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        基于Linux的WFT嵌入式數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2013-02-28 01:25:42劉慶華李晶晶張為公
        關(guān)鍵詞:線程命令報(bào)文

        劉慶華,李晶晶,張為公,何 仁

        (1.江蘇科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江212003)(2.東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京210018)(3.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江212013)

        汽車實(shí)車道路試驗(yàn)作為不可替代的重要汽車試驗(yàn)與測(cè)試方法,對(duì)于分析評(píng)價(jià)汽車動(dòng)態(tài)性能、道路載荷譜數(shù)據(jù)采集以及臺(tái)架路譜再現(xiàn)等具有重要的意義[1].目前汽車道路試驗(yàn)技術(shù)在發(fā)達(dá)國家,以美國、日本、德國最為先進(jìn),已研制出各種先進(jìn)的隨車專用傳感器及數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng),可進(jìn)行多種汽車道路試驗(yàn).國內(nèi)絕大多數(shù)的汽車生產(chǎn)商和檢測(cè)單位均購買或租賃國外現(xiàn)有的車輪力傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行整車試驗(yàn).國內(nèi)尚未出現(xiàn)企業(yè)或其他研究機(jī)構(gòu)規(guī)?;_發(fā)與生產(chǎn)具有一定系統(tǒng)性與集成性的車輪多維力傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[2-5].

        本項(xiàng)目組為實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車道路載荷譜數(shù)據(jù)的采集,以車輪力傳感器(wheel force transducer,WFT)為核心,與其他分立系統(tǒng)(包括數(shù)據(jù)傳輸采集模塊、WFT嵌入式數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、道路載荷譜顯示分析系統(tǒng))共同組成了一套道路載荷譜數(shù)據(jù)采集與顯示分析系統(tǒng),具有廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值.其中本嵌入系統(tǒng)作為項(xiàng)目中4串口設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器,共完成了1個(gè)網(wǎng)口與上位機(jī)(道路載荷譜顯示分析系統(tǒng))、4個(gè)串口與下層模塊(數(shù)據(jù)傳輸采集模塊)間的通訊,并把所采集到的垂直力Fz、回正力矩Mz等[6]的二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行保存與上傳至上位機(jī)等.

        1 總體設(shè)計(jì)

        整個(gè)項(xiàng)目的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1.貼在彈性體上的應(yīng)變傳感器通過排線連接到組橋電路(安裝在彈性體上);數(shù)據(jù)采集模塊采用5 V電池組供電,采集來自于組橋電路的差分輸出,以及磁電式編碼器的輸出;數(shù)據(jù)傳輸模塊所需電源由本系統(tǒng)提供,并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至本系統(tǒng);道路載荷譜分析顯示系統(tǒng)作為以太網(wǎng)的客戶端連接到本系統(tǒng)的服務(wù)端,進(jìn)行數(shù)據(jù)交互.

        圖1 項(xiàng)目系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架Fig.1 Frame of project system structure

        2 硬件設(shè)計(jì)

        本W(wǎng)FT嵌入式數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)WFT多串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)以太網(wǎng)的上位機(jī)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸,系統(tǒng)硬件采用板載英特爾Navy pier N270處理器(1.6 GHz),與市場(chǎng)上其他PC/104 CPU模塊相比更為經(jīng)濟(jì).作為一款可編程串口設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器,本系統(tǒng)硬件支持1個(gè)10/100Base-TX以太網(wǎng)接口、2個(gè)USB 2.0接口、4個(gè)串口、1個(gè)18位LVDS接口、2個(gè)PS/2接口(鍵盤與鼠標(biāo))和實(shí)時(shí)時(shí)鐘,可以實(shí)現(xiàn)RS-232串行接口與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信.除CPU外其他芯片主要采用Intel 945GSE和ICH7-M(82801GBM),確保了更好的工作性能,為完成本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求奠定了基礎(chǔ).本系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2[7].

        圖2 硬件總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of hardware structure

        本嵌入式系統(tǒng)建立于板載Intel Atom Navy pier N270處理器與Intel 945GSE+ICH7-M芯片組上,其具體設(shè)計(jì)如下:主板采用PC104主板;CPU選用Intel Navy pier N270處理器,主頻1.6 GHz,功耗為2.5 W;系統(tǒng)配備SCH3114芯片,便于控制與擴(kuò)展I/O;實(shí)時(shí)時(shí)鐘選用ICH7-M芯片控制;系統(tǒng)內(nèi)存采用DDRLL533,最高可達(dá)1 GB內(nèi)存;采用PCI-104擴(kuò)展接口;AT/ATX電源模式,12 V輸入下運(yùn)行.

        硬件內(nèi)預(yù)裝的Linux操作系統(tǒng)為軟件設(shè)計(jì)提供了開源軟件的開發(fā)平臺(tái),其高容量的內(nèi)存可以直接下載運(yùn)行應(yīng)用程序,這有利于系統(tǒng)的多次設(shè)計(jì)開發(fā).作為符合標(biāo)準(zhǔn)Linux系統(tǒng)架構(gòu)的操作系統(tǒng),凡符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序,經(jīng)過交叉編譯工具編譯以后,可以很容易移植到本系統(tǒng)硬件設(shè)備上運(yùn)行,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3.將本嵌入式系統(tǒng)的軟件在PC機(jī)上經(jīng)過交叉編譯,然后移植到本系統(tǒng)的硬件設(shè)備上,就可以完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)所要求的全部功能[8].

        圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 System structure

        3 軟件設(shè)計(jì)

        3.1 Linux 操作系統(tǒng)

        Linux是指一套免費(fèi)使用和自由傳播的類UNIX操作系統(tǒng),通常所說的Linux是Linus Torvalds所寫的Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核.從Linux的發(fā)展過程可以看出,Linux從最開始就是一個(gè)開放系統(tǒng),并且它始終遵循著源代碼開放的原則,是一個(gè)成熟而穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng),作為嵌入硬件的操作系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢(shì):① 低成本開放系統(tǒng),Linux的源碼開放性使任何人可以獲取并修改Linux源碼,這大大降低了開發(fā)成本和提高了開發(fā)產(chǎn)品的效率;②可應(yīng)用于多種硬件平臺(tái),Linux可支持多種體系結(jié)構(gòu),并且已經(jīng)被移植到多種硬件平臺(tái)使用;③可定制的內(nèi)核,Linux的內(nèi)核可裁剪;④ 性能優(yōu)異,Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核精簡(jiǎn)、高效并且穩(wěn)定,能充分發(fā)揮硬件的功能;⑤ 良好的網(wǎng)絡(luò)支持,Linux是首先實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧的操作系統(tǒng),它的內(nèi)核結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)方面是非常完整的.以上特性表明,本W(wǎng)FT嵌入數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用Linux作為操作系統(tǒng)對(duì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)具有較多優(yōu)勢(shì).

        3.2 多線程技術(shù)

        多線程技術(shù)早在60年代就被提出,但真正應(yīng)用到操作系統(tǒng)中是在80年代中期,現(xiàn)已被許多操作系統(tǒng)所支持.多線程程序作為一種多任務(wù)、并發(fā)的工作方式,有如下優(yōu)點(diǎn):① 相比于進(jìn)程,使用多線程除節(jié)省資源外,線程間彼此轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于進(jìn)程間轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間[9];② 不同線程可以并行執(zhí)行不同的任務(wù),且它們之間互相不會(huì)干擾;③改善程序的結(jié)構(gòu),一個(gè)既長又復(fù)雜的進(jìn)程可以考慮分為多個(gè)線程,成為幾個(gè)獨(dú)立或半獨(dú)立的運(yùn)行部分,這樣的程序便于理解和修改.

        線程的層次被分為用戶級(jí)線程(在應(yīng)用軟件中創(chuàng)建和操縱)、內(nèi)核級(jí)線程(操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大多數(shù)線程)與硬件線程(線程在硬件資源上的表現(xiàn)).本系統(tǒng)軟件是在用戶級(jí)線程進(jìn)行設(shè)計(jì)編程,可調(diào)用線程庫API,操作系統(tǒng)在內(nèi)核級(jí)進(jìn)行線程管理,并完成軟件線程到硬件線程的映射工作.

        多線程程序設(shè)計(jì)的基本思想主要包括對(duì)3種問題的分解:任務(wù)分解,不同程序行為采用不同線程實(shí)現(xiàn),是對(duì)問題的縱向切割;數(shù)據(jù)分解,多個(gè)線程對(duì)不同數(shù)據(jù)塊執(zhí)行相同的操作,是對(duì)問題的橫向切割;數(shù)據(jù)流分解,一個(gè)線程的輸出作為另一個(gè)線程的輸入,即流水線模型.本W(wǎng)FT嵌入式傳輸系統(tǒng)的軟件是采用任務(wù)分解和數(shù)據(jù)分解相結(jié)合的方式進(jìn)行設(shè)計(jì).

        Linux系統(tǒng)下的多線程遵循POSIX線程接口,稱為pthread,編寫Linux下的多線程程序,需要使用頭文件pthread.h,連接時(shí)需要使用庫libpthread.a.

        3.3 軟件框架

        本嵌入式系統(tǒng)采用了多線程技術(shù),對(duì)4路車輪力傳感器的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行了快速與同步的采集.圖4為本系統(tǒng)的軟件框架圖,從圖上可以得知,對(duì)采集過程的控制既可以通過上位機(jī)(與本系統(tǒng)通過網(wǎng)口連接),也可以通過命令參數(shù)來進(jìn)行:當(dāng)網(wǎng)口接收到來自于上位機(jī)的命令報(bào)文后,令切換參數(shù)為1(pp=1);當(dāng)某特定的命令參數(shù)被獲得(即某特定按鍵被按下)后,令切換參數(shù)為0(pp=0);所以可根據(jù)pp值的不同判斷此時(shí)是處于上位機(jī)控制采集過程,還是命令參數(shù)控制采集過程.

        圖4 軟件系統(tǒng)框架Fig.4 Software system framework

        3.4 程序設(shè)計(jì)

        在main函數(shù)里,首先對(duì)串口進(jìn)行了初始化,然后創(chuàng)建5個(gè)線程,網(wǎng)絡(luò)初始化與接收,接著線程掛起等待,最后關(guān)閉網(wǎng)絡(luò),關(guān)閉串口.主程序的執(zhí)行流程具體如圖5.

        圖5 主程序流程Fig.5 Flowchart of main program

        3.4.1 主線程與子線程的具體設(shè)計(jì)

        在主線程中進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸,是作為網(wǎng)絡(luò)的Server服務(wù)器與上位機(jī)間進(jìn)行通訊.

        1)使用sock函數(shù)和bind函數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)端口號(hào)進(jìn)行了初始化與綁定,然后listen函數(shù)監(jiān)聽,accep函數(shù)等待并接受客戶端的請(qǐng)求[10].

        2)網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)使用recv函數(shù),對(duì)接收到的數(shù)據(jù)報(bào)文首先進(jìn)行解析,提取出報(bào)文類型與采集模塊的值.根據(jù)報(bào)文類型的值可以判斷上位機(jī)發(fā)送給本系統(tǒng)的命令是屬于何種命令(包括激活、休眠、開始、停止命令),再做出相應(yīng)不同的處理.當(dāng)為激活、休眠、開始、停止命令時(shí),分別令采集控制參數(shù)coll_flag 為 0,1,2,3.

        3)串口寫入函數(shù)為write函數(shù),根據(jù)網(wǎng)口接收到數(shù)據(jù)報(bào)文命令的采集模塊值,判斷出該向哪一串口模塊轉(zhuǎn)發(fā)此數(shù)據(jù)報(bào)文.

        4)使用pthread_create函數(shù)創(chuàng)建5個(gè)采集子線程并開始執(zhí)行;pthread_join函數(shù)等待各線程結(jié)束,并回收線程資源.

        子線程包括從線程1與從線程2,3,4,5,其具體實(shí)現(xiàn)過程如下:

        1)從線程1主要負(fù)責(zé)接收命令參數(shù),當(dāng)某命令參數(shù)被獲得(某命令按鍵被按下)時(shí),向4個(gè)串口寫入與命令參數(shù)相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)報(bào)文(激活、休眠、開始、停止命令),此外在發(fā)送上述命令時(shí),做出相應(yīng)不同的處理.當(dāng)為激活、休眠、開始、停止命令時(shí),分別令 coll_flag=0,1,2,3.

        2)從線程2,3,4,5主要執(zhí)行從4個(gè)串口讀入數(shù)據(jù),通過這4個(gè)串口實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)與下位機(jī)(下層采集傳輸模塊)間的通訊,其執(zhí)行的是相同的函數(shù),流程圖都如圖6,由圖可知其具體執(zhí)行的操作如下:

        當(dāng)切換參數(shù)為1(有上位機(jī))時(shí),通過網(wǎng)口轉(zhuǎn)發(fā)從串口中讀入的數(shù)據(jù)至上位機(jī),此外,根據(jù)采集控制參數(shù)的不同,執(zhí)行不同的操作.

        當(dāng)切換參數(shù)為0(無上位機(jī))時(shí),根據(jù)控制采集參數(shù)的不同,從而執(zhí)行不同的操作.當(dāng)coll_flag=0或1時(shí),確保4個(gè)串口都讀入到正確返回命令數(shù)據(jù)后,才可以寫入下一采集命令數(shù)據(jù).當(dāng)coll_flag=2(開始采集命令)時(shí),保存從串口中讀入的返回采集數(shù)據(jù)至文件夾下的對(duì)應(yīng)文件;當(dāng)coll_flag=3(停止采集命令)時(shí),確保4個(gè)串口都無數(shù)據(jù)讀入后,才接收下一個(gè)命令的發(fā)出,并打印從串口讀入的數(shù)據(jù)直至串口無數(shù)據(jù)讀入為止.

        圖6 數(shù)據(jù)采集流程Fig.6 Flowchart of data acquisition

        3.4.2 采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

        本車輪力傳感器嵌入式數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)對(duì)返回的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行了上傳與本地存儲(chǔ).其中本地存儲(chǔ)具體實(shí)現(xiàn)的過程如下:

        1)在接收到開始采集命令后,以當(dāng)前年月日創(chuàng)建一個(gè)文件夾(如WFTcollection20120512),若已經(jīng)存在就打開此文件夾;通過解析開始采集命令數(shù)據(jù)報(bào)文,獲得采集模塊的值,在上述文件夾下分別創(chuàng)建以采集模塊值(1,2,3,4阿拉伯?dāng)?shù)字)命名的文件夾,若已經(jīng)存在就打開此文件夾;打開一個(gè)二進(jìn)制文件,并以當(dāng)前的時(shí)分秒命名(如115021.bin).

        2)當(dāng)從串口中接收到數(shù)據(jù)要保存時(shí),將采集到的數(shù)據(jù)寫入上述打開的文件.

        4 系統(tǒng)測(cè)試

        本項(xiàng)目系統(tǒng)對(duì)道路載荷譜數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,要求每接收到一份采集數(shù)據(jù)報(bào)文,用時(shí)必須在5 ms以內(nèi).為了驗(yàn)證本W(wǎng)FT嵌入式傳輸系統(tǒng)的性能是否能夠滿足要求,任意選擇本嵌入式系統(tǒng)的某一個(gè)串口,利用串口調(diào)試助手模擬下位機(jī)(數(shù)據(jù)傳輸模塊與數(shù)據(jù)采集模塊)向本系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù),對(duì)本嵌入系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)的錯(cuò)碼率與丟包率進(jìn)行測(cè)試,同時(shí)串口助手也可以接收來自本嵌入式系統(tǒng)的返回?cái)?shù)據(jù)并顯示.

        設(shè)置串口助手每1 ms發(fā)送一次相同的采集數(shù)據(jù)(滿足本項(xiàng)目系統(tǒng)的通訊協(xié)議)給本系統(tǒng),共發(fā)送26 527次.本系統(tǒng)會(huì)將接收到的采集數(shù)據(jù)保存至以當(dāng)前時(shí)間命名的二進(jìn)制文件中,接收數(shù)據(jù)結(jié)束后,將此二進(jìn)制文件通過USB拷貝至筆記本電腦,在VC++6.0環(huán)境下通過編程實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的比對(duì),其具體比對(duì)過程為:通過循環(huán)語句,每次從二進(jìn)制文件中讀取17 Byte數(shù)據(jù)與串口助手每次發(fā)送的17 Byte數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì),如果有一字節(jié)發(fā)生錯(cuò)誤,則錯(cuò)碼數(shù)加1;接收到的采集數(shù)據(jù)報(bào)文總個(gè)數(shù)應(yīng)該為26 527,即總字節(jié)數(shù)為450 959(26 527×17),若接收的字節(jié)數(shù)比450 959少n個(gè),則丟包數(shù)加n;將錯(cuò)碼數(shù)除以26 527再乘以100就得到錯(cuò)碼率,將丟包數(shù)除以450 959再乘以100就得到丟包率.結(jié)果顯示未出現(xiàn)丟包,錯(cuò)碼百分率為0.011 309.

        再一次進(jìn)行測(cè)試,具體過程與上述相同,只是將串口助手的循環(huán)時(shí)間間隔改為5 ms,結(jié)果顯示未出現(xiàn)丟包,未出現(xiàn)錯(cuò)碼.

        對(duì)其他3個(gè)串口也進(jìn)行上述相同的系統(tǒng)測(cè)試,試驗(yàn)結(jié)果表明:本系統(tǒng)能夠滿足5 ms以內(nèi)接收一份采集數(shù)據(jù)報(bào)文的性能要求,能夠準(zhǔn)確完整采集各路傳感器的信息,具有較高精確性與實(shí)時(shí)性.

        5 試驗(yàn)結(jié)果

        本試驗(yàn)(汽車實(shí)車道路試驗(yàn))采集到的數(shù)據(jù)實(shí)際為組橋電路的差分輸出值與磁電式編碼器的輸出值:組橋電路的差分輸出值為AD轉(zhuǎn)換值,與力、力矩存在某種線性關(guān)系;磁電式編碼器測(cè)量的為車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率,與解耦采集數(shù)據(jù)有關(guān).

        將本嵌入式傳輸系統(tǒng)與項(xiàng)目中其他分立系統(tǒng)聯(lián)立后進(jìn)行了多次試驗(yàn),圖7與圖8分別為汽車在水泥和卵石路面上進(jìn)行道路載荷譜數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)曲線,此曲線是在數(shù)據(jù)采集時(shí)由Window系統(tǒng)下MFC載入的IOCOMP控件在VC++中編寫軟件繪制.

        圖7 水泥路面Fz實(shí)時(shí)顯示曲線Fig.7 Curve of Fz

        圖8 卵石路面Fz實(shí)時(shí)顯示曲線Fig.8 Curve of Fz

        將圖7與圖8中的曲線進(jìn)行對(duì)比,圖7曲線中幅值大致范圍為[4 500,3 500]N,圖8曲線中幅值大致范圍為[2 000,5 500]N,求解出圖7對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集平均值為3 465.7 N,方差為296.46 N2,圖8對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集平均值為3 782.3 N,方差為726.41 N2,由方差值的大小可以描述出圖8曲線的波動(dòng)程度比圖7大.可見圖8所示路面更不平整,起伏較大,所采集數(shù)據(jù)與路面實(shí)際情況一致.

        6 結(jié)論

        文中為滿足車輪力傳感器數(shù)據(jù)采集的需要,在Linux開發(fā)環(huán)境下設(shè)計(jì)了一套多傳感器嵌入式數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),并對(duì)系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì).目前該系統(tǒng)已能較好完成數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)和精確采集的功能,多次試驗(yàn)測(cè)試表明,該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展和兼容性,數(shù)據(jù)采集性能穩(wěn)定可靠,能夠滿足道路載荷譜數(shù)據(jù)采集的性能要求,作為自主研制的車、路測(cè)試儀器具有重要的應(yīng)用價(jià)值.

        References)

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