基于ARM的物品運輸記錄系統的設計

王麗利 楊軍藝 李新娥 沈大偉 張紅艷

【摘要】針對在民用、軍用的特殊設備裝卸運輸的過程中，周圍環境的變化會影響特殊設備的使用性能，甚至對其造成損壞的問題，本文提出了對特殊設備裝卸運輸過程測試，該方法有助于對遭受損壞后的設備性能進行評估和分析，并能對特殊物品在運輸過程中加以相應的保護。本文分析了裝卸運輸過程中的一些關鍵物理參數，如溫度濕度、振動和沖擊，從而提出了總體設計思路，分別對各個主要功能模塊進行了設計，并確定了基于ARM的最終方案并在測試中成功獲得有效數據。

【關鍵詞】測試;ARM;振動沖擊

引言

在特殊設備及物品的裝卸、運輸過程中有可能對物品造成損壞。例如，托運過程中由于貴重物品損壞而造成巨大損失的案例屢見不鮮。其原因很復雜，然而最常見的導致破損的原因可歸結為：溫度、濕度、振動和沖擊[1]。據統計，僅中國范圍內每年就有約140億元的經濟損失是由于物品流通過程中的損壞而造成的[2]。要盡量避免由于裝卸運輸過程中對物品造成的損壞，除了在包裝方面進行改進外，對其運輸的環境進行檢測也勢在必行。通過對裝卸運輸過程中的檢測數據進行分析，可以得到在不同環境下，物品受到的損壞原因，由此在以后的同類裝卸運輸環境下，采取適當的措施以減小物品的破損程度。通過使用裝卸運輸測試系統，不僅能夠規范人為操作，還能為特殊物品或設備的失效幾率進行評估，進而減少損失。

1.系統總體設計及硬件設計

1.1 系統總體設計

總體方案設計如下：本系統由實時時鐘模塊、溫濕度傳感模塊、振動/沖擊加速度傳感模塊、通信模塊、數據存儲模塊、電源管理模塊組成。

系統以微處理器為核心，對環境溫濕度信號、振動/沖擊傳感器信號以及實時時間信號進行采集，并將采集數據存儲于大容量數據存儲器中。實時時鐘電路模塊用于給系統提供實時時間，當記錄溫濕度信號或振動/沖擊加速度信號時，由處理器讀取實時時間并保存，以供之后對記錄數據進行分析。通信模塊負責系統與PC機之間通信，按照約定的通信協議，以相應的格式將存儲器內部的數據傳入PC機或從PC機輸入數據到系統微處理器。電源管理模塊負責將電池電壓轉換為各功能芯片需要的工作電壓，供電給各模塊芯片;此外，由主控芯片控制其它功能芯片的待機或啟動模式，合理地進行功率控制，進而豐富低功耗控制策略，降低系統功耗。

1.2 硬件設計

系統選用以ARM Cortex-M3為內核的LPC1768[3]微處理器，其最小系統主要由四部分組成：電源模塊、時鐘模塊、復位模塊、JTAG調試接口模塊。

本系統使用CAT811S實現系統復位和電源監控的功能。時鐘模塊決定了微處理器運行的速度及采樣頻率的可靠性。溫度及濕度傳感器采用溫濕度測量集成在一起的數字溫濕度傳感器SHT15[4]。SHT15直接輸出數字信號，且內部集成了工業標準的I2C接口，可以很方便地與微控制器LPC1768連接，其測溫范圍是-40～123.8℃，測量相對濕度范圍是0～100%RH，滿足裝卸運輸測試系統的要求。實時時鐘模塊以PCF8563為核心，PCF8563具有定時器中斷功能[5][6]，PCF8563除了用于提供時間外，還用于定時中斷，使系統進入定時采樣模式。利用ADXL3xx測量振動/沖擊，它可以直接輸出數字量，I2C接口傳輸數據，ADXL3xx帶有沖擊檢測中斷功能，而且不僅能夠測試5g以內的振動，也可以測試沖擊，符合系統測試要求。

2.系統工作原理

系統工作時，有定時采樣模式和突發事件采樣模式兩種測量模式。系統進入測試后，當PCF8563定時器中斷輸出時，進入定時采樣模式，ADXL3xx按照定時采樣的采樣頻率200Hz采集并存儲振動加速度值，然后退出定時采樣模式進入待機狀態;在此過程中，當檢測到加速度值高于閾值時，視為受到沖擊加速度，系統優先進入突發事件采樣模式，隨后ADXL3xx以20KHz的采樣頻率對沖擊加速度進行采樣存儲，30s后，系統退出突發事件采樣模式進入待機狀態。

當VS和VDDI/O都上電時，器件處于待機模式，等待進入測量模式的命令，所有傳感器功能關閉。當該器件得到指示進入測量模式后，傳感器進入工作狀態。系統上電后，ADXL3xx進入待機模式。當ADXL3xx中三軸中的觸發軸的加速度值超過寄存器THRESH_SHOCK中沖擊中斷的閾值時（沖擊事件的幅度與THRESH_SHOCK寄存器中的值進行比較），并且持續時間小于DUE寄存器的規定的時間范圍時，單次沖擊中斷位SINGLE_SHOCK中斷置位。

系統采用異步串行通信UART接口與上位機進行通信。由于上位機串口是RS-232電平，因此需要使用RS-232轉換器。本系統選用MAX3232作為RS-232的轉換芯片。系統選用MAX3232的其中一路接收器和驅動器，要發送的數據通過LPC1768的TXD0發送到MAX3232的T2IN，經過內部轉換，輸出到T2OUT，之后發送到PC機。圖1為系統的采樣方式示意圖。

圖1 系統采樣方式示意圖

3.系統軟件設計

系統的工作狀態由六部分組成：關機狀態、待機狀態、定時采樣存儲狀態、突發采樣存儲狀態、待讀數或擦除狀態以及讀數或擦除狀態。

系統上電后，經過執行引導程序以及用戶程序的初始化過程，即進入待機狀態，待機狀態下系統首先判斷狀態切換按鈕是否按下，如果切換按鈕按下，則系統進入待讀數或待擦除狀態，等待上位機發送讀數或擦除命令，而后執行相應的讀數或擦除操作;反之，如果沒有按下狀態切換按鈕，則系統等待定時中斷和沖擊檢測中斷，判斷是否有突發中斷或定時中斷，有則執行相應的采樣存儲操作，執行完后返回待機模式，沒有則直接返回待機模式。圖2所示為系統主程序流程圖。

圖2 系統主程序流程圖

定時采樣時，振動加速度的采樣頻率為200Hz，傳輸時間和存儲時間足夠小，可以直接存儲到FLASH;突發采樣時，沖擊加速度的采樣頻率為20KHz，本系統設定先將數據存入RAM，再轉存到FLASH，由于FLASH為頁編程方式存儲數據[7][8]，一頁的數據量為2KB，而LPC1768有3塊靜態RAM，容量分別為32KB、16KB、16KB，本系統中選用其中一塊16KB的RAM用來存儲突發模式的數據，設定為每當RAM存滿8KB的數據時，將其中的數據轉存到FLASH中。

4.裝置可靠性及試驗結果分析

4.1 可靠性驗證

本系統通過馬歇特錘[9]來進行裝置沖擊加速度的測試，結果顯示裝置和標準傳感器測量的最大沖擊加速度基本相同，曲線后部振動部分差異較大是由于兩套裝置的安裝方式不同引起的，曲線如圖3所示。

將裝置放入敞開環境中，測量后的溫度及濕度與溫度濕度控制器顯示值相比較，得到的結果通過計算相對誤差，得到溫度的相對測量誤差1.52%，濕度相對測量誤差2.5%。從所有結果來看該系統有較高的精確度和準確性。測試后的結果表明該裝置具有較高的準確度和精確性，且經過反復多次測試，均有有效數據成功采集，可靠性高。

圖4 沖擊加速度曲線

4.2 實際測試數據結果

在某次貨物運輸過程中，將該裝置通過螺紋固定方式與貨物包裝箱緊密連接，在此次運輸過程中成功記錄到數據。圖4為系統受到沖擊的加速度曲線及頻域曲線，曲線顯示裝置受到的最大沖擊加速度峰值約為150g，脈寬約為0.6ms。

在運輸過程中，由于路況和駕駛狀況的不同，包裝箱會受到不同程度的振動。通過測試，包裝箱在運輸過程中受到的振動情況如表1所示。

在測試中測得的溫度及相對濕度變化趨勢如圖5所示。

通過以上的分析，可以認為，在本次包裝箱裝卸運輸過程中受到的振動/沖擊加速度的范圍為：-150～150g;震動值總體較小，公路運輸與鐵路運輸相比更加平穩，但貨車司機的駕駛技術及習慣等主動因素可能會對測試結果造成較大影響;溫度變化范圍：10℃，對于物品影響較小;相對濕度變化范圍：60%RH，最大相對濕度為95%RH，可能會影響部分特殊物品的性能，應做適當的干燥處理。

5.總結

本文提出了對特殊設備裝卸運輸過程中各主要參數的記錄和測試。該方法有助于對運輸后的設備性能是否正常做出判斷，并能對特殊物品在運輸過程中加以相應的保護。實踐表明該系統能夠可靠地完成運輸過程中各主要參數的測量與記錄，為特殊物品的運輸裝卸過程提供可靠地數據參照。在下一步工作中擬加入報警功能，可以及時地對運輸過程中可能的引起貨物損壞的因素進行發現并及時得到處理。

參考文獻

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[9]康峰，馬素杰，馬群峰.儲備式鋰電池在高過載下的特性研究[J].探測與控制學報，2007（5）：39-43.

作者簡介：

楊軍藝（1988—），山西臨汾人，碩士研究生，主要研究方向：動態測試。

李新娥（1971— ），山西大同人，博士，教授，碩士生導師，主要研究方向：動態測試、傳感器技術、電磁屏蔽技術、校準技術、智能測控。

沈大偉（1979—），山西長治人，博士，主要研究方向：動態測試、智能測控。

張紅艷（1978—），安徽淮北人，講師，主要研究方向：動態測試、精密機械及儀器。

王麗利（1979—），陜西西安人，工程師，主要研究方向：測試儀器研究。