基于I_2C总线和SD卡的火车轮轴承温度采集系统_包本刚

1、应用天地APPLICATIONNOTES基于IC总线和SD卡的火车轮轴承温度采集系统包本刚,邹帅,刘坤,陈凯,刘磊,周显恩(湖南科技学院电子工程系,永州425100)2摘要:针对火车轮轴承温度采集系统对温度的实时采集与温度数据大量存储的要求,提出了一种实时解决方案。该方案选用S3C2440高性能ARM9处理器作为主控制器,采用I2C总线对各节点温度传感器(DS18B20)数据进行采集,并使用SD卡存储各个测量点大量的温度信息,以方便数据的转出和分析;同时,采用DS1302时钟芯片提供时间信息。本系统可移植到很多实际的海量数据采集场合,具有较高的实用价值。关键词:温度采集;S3C2440;I2C

2、总线;SD卡中图分类号:TP27文献标识码:ATrainWheelBearingTemperatureAcquisitionSystemBasedonICBusandSDCardBaoBengang,ZouShuai,LiuKun,ChenKai,LiuLei,ZhouXianen(DepartmentofElectricalEngineering,HunanUniversityofScienceandEngineering,Yongzhou425100,China)Abstract:Arealtimesolutionfortrainwheelbearingtemperatureacquisi

3、tionsystemisproposedwithregardtothedemandsofreal-timetemperaturecollectionandahighvolumeofdatastorage.Theschemeuseshigh-performanceARM9processorS3C2440asmastercon-trollerandacquiresmassivedataandtimeinformationfromtemperaturesensorthroughI2Cbus.ThetemperatureinformationissavedinSDcardtofacilitatethe

4、roll-outandanalysisofdata.ItofferstimeinformationusingDS1302clockchip.Thissystemcanbeportedtomanymassdatacollectionapplications,showinghighpracticalvalue.Keywords:temperatureacquisition;S3C2440;ICbus;SDcard22引言火车轮轴承的损坏将导致重大交通事故,提前预防是避免事故发生的最好办法。现有的轴承温度采集系统大都不能实时采集温度信息,而且不能大量保存相关信息供人们分析。本文介绍的火车轮轴承温度采

5、集系统运用高性能的处理器,能够在火车运行的过程中不断记录温度与时间信息,并实时地把相关信息存储到SD卡中。同时利用S3C2440处理器速度快的特点,可以实时对温度进行采集,并且可以高速地存储大量温度信息。通过时钟芯片,还可以记录对应时刻各测量点温度的情况。2系统硬件设计主控制器直接采用了Mini2440最小系统板。其处理器为三星S3C2440A,主频高达400MHz,很好地满足了系统对速度的要求。在温度测量方面,选取DS18B20数字温度传感器,它的精确度很好地满足了设计需要,价格较低,大大降低了开发成本。在通信方面,选取了I2C总线连接方式。利用处理器2个I/O口,简单方便地实现了数据的采集

6、。时钟芯片DS1302还为系统提供了准确时间信息,可让人们准确了解具体时刻各测量点的温度信息。该部分的示意图如图1所示。1系统设计原理火车轮轴承温度采集系统的工作原理是,各测量点通过2温度传感器获取轴承温度信息,随后通过IC总线把这些信息转输给主机,主机收到后根据数据进行超温报警等动作,同时把数据存储在SD卡中,以便查询。该系统以S3C2440A为主控制器,外部各个温度传感器直接挂接在I2C总线上,就可以实现主机对传感器数据的采集,从而简化了硬件电路。2009年国家自然科学基金资助项目(批准号30971698);2009年湖南省教育厅基金资助项目(批准号09C446),2008年湖南省教育厅大

7、学生研究性学习和创新性试验计划项目(湘教通2008269号)。图1数据采集部分框图582010年第4期adv(广告专用)APPLICATIONNOTES应用天地系统采用SD卡来扩展存储器。在该系统中,SD卡用于存储大量的信息,也可以很方便地将相关信息转出。S3C2440A处理器中集成了SD卡控制器,给硬件电路的设计带来了方便。SD卡硬件连接图如图2所示。3.3基于S3C2440的SD卡控制器设计主控制器S3C2440片内集成了功能强大的SD卡的控制器,加上其提供的1组寄存器,使编程工作变得相对简单。程序中定义相关寄存器如下:#definerSDICON#definerSDIPRE#define

8、rSDICARG#definerSDICCON#definerSDICSTA#definerSDIRSP0#definerSDIRSP1#definerSDIRSP2#definerSDIRSP3(volatileunsigned)0x5a000000)/SDIcontrol(volatileunsigned)0x5a000004)/SDIbaudrateprescaler(volatileunsigned)0x5a000008)/SDIcommandargument(volatileunsigned)0x5a00000c)/SDIcommandcontrol(volatileunsigned

9、)0x5a000010)/SDIcommandstatus(volatileunsigned)0x5a000014)/SDIresponse0(volatileunsigned)0x5a000018)/SDIresponse1(volatileunsigned)0x5a00001c)/SDIresponse2(volatileunsigned)0x5a000020)/SDIresponse3#definerSDIDTIMER#definerSDIBSIZE#definerSDIDCON(volatileunsigned)0x5a000024)/SDIdata/busytimer(volatil

10、eunsigned)0x5a000028)/SDIblocksize(volatileunsigned)0x5a00002c)/SDIdatacontrol#definerSDIDCNT(volatileunsigned)0x5a000030)/SDIdataremaincounter#definerSDIDSTA#definerSDIFSTA(volatileunsigned)0x5a000034)/SDIdatastatus(volatileunsigned)0x5a000038)/SDIFIFOstatus图2SD卡硬件连接图在轴承温度采集系统实际工作中,电源的稳定是相当重要的。该系统需

11、要5V、3.3V的工作电源。+5V电压经过LM1117稳压后,可以得到+3.3V的电压,供Mini2440最小系统板与SD卡电路使用,+5V的电压由温度传感器、时钟芯片等器件使用。电源模块硬件图如图3所示。图3电源模块硬件图3系统软件设计设计的主要任务是完成测量点与主机的通信,以及对各测量点温度数据的采集、处理和存储。3.1传感器数据的采集考虑到系统对温度采集实时性的要求,系统每隔100ms采集1次温度传感器的数据,并不间断地对整组测量点进行轮流采集,确保让每个测量点的温度数据能及时地被主机处理。数据采集软件流程如图4所示。3.2主机数据处理和管理软件的设计此模块软件的主要任务是处理采集的数据

12、并存储数据。软件将采集到的数据进行比较,如果温度有大于65,将启动报警程式,并可以根据温度的变化趋势采取相应的预防措施。同时,在每次读取传感器数据的过程中记录此刻的时间,软件将保存本次采集的温度和时间信息。当数据转出时,可以清晰地看到各个时刻所对应的不同温度。数据处理的软件流程如图5所示。图4数据采集软件流程图5数据处理软件流程paper(投稿专用)2010年第4期Microcontrollers&EmbeddedSystems59应用天地APPLICATIONNOTES#definerSDIIMSK(volatileunsigned)0x5a00003c)/SDIinterruptm

13、askinti;rSDIPRE=PCLK/(INICLK)-1;/400kHzrSDICON=(1<<4) 1;/时钟使能模式BrSDIFSTA=rSDIFSTA (1<<16);/FIFO复位rSDIBSIZE=0x200;rSDIDTIMER=0x7fffff;for(i=0;i<0x1000;i+);CMD0();if(Chk MMC OCR()MMC=1;RECMD2:/检查SD卡的绑定状态rSDICARG=0x0;/CMD2(stuffbit)rSDICCON=(0x1<<10) (0x1<<9) (0x1<<8) 0

14、x42;/lng resp,wait resp,start,命令2CMD2if(!Chk CMDend(2,1)gotoRECMD2;rSDICSTA=0xa00;RECMD3:rSDICARG=MMC<<16;rSDICCON=(0x1<<9) (0x1<<8) 0x43;/sht resp,wait resp,start,命令3CMD3if(!Chk CMDend(3,1)gotoRECMD3;rSDICSTA=0xa00;if(MMC)RCA=1;rSDIPRE=(PCLK/MMCCLK)-1;elseRCA=(rSDIRSP0&0xffff0

15、000)>>16;rSDIPRE=PCLK/(SDCLK)-1;if(rSDIRSP0&0x1e00!=0x600)gotoRECMD3;Card sel desel(1);if(!MMC)Set 4bit bus();elseSet 1bit bus();return1;uintmain(void)/0:SD,1:MMC4939200030000024000000uintinfo1023=0;uinti=0;Tx buffer=(unsignedint)0x31000000;RCA=0;MMC=0;rGPEUP=0xf83f;/端口上拉电阻设置/Select/检查SD卡的

16、OCR/设置写入块大小/设置超时值/等待74个时钟周期从各个寄存器定义后面的注释中可以看出相应寄存器的作用。这些寄存器相互配合,就可以很方便地实现协议所要求的复杂时序。在对各个寄存器有了全方位的把握之后,就可以实现SD卡的相关功能,其操作过程为:CPU寄存器设置过程正确设置SDICON寄存器;正确设置SDIPRE寄存器;等待74个时钟信号初始卡。向SDICARG寄存器中写入发送的参数;确定命令类型并且通过设置SDICCON8来启动命令;确定命令是否发送完成.没应答的话看SDICSTA11,有应答的话看SDICSTA9;清除SDICSTA中的相应位。向SDITIMER中写入超时值;向SDIBSI

17、ZE中写入块大小的值;设置块模式,总线宽度等,通过SDIDCON启动传输;通过SDIFSTA检查TxFIFO是否可用,再通过SDIDAT写入发送数据;通过SDIFSTA检查RxFIFO是否可用,再通过SDIDAT读入接收数据;通过检查SDIDSTA4确定传输过程已完成;清除SDIDSTA中的相应位。CMD命令发送过程数据传输过程程序采用模块化设计思想。以主程序为核心设置功能模块子程序,简化了设计结构。运行过程中通过主程序调用各功能模块子程序。通过程序的联合作用,实现了对SD卡的读写,对大量的温度、时间信息进行了实时可靠的保存。以下是数据采集保存部分的函数分析。#include<stdio

18、.h>#include<string.h>#include"def.h"#include"sdi.h"#include"temprature.h"unsignedintTx buffer;intMMC=0;volatileintRCA;#definePCLK#defineINICLK#defineSDCLKResetSD()602010年第4期adv(广告专用)APPLICATIONNOTES应用天地rGPECON=0xaaaaaaaa;/端口功能设置if(!ResetSD()/复位SD卡return0;while(

19、1)for(i=0;i<1023;i+)/读取256组温度,相关信息infoi=Get info();while(RD NEXT();/是否准备好读下一个WriteOneBlock(info0,Tx buffer);/将信息写入SD卡中Return1;2高学军,王君.基于ARM7的SD卡控制器的设计J.仪表系统设计J.仪表技术与传感器.2007,4(4):29-31.4桑兴民.基于ARM的最小应用系统设计与开发J.微计算机信息,2007(5):154-155.5周立功.ARM嵌入式系统基础教程M.北京:航空航天大学出版社,2005.6商丽娟.IC总线在监控检测系统中的应用J.计算机与网络

20、,2001,18:32-34.7黄咏梅.ARM的远程流量监控系统设计与实现J.中国计量学院学报,2007(1):22-258SamDiskCorporation.SDCardproductManualV1.9,2003.9胡志强.基于ARM的田间信息采集系统的设计与实现J.微计算机信息,2007(5):144-145.10姚德法.串行时钟芯片DS1302的原理与使用J.信息技术与信息化,2006(1):92-94.11苏义鑫,程敏,等.基于AT89C52的SD卡读写设计J.世界电子元器件,2008(8):65-68.包本刚(讲师),主要研究方向为电子系统设计和测试技术、DSP技2结语系统采用高性能处理器作为主控制器,高速地采集各节点温度信息,当温度过高时能及时报警,并能快速地存储大量温度与时间信息。运用SD卡能方便地将数据转出并进行分析。本系统设计方案已成功运用在湖南电力机车设备公司的产品中,对海量数据采集有较高参考价值。参考文献1张娟.基于多传感器数据融合的温室温度采集J.微计算机信息,2007(1):153-154.术及FPGA技术应用。(收稿日期:2009-12-07)(上接57页)结语随着汽车整车技术的不断发展和法规日益严格的要求,汽车电子系统会变得越来越复杂,采用操作系统来实现对复杂任务的管理和协调,将成为不可避免的趋势。本文通过混合动力整车控制器的软硬