基于ARM 的液壓裝置的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)

任瑞文 鄒劍波 卞 鋼 穆瑞芳

(中國船舶重工集團公司第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處理儀器是現(xiàn)代科學儀器發(fā)展的重要方向，對整個科學技術的發(fā)展和社會生活方式的改變起到了巨大作用。隨著計算機技術和嵌入式技術的飛速發(fā)展，將嵌入式設備作為一定領域內信息交互的終端載體已經成為一種必然趨勢［1］。嵌入式系統(tǒng)使控制系統(tǒng)硬件更加集成化、小型化，在運算速率足以滿足所需控制系統(tǒng)的實時要求的前提下，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)的成本費用，減少硬件設備占據(jù)的空間，在較為惡劣的環(huán)境下具有較高的可靠性、更強的抗震性等優(yōu)點［1-2］。嵌入式系統(tǒng)以體積小、實時性強、性價比高、穩(wěn)定性好等特點引起在社會生產生活的各個領域應用熱潮［3］。筆者設計了一種嵌入式系統(tǒng)，以Windows CE 操作系統(tǒng)和ARM9 硬件平臺為核心實現(xiàn)了對伺服液壓缸的運動狀態(tài)的監(jiān)控。利用ARM 芯片自身的LCD 控制接口對彩色觸摸屏進行顯示控制，優(yōu)化程序算法減少顯示模塊占用系統(tǒng)資源的比重，進一步提高嵌入式系統(tǒng)對液壓伺服系統(tǒng)控制的實時性。

1 嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)框架

本項目主要研究設計基于ARM9 核心的S3C2440開發(fā)板的控制系統(tǒng)對伺服液壓缸的運動狀態(tài)進行監(jiān)控。根據(jù)液壓系統(tǒng)自身控制特點在Windows CE 操作系統(tǒng)下完成對液壓伺服系統(tǒng)各模塊驅動的開發(fā)，使其能夠承擔數(shù)據(jù)采集、處理、顯示等多項任務。實現(xiàn)Windows CE 系統(tǒng)下的移植并改進算法，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)的實時性，設計用戶圖形界面以實時顯示液壓缸的位置、壓力、運動狀態(tài)等。本著簡單、廉價、實用、易于推廣和應用等設計原則，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)的硬件設計

本文設計的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)的硬件采用模塊化的設計方案，主要分成信號采集模塊、信號處理與信號存儲發(fā)送模塊以及圖像顯示模塊等幾個部分，硬件主要有YCS-DIII 電液伺服綜合實驗臺，實驗臺系統(tǒng)原理圖如圖2 所示。該實驗臺是專門為電液伺服系統(tǒng)測試與控制專業(yè)設計而成，集數(shù)據(jù)轉換卡、激振卡、液壓元件模塊為一體，實驗臺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，以滿足各項實驗參數(shù)測試的需要;型號為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 半導體公司推出的高性能、低功耗、高集成度并具有工業(yè)級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 圖形化設計的用戶界面顯示;芯片型號為ATmega16l 的AVR 系列單片機，主要實現(xiàn)對YCS -DIII電液伺服綜合實驗臺的壓力傳感器、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，信號由AVR 單片機數(shù)據(jù)采集模塊從液壓系統(tǒng)采集后，經初步處理的數(shù)字信號通過串口通訊傳輸?shù)紸RM 硬件平臺中，然后由基于LabVIEW 虛擬儀器技術設計開發(fā)設計的圖形顯示終端實時顯示采集的信號波形。

2.1 信號采集模塊

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

表1 AVR 單片機管腳資源功能分配

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 機的下載軟件將程序燒寫到芯片中。

如圖4 所示，其中每個字節(jié)的最高位作為10 bit有效數(shù)據(jù)的高位與低位選擇位，當檢測到最高位為1時，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)，而檢測到最高位為0 時，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 所示為開關量輸出繼電器拓展板的電路原理圖，AVR 單片機的數(shù)字開關量輸出信號通過PB 口連接到拓展板對應的電路接口，AVR 單片機管腳輸出低電平時能觸發(fā)對應管腳繼電器閉合。

2.2 信號處理模塊

系統(tǒng)信號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)提供了強大網(wǎng)絡和通信能力，允許嵌入式硬件設備以無線或有線的方式，安全便捷地連接到計算機的Windows XP 平臺中，便于開發(fā)者與開發(fā)設備之間進行數(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)境來設計和定制系統(tǒng)所需內核、選擇系統(tǒng)特性以及進行外圍設備的驅動程序開發(fā)，最后進行編譯，并生成Windows CE 操作系統(tǒng)內核鏡像文件。開發(fā)者可以方便的將內核鏡像文件下載并固化至ARM 開發(fā)板上，上電后即可自動啟動Windows CE 操作系統(tǒng)，為信號處理提供良好的運行環(huán)境［6-7］。

2.3 信號顯示模塊

當前，在嵌入式信號處理儀器中幾乎都有使用信號顯示模塊或功能拓展。在眾多顯示器件當中，液晶顯示屏則以其體積小、低功耗等特點，而在便攜式設備中得到非常廣泛的應用。本系統(tǒng)為了對液壓伺服裝置運動狀態(tài)進行實時監(jiān)控，需要顯示實時參數(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)的軟件設計

軟件部分主要根據(jù)控制單元的不同，分為Lab-VIEW 信號處理模塊和基于Windows CE 操作系統(tǒng)的ARM 硬件平臺的嵌入式兩部分，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 機上進行開發(fā)，然后通過ActiveSync 工具移植到基于Windows CE 操作系統(tǒng)的硬件平臺中，綜合利用LabVIEW 和ARM 各自的優(yōu)勢，從而快速、高效的開發(fā)具有復雜功能、高性價比的嵌入式系統(tǒng)?；贚ab-VIEW Touch Panel 模塊下完成信號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 硬件平臺中運行，從而實現(xiàn)本儀器的功能設計和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 前面板實時顯示界面。該采集系統(tǒng)可以分為參數(shù)設置、波形顯示、模擬量輸出、開關量輸出、數(shù)字開關量讀取等選項卡，通過切換選項卡選取功能實現(xiàn)控制。在參數(shù)設置選項卡里設置串口通訊的串口端口、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗以及液壓標定參數(shù)等一些設置參數(shù)。在波形圖顯示選項卡可以將采集的兩路模擬信號顯示在示波窗口。另外可以保存采集信號寫入到數(shù)據(jù)文件中以便后期做回放和高級數(shù)據(jù)處理。開關量選項卡可以通過輸出數(shù)字量開關控制AVR 單片機的管腳輸出相應的高低電平，以控制電磁閥的換向等。

4 嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)實時界面

通過分析信號處理系統(tǒng)的基本原理，以及目前信號處理系統(tǒng)設計的優(yōu)缺點，提出利用Lab VIEW 圖形化設計方法，借助ARM9 體積小、功能強大、易控制、靈活開發(fā)等特點，開發(fā)了一套便攜式通用信號處理平臺。該儀器不僅具有信號采集、分析、處理、存儲和顯示功能，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)的進一步開發(fā)處理，實現(xiàn)信號檢測的圖像化、智能化、自動化奠定了良好的基礎。該系統(tǒng)軟件的運行界面如圖8 所示，主要包括界面選擇區(qū)、信號顯示區(qū)、信號指示燈和操作按鈕。界面選擇區(qū)主要包括波形圖、模擬量、開關量和參數(shù)設置4 個界面。系統(tǒng)軟件的運行初始默認界面為波形圖界面。

圖8 為信號發(fā)生器發(fā)送的30 Hz 的正弦信號和三角波信號。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 結語

基于LabVIEW 的圖形化嵌入式系統(tǒng)實驗平臺的優(yōu)勢在于圖形化程序簡單直觀、人機交互性好、代碼移植性強、硬件資源豐富、擴展性強、可以連接各種類型的外設模塊。另外ARM 嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)具有占用空間小、抗震能力強、攜帶方便等特點。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，增強系統(tǒng)抗震性，本項目應用研究在液壓系統(tǒng)的監(jiān)控上有較好的創(chuàng)新性，具有很好的工程應用前景。

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