件构件相对较小也较简单，如8 位的c p u 、7 4 系列的芯 片及晶体管等，其软件子系统采用一体化的监控程序，不存在操作系统平台。目前组成 嵌入式系统的基本硬件系统已经较复杂，如1 6 位、3 2 位c p u 或特殊功能的微处理器、 特定功能的集成芯片、f p g a 或c p l d 等，其软件设计的复杂性成倍增长。 2 2 系统整体设计 嵌入式旋转机械监测系统，s a m s u n g 的$ 3 c 2 4 1 0 作为微处理器开发控制、存储和 网络功能模块，开发专用数据采集模块，构成一个数据采集分析的嵌入式系统，m p u 控制数据采集模块采集功能的开始和结束，并通过总线读取a d 转换结果，并可以做进 一步数据分析，这样的设计是一个理想的解决方案。根据系统要求，可以把监测过程分 为高速采集、数据处理和系统控制三部分。高速采集通过c p l d 和a d 来实现，系统控制 则由高性能的a r m 处理器丰l w i n d o w sc e n e t 嵌入式操作系统来完成，在w i n d o w sc e n e t 嵌入式操作系统平台运行e v c ( e m b e d d e dv i s u a lc + + 1 编写的应用程序，完成波形显示和 波形数据后续分析、用户操作控制等任务。通过中断方式实现c p l d ，a d 转换器与a r m 之间的高速数据传输，从整体提高系统的性能。 图2 1 系统框架图 f i g 2 1s ”t c mf r a m e 这样系统构架可以很好的满足旋转机械监测的设计要求。一方面，由c p l d 和a d 转换器构成的高速采集和高速数据处理子系统可以满足数据采集的实时性要求，实现实 基于w i n c e 的嵌入式旋转机械监测系统的研制 时的数据采集和处理：另一方面，w i n d o w sc e n e t 嵌入式操作系统和高性能a r m 微处 理器构成的系统控制子系统对数据采集的实时显示和复杂后续处理提供了很好的支持。 这种设计为未来监测设备向智能化、小型化发展构建了一个有效的工作平台。 基于w i n c e 的嵌入式旋转机械监测系统按功能主要分两部分：数据采集模块与监 测控制模块。 整个系统分为硬件和软件两大部分，其结构如图2 1 所示。 2 3 系统功能介绍 系统运行的时，首先，监测控制系统向数据采集模块发送开始采集的命令，数据采 集模块在接收到采集命令后开始进行采集数据，并将采集到的数据传送到监测控制系 统，由监测控制系统完成数据的显示、存储、处理。 ( 1 ) 数据采集模块 数据采集模块能在接受到系统命令后通过传感器采集旋转机械的振动信号，经过信 号调理后再将模拟信号转换为数字信号。a d 转换精度：1 4 b i t s ，测量精度为“振幅误 差5 ”，并且通道间无相差。 ( 2 ) 监测控制系统 该系统是整个监测系统的核心部分，本次开发是以$ 3 c 2 4 1 0 为硬件核心，嵌入式 w i n d o w sc e 作为操作系统，提供r s 4 8 5 、u s b 、r j 4 5 以太网等标准接口。很方便的连 接相应设备。同时配有6 0 0 x 4 8 0 l c d 显示屏幕，可以为用户提供一个友好的界面。为了 方便扩展海量存储器，系统还提供了c f 卡接口。 ( 1 ) 用于控制数据采集模块进行数据的采集。 ( 2 ) 读取数据采集终端采集到的数据并进行存储。 ( 3 ) 对数据进行波形的显示。 ( 4 ) 将分析的结果以波形的方式显示给用户。 大连理工大学硕士学位论文 3 系统硬件的设计 3 1 嵌入式系统的设计方法 嵌入式系统的设计一般分为三个阶段：分析阶段、设计阶段和实现阶段。每一阶段 都是一系列相关的活动。在分析阶段，需要了解和归档系统的目标，即决定系统应该做 什么。在设计阶段，确定如何在给定的约束下实现这些目标，即决定系统怎样可以做到。 在实现阶段，贯彻设计，建立并测试系统。 分析阶段类似于软件工程中的需求分析，一般分为这几个步骤： ( 1 ) 确定系统的约束条件。约束条件可能来自系统的内部或外部。重要的约束条件 包括：是否必须采用某种硬件，是否必须采用某种工具，是否依赖于固定的器件供应商 等。 ( 2 ) 罗列用户的要求。要使得开发出的系统能尽可能的满足用户的需求，必须从各 个角度去考虑。这里是一些必须要考虑的重要因素：系统用于什么任务，系统的外观、 重量、体积的限制，系统的可扩展性、可靠性、供电系统的设计等。 ( 3 ) 确定系统的软硬件。在这方面需要注意的是要尽量缩小选择范围，必须注意以 下问题：处理器的选择，总线带宽的考虑，操作系统选择。 ( 4 ) 确定开发计划。 设计阶段主要决定系统如何在给定的约束条件下完成设计要求。这个阶段的几个主 要步骤是：审查分析资料，说明硬件部件，定义硬件接口，说明软件接口，检查设计【8 j 。 3 2 系统硬件总体设计 嵌入式系统的基本架构是以嵌入式处理器为核心，扩展各种外围设备和硬件接口， 从而实现对众多上层应用的底层硬件支持。本嵌入式终端系统的总体硬件结构如图3 1 所示。 本系统微处理器采用了$ 3 c 2 4 1 0 处理器，利用$ 3 c 2 4 1 0 出色的内核性能和丰富的 外部接1 3 构造一个嵌入式系统平台，用于嵌入式旋转机械监测系统的设计。 作为b o o t 的n a n df l a s h 是s a m s u n g 公司的k 9 f 1 2 0 8 。容量为6 4 m b 。n a n df l a s h 为大容量的固态存储提供了相当高的性价比。它按照页进行自动编程，每一页大小为 5 2 8 ( 5 1 2 + 1 6 ) 个字节，编程的典型时间为2 0 0 m s ；擦除则按照块进行，每一块的大小为1 6 k 字节，典型的擦除时间为2 m s 。它在页面中读取单个数据的时间为5 0 n s 。k 9 f 1 2 0 8 总共 有4 8 个引脚，8 根i o 口线、读写控制线和电源线。i o 口是地址、命令输入和数据输 出输人的复用端1 3 。k 9 f 1 2 0 8 还提供了e c c 错误纠正码，实现坏区检测以及实时映射， 基于w i n c e 的嵌入式旋转机械监测系统的研制 这样它具有高达1 0 万次的编程擦除周期，数据保存长达1 0 年。$ 3 c 2 4 1 0 内部集成有 n a n df l a s h 控制器，在硬件上n a n df l a s h 直接与n a n dh a s h 控制器相连。在盘点机 平台中，n a n df l a s h 被用作装载操作系统镜像以及大容量的数据存储。同时也是系统 启动存储器。 图3 1 系统硬件框图 f i g 3 1h a r d w a r ea r c h i t e c t u r eo f t h es y s t e m s d r a m 被用来运行操作系统以及各类数据的缓存，可采用三星、现代等厂家的产 品。本系统采用现代公司的h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 ，它是4 m x l 6 b i t x 4 b a n k 的同步d r a m ，容量 为3 2 m b 。用2 片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 ，实现位扩展，使数据总线宽度为3 2 b i t ，总容量为6 4 m b ， 它的地址空间映射在$ 3 c 2 4 1 0 的b a n k 6 。 c p l d 采用a l t e r a 公司的m a x 3 0 0 0 a 系列产品，根据功能要求选用e p m 3 0 3 2 a t c 4 4 - 1 0 型号。利用m a x 3 0 0 0 a 系列器件可以实现高速的f i f o 或者利用其灵活的可编程性， 可以作为这个平台与外部其他功能模块的通用接口。本平台上实现了一个i d e 接口。也 实现了与c s 8 9 0 0 网卡芯片的数据交换。 因为$ 3 c 2 4 1 0 本身没有c f 卡接口，所以为了连接c f 卡，必须采用转换接口。实 际系统中采用了总线接口的i d e 接口转换为c f 卡接口。 3 3s 3 c 2 4 1 0 嵌入式处理器 s 3 c 2 4 1 0 是韩国三星电子公司最近推出的一款基于a r m 9 2 a t 内核的1 6 3 2 位r 1 s c 嵌入式微处理器。该处理器主要面向手持式设备以及高性价比、低功耗的应用。 该处理器采用0 1 趴mc m o s 制造工艺，内部采用了新的a d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l e r b u sa r c h i t e c t u r e ( a m b a ) 总线( a m b a 2 ) 。 大连理工大学硕士学位论文 图3 2 是a r m 9 2 0 t 的结构框图。 图3 2s 3 c 2 4 1 0 微处理器结构框图 f i g 3 2s 3 c 2 4 1 0a r c h i t e c t u r e a r m 9 2 0 t 核由a r m 9 t d m i 、存储管理单元m m u 和高速缓存三部分组成。其中， m m u 可以管理虚拟内存，高速缓存由独立的1 6 k b 地址和1 6 k b 数据高速c a c h e 组成。 a r m 9 2 0 t 有两个内部协处理器：c p l 4 和c p l 5 。c p l 4 用于调试控制，c p l 5 用于存储系 统控制以及测试控制。$ 3 c 2 4 1 0 集成了一个l c d 控制器( 支持s t n 和1 1 呵带有触摸屏 的液晶显示屏) 、s d r a m 控制器、n a n df l a s h 控制器、3 个通道的u a r t 、4 个通道的 d m a 、4 个具有p w m 功能的计时器和一个内部时钟、8 通道的1 0 位a d c 。s 3 c 2 4 1 0 还有很多丰富的外部接口，例如触摸屏接口、i i c 总线接口、i i s 总线接口、两个u s b 主机接口、一个u s b 设备接口、两个s p i 接口、s d 接口和m m c 卡接口。在时钟方面 $ 3 c 2 4 1 0 也有突出的特点，该芯片集成了一个具有日历功能的r t c 和具有p l l ( m p l l 和u p u 0 的芯片时钟发生器。m p l l 产生主时钟，能够使处理器工作频率最高达到 2 0 3 m h z ( p i i 核电压增加到2 o v 时最高2 6 6 m h z ) 。这个工作频率能够使处理器轻松运行 w i n d o w sc e 、l i n u x 等操作系统以及进行较为复杂的信息处理怫l o l 。u p l l 产生实现 u p l l 产生实现主从u s b 功能的时钟。 3 3 1s 3 c 2 4 1 0 存储器映射 s 3 c 2 4 1 0 将系统的存储空间分成8 个b a n k ，每个b a n k 的大小是1 2 8 m 字节，共1 g 字节。b a n k 0 到b a n k 5 的开始地址是固定的，用于r o m 或s r a m 。b a n k 6 和b a n k 7 用于 r o m 、s r a m 或s d r a m ，这两个b a n k 可编程，且大小相同。b a n k 7 的开始地址是b a n k 6 基于w i n c e 的嵌入式旋转机械监测系统的研制 的结束地址，灵活可变。所有内存块的访问周期都可编程，外部w a j t 扩展了访问周期。 s 3 c 2 4 1 0 采用n g c s 7 ：0 8 个通用片选线选择8 个b a n k 区。 图3 3 是s 3 c 2 4 1 0 微处理器的存储器映射图。 图3 3s 3 c 2 4 1 0 存储器映射图 f i g 3 3s 3 c 2 4 1 0m e m o r ym a pa f t e rr e s e t $ 3 c 2 4 1 0 支持n a n df i a s h 的b o o tl o a d e r ，n a n df l a s h 具有容量大、比x o r1 ：1 a s h 更具竞争力的价格等特点，系统采用n a n df l a s h 与s d r a m 组合，可以获得非常高的 性价比。s 3 c 2 4 1 0 具有三种启动方式，由o m i ：0 管脚选择：0 0 时处理器从n a n df l a s h 启动：0 1 时从1 6 位宽的r o m 启动；1 0 时从3 2 位宽r o m 启动。用户可以将b o o t l o a d e r 代码和操作系统镜像放在外部的n a n df l a s h ，采用n a n df l a s h 启动。处理器上电复 位时，通过内置的n a n d f l a s h 访问控制器将位于n a n d f l a s h 前4 k b 位置的b o o t l o a d c r 大连理工大学硕士学位论文 代码自动加载到片内的4 k bb o o ts r a m ( 此时该s r a m 定位于起始地址空间 0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 ，见图2 3 ) 并且运行，在b o o ts r a m 运行的b o o t l o a d e r 程序将操作系统的镜 像加载到s d r a m ，之后操作系统就能够在s d r a m 中运行。启动完毕后，4 k bb o o t s r a m 就可以用于其他用途1 1 ”。图3 4 说明了n a n df l a s h 的访问方式。如果从其他方 式b o o t ，b o o tr o m 就要定位于内存的起始地址空间0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 ，处理器直接在r o m 上运行b o o t 程序，此时4 k bb o o ts r a m 被定位于内存地址0 x 4 0 0 0 0 0 0 0 处。 图3 4n a n df l a s h 操作方案 f i g 3 4n a n d f l a s ho p e r a t i o ns c h e m e 3 3 2s 3 c 2 4 1 0 的总线 $ 3 c 2 4 1 0 是内部3 2 位地址，外部2 7 位地址，数据总线宽度3 2 位。2 0 3 m 主频，1 0 0 m 总线速度。 若外接8 位或1 6 位数据宽度的外设芯片，与c p u 相节时，核心板的数据总线宽度是 可以配置的，可分别配为3 2 位、1 6 位或8 位模式。设置是在b w s c o n 中的b w 位实现的。 在给外设分配片选时，设置好它的b w s c o n 中的这两位，在访问它的地址时就可以改变 数据宽度。1 6 位数据宽度时，是低1 6 位数据线有效，8 i f _ 模式时，是最低8 位数据线有效。 启动时这个对c s 0 是无效的，因为c s 0 是接存放启动代码的存储器片选，一般都是 基于w i n c e 的嵌入式旋转机械监测系统的研制 f l a s h ，在c p u 刚加电时，这时的数据宽度就无法用b w s c o n 来设置了，就只有硬件实 现了，又复位后硬件培植决定数据的宽度，复位默认为0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 。 3 4 核心板设计 核心板是整个系统的核心，集成了系统的处理器，s d r a m 单元，n a n df l a s h 单 元以及它们所需要的辅助部件，如晶体振荡器，电源模块等等【1 2 1 。 图3 5s d r a m 接口原理图 f i g 3 5s d r a m i n t e r f a c e 图3 5 是核心板s d r a m 接口部分的原理图，系统采用两片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 01 6 m x 1 6 b i ts d r a m 芯片，共同组成3 2 b i t 位数据宽度，6 4 m b 内存，兼容iv r n ，接口，支 大连理工大学硕士学位论文 持自动刷新( a u t o r e f r e s h ) 并 f l 自刷新( s e l f - r e f r e s h ) ，1 6 位数据宽度。h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 是一 款4 b a n k s x 4 m x l 6 b i t 的s d r a m 芯片，采用3 3 v 电源供电，比较适合嵌入式系统适用。 s d r a m 与其它的r a m 相比，有许多独特的优点，容量大，功耗低，速度快，最快可 以工作在1 6 6 m h z 频率下，通常存储时间为1 0 n s 。在高速存储系统中s d r a m 是必不可 少的外部存储设备。s d r a m 通过s 3 c 2 4 1 0 片内的s d r a m 控制器来管理，s d r a m 挂 接在b a n k 6 上。 在嵌入式系统领域，f l a