任瑞文 鄒劍波 卞 鋼 穆瑞芳

(中國船舶重工集團(tuán)公司第704 研究所，上海200031)

微型化、智能化、數(shù)字化的便攜式微型信號(hào)處理儀器是現(xiàn)代科學(xué)儀器發(fā)展的重要方向，對(duì)整個(gè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)生活方式的改變起到了巨大作用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，將嵌入式設(shè)備作為一定領(lǐng)域內(nèi)信息交互的終端載體已經(jīng)成為一種必然趨勢(shì)［1］。嵌入式系統(tǒng)使控制系統(tǒng)硬件更加集成化、小型化，在運(yùn)算速率足以滿足所需控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)要求的前提下，選擇嵌入式系統(tǒng)能充分利用硬件資源，降低基于PC 虛擬儀器系統(tǒng)開發(fā)的成本費(fèi)用，減少硬件設(shè)備占據(jù)的空間，在較為惡劣的環(huán)境下具有較高的可靠性、更強(qiáng)的抗震性等優(yōu)點(diǎn)［1-2］。嵌入式系統(tǒng)以體積小、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、性價(jià)比高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)引起在社會(huì)生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用熱潮［3］。筆者設(shè)計(jì)了一種嵌入式系統(tǒng)，以Windows CE 操作系統(tǒng)和ARM9 硬件平臺(tái)為核心實(shí)現(xiàn)了對(duì)伺服液壓缸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)控。利用ARM 芯片自身的LCD 控制接口對(duì)彩色觸摸屏進(jìn)行顯示控制，優(yōu)化程序算法減少顯示模塊占用系統(tǒng)資源的比重，進(jìn)一步提高嵌入式系統(tǒng)對(duì)液壓伺服系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性。

1 嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)框架

本項(xiàng)目主要研究設(shè)計(jì)基于ARM9 核心的S3C2440開發(fā)板的控制系統(tǒng)對(duì)伺服液壓缸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。根據(jù)液壓系統(tǒng)自身控制特點(diǎn)在Windows CE 操作系統(tǒng)下完成對(duì)液壓伺服系統(tǒng)各模塊驅(qū)動(dòng)的開發(fā)，使其能夠承擔(dān)數(shù)據(jù)采集、處理、顯示等多項(xiàng)任務(wù)。實(shí)現(xiàn)Windows CE 系統(tǒng)下的移植并改進(jìn)算法，減少液晶觸屏模塊占用的系統(tǒng)資源，提高嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，設(shè)計(jì)用戶圖形界面以實(shí)時(shí)顯示液壓缸的位置、壓力、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等。本著簡(jiǎn)單、廉價(jià)、實(shí)用、易于推廣和應(yīng)用等設(shè)計(jì)原則，以S3C2440 為嵌入式控制器核心處理器的硬件組成的系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)的硬件采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，主要分成信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理與信號(hào)存儲(chǔ)發(fā)送模塊以及圖像顯示模塊等幾個(gè)部分，硬件主要有YCS-DIII 電液伺服綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)原理圖如圖2 所示。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)是專門為電液伺服系統(tǒng)測(cè)試與控制專業(yè)設(shè)計(jì)而成，集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換卡、激振卡、液壓元件模塊為一體，實(shí)驗(yàn)臺(tái)配置了完備的各種類型傳感器，包括壓力傳感器、流量傳感器、光柵傳感器、速度傳感器、位移傳感器等，以滿足各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)測(cè)試的需要;型號(hào)為TE-2440 -Ⅱ的ARM9 嵌入式開發(fā)板，開發(fā)板所采用的S3C2440A 微處理器是一款由Samsung 半導(dǎo)體公司推出的高性能、低功耗、高集成度并具有工業(yè)級(jí)溫度范圍和性能的微處理器［4-5］;ARM9 開發(fā)板自帶TFT7 英寸LCD 一塊，帶觸摸屏和觸摸筆，用于Lab-VIEW 圖形化設(shè)計(jì)的用戶界面顯示;芯片型號(hào)為ATmega16l 的AVR 系列單片機(jī)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)YCS -DIII電液伺服綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)的壓力傳感器、流量傳感器、電液比例閥、換向閥等的數(shù)據(jù)采集、處理與控制。硬件系統(tǒng)組成如圖3 所示，信號(hào)由AVR 單片機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊從液壓系統(tǒng)采集后，經(jīng)初步處理的數(shù)字信號(hào)通過串口通訊傳輸?shù)紸RM 硬件平臺(tái)中，然后由基于LabVIEW 虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)設(shè)計(jì)的圖形顯示終端實(shí)時(shí)顯示采集的信號(hào)波形。

2.1 信號(hào)采集模塊

信號(hào)采集模塊采用的是AVR 系列單片機(jī)的ATmega16L 芯片的最小系統(tǒng)板。AVR 單片機(jī)的PA0～PA7 可以作為模擬量輸入，且8 個(gè)采集通道的采集精度為10 bit，AVR 將通道采集到的10 bit 采集信號(hào)按照發(fā)送協(xié)議組成一個(gè)16 位的字發(fā)送給上位機(jī)ARM 開發(fā)板。由于AVR 是8 位單片機(jī)，串口通訊過程中數(shù)據(jù)信號(hào)按字節(jié)傳送，因此需要制定發(fā)送協(xié)議將采集數(shù)據(jù)的信息包含在一個(gè)字(兩個(gè)字節(jié))內(nèi)。AVR 最小系統(tǒng)的引腳資源分配如表1 所示。

表1 AVR 單片機(jī)管腳資源功能分配

在AVR 最小系統(tǒng)板上集有母口的RS232 串口、外圍電路和外擴(kuò)輸入輸出口數(shù)據(jù)包定義格式如圖4 所示。ATmega16 通過JTAG 接口從上位PC 機(jī)的下載軟件將程序燒寫到芯片中。

如圖4 所示，其中每個(gè)字節(jié)的最高位作為10 bit有效數(shù)據(jù)的高位與低位選擇位，當(dāng)檢測(cè)到最高位為1時(shí)，所接收的字節(jié)低位后3 位是有效數(shù)據(jù)高位的前3數(shù)據(jù)，而檢測(cè)到最高位為0 時(shí)，接收的字節(jié)為有效數(shù)據(jù)低位的后7 位數(shù)據(jù)，10 bit 有效數(shù)據(jù)由所接收的高位字節(jié)的后3 位和低位字節(jié)后7 位數(shù)據(jù)組成。

如圖5 所示為開關(guān)量輸出繼電器拓展板的電路原理圖，AVR 單片機(jī)的數(shù)字開關(guān)量輸出信號(hào)通過PB 口連接到拓展板對(duì)應(yīng)的電路接口，AVR 單片機(jī)管腳輸出低電平時(shí)能觸發(fā)對(duì)應(yīng)管腳繼電器閉合。

2.2 信號(hào)處理模塊

系統(tǒng)信號(hào)分析和處理終端硬件采用飛凌的ARM9開發(fā)板，操作系統(tǒng)采用Windows CE 5.0。Windows CE操作系統(tǒng)提供了強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)和通信能力，允許嵌入式硬件設(shè)備以無線或有線的方式，安全便捷地連接到計(jì)算機(jī)的Windows XP 平臺(tái)中，便于開發(fā)者與開發(fā)設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，快速訪問和開發(fā)。Platform Builder 5.0是微軟公司提供的一種針對(duì)Windows CE 操作系統(tǒng)定制的工具。開發(fā)者可以使用該工具交互式的環(huán)境來設(shè)計(jì)和定制系統(tǒng)所需內(nèi)核、選擇系統(tǒng)特性以及進(jìn)行外圍設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)，最后進(jìn)行編譯，并生成Windows CE 操作系統(tǒng)內(nèi)核鏡像文件。開發(fā)者可以方便的將內(nèi)核鏡像文件下載并固化至ARM 開發(fā)板上，上電后即可自動(dòng)啟動(dòng)Windows CE 操作系統(tǒng)，為信號(hào)處理提供良好的運(yùn)行環(huán)境［6-7］。

2.3 信號(hào)顯示模塊

當(dāng)前，在嵌入式信號(hào)處理儀器中幾乎都有使用信號(hào)顯示模塊或功能拓展。在眾多顯示器件當(dāng)中，液晶顯示屏則以其體積小、低功耗等特點(diǎn)，而在便攜式設(shè)備中得到非常廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)為了對(duì)液壓伺服裝置運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，需要顯示實(shí)時(shí)參數(shù)的波形和處理數(shù)據(jù)等信息，一方面要求顯示視窗不能太小，同時(shí)考慮到功耗、惡劣環(huán)境下使用等問題，所以選飛凌ARM9 開發(fā)板自帶的7 英寸觸摸式液晶屏作為本系統(tǒng)的液晶顯示屏。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要根據(jù)控制單元的不同，分為Lab-VIEW 信號(hào)處理模塊和基于Windows CE 操作系統(tǒng)的ARM 硬件平臺(tái)的嵌入式兩部分，Windows CE 作為嵌入式操作系統(tǒng)，而Nl LabVIEW Touch Panel Module For Windows CE 作為開發(fā)工具［8］，在基于Windows 操作的PC 機(jī)上進(jìn)行開發(fā)，然后通過ActiveSync 工具移植到基于Windows CE 操作系統(tǒng)的硬件平臺(tái)中，綜合利用LabVIEW 和ARM 各自的優(yōu)勢(shì)，從而快速、高效的開發(fā)具有復(fù)雜功能、高性價(jià)比的嵌入式系統(tǒng)?；贚ab-VIEW Touch Panel 模塊下完成信號(hào)處理和圖形顯示軟件程序，然后以可執(zhí)行性程序通過移植到Windows CE操作系統(tǒng)的ARM9 硬件平臺(tái)中運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)本儀器的功能設(shè)計(jì)和LCD 圖形顯示功能。圖6 為顯示界面的Lab VIEW 部分程序框圖。

圖7 為Lab VIEW 前面板實(shí)時(shí)顯示界面。該采集系統(tǒng)可以分為參數(shù)設(shè)置、波形顯示、模擬量輸出、開關(guān)量輸出、數(shù)字開關(guān)量讀取等選項(xiàng)卡，通過切換選項(xiàng)卡選取功能實(shí)現(xiàn)控制。在參數(shù)設(shè)置選項(xiàng)卡里設(shè)置串口通訊的串口端口、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗(yàn)以及液壓標(biāo)定參數(shù)等一些設(shè)置參數(shù)。在波形圖顯示選項(xiàng)卡可以將采集的兩路模擬信號(hào)顯示在示波窗口。另外可以保存采集信號(hào)寫入到數(shù)據(jù)文件中以便后期做回放和高級(jí)數(shù)據(jù)處理。開關(guān)量選項(xiàng)卡可以通過輸出數(shù)字量開關(guān)控制AVR 單片機(jī)的管腳輸出相應(yīng)的高低電平，以控制電磁閥的換向等。

4 嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)界面

通過分析信號(hào)處理系統(tǒng)的基本原理，以及目前信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)，提出利用Lab VIEW 圖形化設(shè)計(jì)方法，借助ARM9 體積小、功能強(qiáng)大、易控制、靈活開發(fā)等特點(diǎn)，開發(fā)了一套便攜式通用信號(hào)處理平臺(tái)。該儀器不僅具有信號(hào)采集、分析、處理、存儲(chǔ)和顯示功能，在無線網(wǎng)卡的硬件支持下，將來還可以拓展開發(fā)其無線傳送功能，為數(shù)據(jù)的進(jìn)一步開發(fā)處理，實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)的圖像化、智能化、自動(dòng)化奠定了良好的基礎(chǔ)。該系統(tǒng)軟件的運(yùn)行界面如圖8 所示，主要包括界面選擇區(qū)、信號(hào)顯示區(qū)、信號(hào)指示燈和操作按鈕。界面選擇區(qū)主要包括波形圖、模擬量、開關(guān)量和參數(shù)設(shè)置4 個(gè)界面。系統(tǒng)軟件的運(yùn)行初始默認(rèn)界面為波形圖界面。

圖8 為信號(hào)發(fā)生器發(fā)送的30 Hz 的正弦信號(hào)和三角波信號(hào)。通過AVR 模擬量采集和采集數(shù)據(jù)上傳到ARM 開發(fā)板，并將數(shù)據(jù)以曲線形式顯示在嵌入式Labview 監(jiān)控界面上。

5 結(jié)語

基于LabVIEW 的圖形化嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)在于圖形化程序簡(jiǎn)單直觀、人機(jī)交互性好、代碼移植性強(qiáng)、硬件資源豐富、擴(kuò)展性強(qiáng)、可以連接各種類型的外設(shè)模塊。另外ARM 嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)具有占用空間小、抗震能力強(qiáng)、攜帶方便等特點(diǎn)。采用嵌入式控制系統(tǒng)，有利于減小系統(tǒng)的體積、重量，優(yōu)化系統(tǒng)資源分配，降低液壓伺服控制系統(tǒng)的成本，增強(qiáng)系統(tǒng)抗震性，本項(xiàng)目應(yīng)用研究在液壓系統(tǒng)的監(jiān)控上有較好的創(chuàng)新性，具有很好的工程應(yīng)用前景。

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