基于ARM 的液壓裝置的嵌入式監控系統

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、數字化的便攜式微型信號處理儀器是現代科學儀器發展的重要方向，對整個科學技術的發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］。嵌入式系統使控制系統硬件更加集成化、小型化，在運算速率足以滿足所需控制系統的實時要求的前提下，選擇嵌入式系統能充分利用硬件資源，降低基于PC 虛擬儀器系統開發的成本費用，減少硬件設備占據的空間，在較為惡劣的環境下具有較高的可靠性、更強的抗震性等優點［1-2］。嵌入式系統以體積小、實時性強、性價比高、穩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，以Windows CE 操作系統和ARM9 硬件平臺為核心實現了對伺服液壓缸的運動狀態的監控。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，優化程序算法減少顯示模塊占用系統資源的比重，進一步提高嵌入式系統對液壓伺服系統控制的實時性。

1 嵌入式監控系統框架

本項目主要研究設計基于ARM9 核心的S3C2440開發板的控制系統對伺服液壓缸的運動狀態進行監控。根據液壓系統自身控制特點在Windows CE 操作系統下完成對液壓伺服系統各模塊驅動的開發，使其能夠承擔數據采集、處理、顯示等多項任務。實現Windows CE 系統下的移植并改進算法，減少液晶觸屏模塊占用的系統資源，提高嵌入式監控系統的實時性，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框圖如圖1 所示。

2 系統的硬件設計

本文設計的嵌入式監控系統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，實驗臺系統原理圖如圖2 所示。該實驗臺是專門為電液伺服系統測試與控制專業設計而成，集數據轉換卡、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測試的需要;型號為TE-2440 -Ⅱ的ARM9 嵌入式開發板，開發板所采用的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級溫度范圍和性能的微處理器［4-5］;ARM9 開發板自帶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、換向閥等的數據采集、處理與控制。硬件系統組成如圖3 所示，信號由AVR 單片機數據采集模塊從液壓系統采集后，經初步處理的數字信號通過串口通訊傳輸到ARM 硬件平臺中，然后由基于LabVIEW 虛擬儀器技術設計開發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 采集信號按照發送協議組成一個16 位的字發送給上位機ARM 開發板。由于AVR 是8 位單片機，串口通訊過程中數據信號按字節傳送，因此需要制定發送協議將采集數據的信息包含在一個字(兩個字節)內。AVR 最小系統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 最小系統板上集有母口的RS232 串口、外圍電路和外擴輸入輸出口數據包定義格式如圖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，其中每個字節的最高位作為10 bit有效數據的高位與低位選擇位，當檢測到最高位為1時，所接收的字節低位后3 位是有效數據高位的前3數據，而檢測到最高位為0 時，接收的字節為有效數據低位的后7 位數據，10 bit 有效數據由所接收的高位字節的后3 位和低位字節后7 位數據組成。

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對應管腳繼電器閉合。

2.2 信號處理模塊

系統信號分析和處理終端硬件采用飛凌的ARM9開發板，操作系統采用Windows CE 5.0。Windows CE操作系統提供了強大網絡和通信能力，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，便于開發者與開發設備之間進行數據交換，快速訪問和開發。Platform Builder 5.0是微軟公司提供的一種針對Windows CE 操作系統定制的工具。開發者可以使用該工具交互式的環境來設計和定制系統所需內核、選擇系統特性以及進行外圍設備的驅動程序開發，最后進行編譯，并生成Windows CE 操作系統內核鏡像文件。開發者可以方便的將內核鏡像文件下載并固化至ARM 開發板上，上電后即可自動啟動Windows CE 操作系統，為信號處理提供良好的運行環境［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。本系統為了對液壓伺服裝置運動狀態進行實時監控，需要顯示實時參數的波形和處理數據等信息，一方面要求顯示視窗不能太小，同時考慮到功耗、惡劣環境下使用等問題，所以選飛凌ARM9 開發板自帶的7 英寸觸摸式液晶屏作為本系統的液晶顯示屏。

3 系統的軟件設計

軟件部分主要根據控制單元的不同，分為Lab-VIEW 信號處理模塊和基于Windows CE 操作系統的ARM 硬件平臺的嵌入式兩部分，Windows CE 作為嵌入式操作系統，而Nl LabVIEW Touch Panel Module For Windows CE 作為開發工具［8］，在基于Windows 操作的PC 機上進行開發，然后通過ActiveSync 工具移植到基于Windows CE 操作系統的硬件平臺中，綜合利用LabVIEW 和ARM 各自的優勢，從而快速、高效的開發具有復雜功能、高性價比的嵌入式系統。基于Lab-VIEW Touch Panel 模塊下完成信號處理和圖形顯示軟件程序，然后以可執行性程序通過移植到Windows CE操作系統的ARM9 硬件平臺中運行，從而實現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。該采集系統可以分為參數設置、波形顯示、模擬量輸出、開關量輸出、數字開關量讀取等選項卡，通過切換選項卡選取功能實現控制。在參數設置選項卡里設置串口通訊的串口端口、波特率、數據位、停止位、奇偶校驗以及液壓標定參數等一些設置參數。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據文件中以便后期做回放和高級數據處理。開關量選項卡可以通過輸出數字量開關控制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 嵌入式監控系統實時界面

通過分析信號處理系統的基本原理，以及目前信號處理系統設計的優缺點，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、靈活開發等特點，開發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，在無線網卡的硬件支持下，將來還可以拓展開發其無線傳送功能，為數據的進一步開發處理，實現信號檢測的圖像化、智能化、自動化奠定了良好的基礎。該系統軟件的運行界面如圖8 所示，主要包括界面選擇區、信號顯示區、信號指示燈和操作按鈕。界面選擇區主要包括波形圖、模擬量、開關量和參數設置4 個界面。系統軟件的運行初始默認界面為波形圖界面。

圖8 為信號發生器發送的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據上傳到ARM 開發板，并將數據以曲線形式顯示在嵌入式Labview 監控界面上。

5 結語

基于LabVIEW 的圖形化嵌入式系統實驗平臺的優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 嵌入式監控系統具有占用空間小、抗震能力強、攜帶方便等特點。采用嵌入式控制系統，有利于減小系統的體積、重量，優化系統資源分配，降低液壓伺服控制系統的成本，增強系統抗震性，本項目應用研究在液壓系統的監控上有較好的創新性，具有很好的工程應用前景。

［1］張麗霞.數據采集裝置嵌入式ARM9 核心板的設計與實現［D］. 長沙:湖南大學，2011.

［2］牟麗，李迪，張春華，等.嵌入式監控系統實現技術及在廢水處理中的應用［J］. 計算機應用，2006，26(4):774 -775，779

［3］方衛民，孫百生，李娜.基于ARM 的嵌入式網絡視頻監控系統的設計與實現［J］. 儀表技術，2008(1):22 -23，26

［4］艾紅，王洪濤.基于ARM 的嵌入式遠程監控系統［J］.測控技術與儀器儀表，2008(9):66 -68.

［5］陸巍，傅建中.嵌入式數控系統圖形用戶界面開發研究［J］. 機床與液壓，2006，34(9):219 -221.

［6］李文新，王廣龍，陳建輝. 基于S3C2440 和WinCE 的嵌入式傳感測控系統［J］.計算機測量與控制，2009，8(25):1498 -1500，1504.

［7］喬偉，王典洪，王琳.基于WinCE5.0 的數控系統設計［J］. 機床與液壓，2009，37(5):99 -101.

［8］吳劍，苗晉玲.基于LabVIEW 的嵌入式系統開發與調試方法［J］.南昌航空大學學報，2010，24(2):6 -13.