基于嵌入式Linux的汽車車身參數測量系統設計與實現

汪婷 邵淦 萬侃然

【摘要】基于能夠在汽車生產制造中實時有效地測量汽車車身的各項尺寸參數，對汽車全程生產過程進行實時的控制和監督，設計了一種專用于汽車的，車身尺寸參數測量的便攜式電子測量系統。系統以S3C2410控制器為核心控制模塊，以嵌入式Linux作為操作系統，并以液晶觸摸屏為輸入輸出設備，完成了測量系統軟硬件系方案設計與搭建，構建了一個高性能 、低成本的汽車車身參數測量的專用電子系統。

【關鍵詞】汽車;S3C2410;Linux;電子測量系統

Abstract：In order to measure the dimensions of the automobile body data real-time and effectively in automobile production ，thencontrol and supervise the entire process，the article developed an portable electronic system which was used for measuring the critical dimensions of automobile body structure.The core of the system hardware used S3C2410 microprocessor and based on embedded Linux operating system，then with LCD touch screen as input and output devices，which completed the measurement system software and hardware system design and build，constructed a high-performance and low-cost automobile body parameters measurement of special electronic system.

Keywords： Auto;S3C2410;Linux;Electronic measurement system

面對競爭日益激烈的汽車市場，汽車車身的生產周期的縮短就意味著競爭實力的增強，由此汽車車身關鍵位置控制點的在線檢測速度或是售后維修越來越受到國內外汽車生產廠家的重視[1]。汽車零部件的尺寸形狀和位置誤差是汽車生產過程中的重要檢測內容，生產制造時不僅需要保證關鍵質量控制點的三維位置尺寸準確度，還要求其功能尺寸的精確性，它對汽車及總成的性能質量和使用壽命有著重要的影響[2]。然而目前在國內用于汽車生產中的電子測量設備大多是簡單的尺寸測量工具，在智能化和系統化上還遠達不到目前的競爭要求。這些測量工具使用不方便，對人員的素質要求比較高，而且并沒有針對于汽車車身特定參數的測量系統，降低了產品的測量速率，因此現代測量迫切需要一種更加便攜的計算系統，來完成實時的測量要求。

基于此本文設計了一種以S3C2410處理器為控制核心，專用于汽車車身關鍵尺寸參數測量的電子系統。該測量設備是由電子測量系統與機械測量結構共同組成，系統內部通過SD卡存儲有原始汽車車身生產尺寸的參數數據庫，測量結果與此作參照，并且通過液晶觸摸屏來直接控制測量過程與測量結果的顯示輸出，構建了一個高性能低成本的人機界面系統。

一、系統測量機機械構成與測量原理

測量機在機械結構上同工業中的機械臂相似[3]。圖1即為測量機機械結構示意圖，它包括有一個基座，四個不同長度的連桿，五個關節，一個測量頭。在每一個關節內都安裝有高精度的角度編碼器，通過五個關節內的角度編碼器角度傳感值與已知的四個連桿長度，在以基座為坐標原點的坐標系中，根據建立好的數學模型就可以計算出的測頭的三維空間坐標值。

圖1 測量機結構示意圖

采用D-H 方法（機器人研究中運用成熟），便可建立起該測量機的測量方程。在測量機械部分中，需要說明的是：關節2的軸線與關節3的軸線呈近乎于平行的關系，由于D-H 方法中相鄰關節軸線相互平行或者幾近平行的情況下將導致 D-H 數學模型矩陣的病態，所以這部分采用MDH建模的方法，即D-H方法的改進 [4]。而測頭、桿件4與關節5共同構成了一個圓柱型坐標模型。由此測量機構的數學模型分別以三個部分各自來建模，然后整合在一起就得到了整個運轉機構部分的運動學方程。最后結合已知的桿件長度，便可測算出測頭的空間坐標值。

二、系統硬件總體方案設計

本系統硬件方案設計為以S3C2410控制器為核心的嵌入式平臺，具有多種通訊方式，數據采集系統角度傳感器采用光學角度編碼器，同時采用友好的LCD觸摸屏作為人機界面。能夠獲取測量位置的空間坐標值，進而通過算法子程序計算得出車身的尺寸參數，并與SD卡存儲設備中的汽車生產原始數據進行對比，測量人員直接通過人機界面獲取所需信息。圖2即為此硬件系統方案設計。

圖2 硬件方案設計圖

（一）微控制器模塊

本系統所選用的微控制器為S3C2410，它是三星公司生產的ARM9系列芯片。S3C2410微控制器基本工作頻率為400MHz，并且支持Linux操作系統的移植嵌入，主要是應用于一些低功耗，高性價比的電子產品。除此之外，該處理器還擁有：獨立的16KB的指令Cache和16KB數據Cache、NAND閃存控制器、支持TFT的LCD控制器、三路UART、四路帶PWM的Timer、四路DMA、I/O口、RTC、Touch screen接口、USB接口、SD卡、MMC接口和兩路SPIO接口。微控制器是測量系統的核心部分，負責任務包括采集角度傳感器信號，捕捉外部中斷，控制各種通訊過程以及計算測量的數學模型等。

（二）SD卡選用與連接方式

基于成本低、體積小但容量大等特征考慮，本測量系統選擇采用SD卡作為數據存儲設備。SD卡是一種基于半導體flash的新一代存儲產品，它被廣泛運用于各種手持裝置上，具有高的存儲容量、數據快速傳輸速率、良好的安全性能以及移動的小巧性。SD卡是該測量系統的數據存儲部分，承擔著兩類數據的存儲。其一，是汽車生產的原始數據資料，例如汽車的車型，汽車關鍵尺寸參數以及各測量位置之間的距離等重要信息;其二，存儲測量人員的測量結果及比對信息。由于S3C2410微處理器內部集成了 SPI 模塊，本設計選擇采用 SPI 連接模式與SD卡進行連接。數據的通訊需要三條線路連接：SPI_MISO引腳為主設備輸入、從設備輸出引腳;SPI_MOSI 引腳為主設備輸出、從設備輸入引腳;SPI_SCK 為時鐘線。系統以S3C240處理器為主設備，SD 卡為從設備來進行配置。最后需要將片選引腳CS連至S3C2410的 I/O 口，以對 SD 卡存儲器進行片選控制。

（三）觸摸屏選用及通訊方式

觸摸屏采用迪文DMT80480C050_02WT 串口屏 [5]作為本系統的顯示及輸出部分，該終端內核為K600+、內部集成了字庫、所要求供電范圍為 3.3V-6V、還包含有內部時鐘，觸摸屏為四線式電阻串口屏，可以通過下載觸摸控制文件進行坐標解析，從而直接取得觸摸鍵值，使用統一的指令集，并且液晶屏內嵌入與微處理器相連的液晶屏驅動模組。通訊控制接口采用全雙工的異步串口通訊模式，將微處理器的串口與觸摸屏通訊控制接口連接起來，通過解析觸摸鍵值發送指令來控制顯示的內容，從而進入各種功能模塊處理分析。

三、系統軟件設計

測量系統采用嵌入式Linux操作系統[6]并且配合相應的應用程序來搭建軟件系統。使用操作系統可以簡單實現多任務的調度，系統設計人員只需專注于設計所需功能任務，然后通過操作系統本身的調度方法，便可以完成多任務的處理調度。由于其源代碼的開放性，在網上下載后可通過重編譯內核來定制自己要需的服務。

（一）Linux操作系統

在使用嵌入式Linux操作系統時，用戶需要對其內核進行修改剪切和添加功能模塊才能實現功能要求。主要的操作有移植內核使之能夠在特定的軟硬件條件下運行，然后是添加所需的驅動模塊。

在Linux操作系統中，把所有的外部設備設都看成是一種特殊的文件，稱之為設備文件[7]。系統需要調用驅動程序來調用外部各硬件設備。其中設備的驅動程序來完成各設備的釋放和初始化，為應用程序的運行忽略掉各外部設備硬件的詳細信息，使得應用程序使用各外部設備像對普通文件操作一樣簡便易行。由此，只需要調用相應設備的驅動程序就能夠對該設備進行訪問，這給應用程序的編寫帶來了極大的方便。

這里以SD卡的運用來做簡要說明，該系統SD卡上存儲有汽車生產的原始數據資料和測量結果數據，通過數據的讀出與寫入命令即可調用所需信息，完成通訊。在內核目錄下輸入生成的make menu config 命令，就可進入內核去配置各文件，然后在主菜單中配置好SD卡的驅動信息，在Device drivers菜單中，選擇進入MMC/SD Card support一>，執行make zImage命令，編譯內核后，系統就加載上了SD卡的驅動程序。在系統加載了SD卡的驅動以后，要執行SD卡的掛載命令，即把SD卡掛載到Linux操作系統中，命令編寫如下：

#mount/dev/mmc/blk0/disc/mnt

這樣SD卡就可以在經過移植剪裁的Linux系統下開始正常工作了，如此就可以進行測量數據的存儲了。

（二）系統軟件任務劃分

根據測量系統的功能需求，將程序劃分為不同的任務模塊，各模塊之間的關系如圖3所示。

圖3 系統任務關聯圖

測量系統采用觸摸屏作為輸入輸出設備，通過按下采樣按鈕開始采集數據，其余所有操作指令的輸入是通過液晶觸摸屏來完成。觸摸屏任務的主要功能就是獲取并解析觸摸屏當前時刻觸摸的鍵值，從而解析測量人員的操作意圖，完成所要求功能的創建。坐標實時監控任務是由觸摸屏來任務創建，當測量人員觸摸液晶屏上“測量”的標識時，便進入了測量子任務。該操作功能是不斷獲取角度傳感器當前的角度值并通過所編寫的應用程序計算出測頭空間坐標值，在通過各項尺寸算法程序計算后將數據結果顯示輸出在觸摸屏上。

四、結束語

本汽車車身參數電子測量系統采用S3C240芯片作為微處理器，并將嵌入式Linux操作系統移植到測量系統中，構建了一個高性能、低成本的汽車車身參數測量的專用電子系統。而且以液晶觸摸屏作為輸入輸出設備，使整個檢測系統更加簡單便攜，很大程度的提高了檢測的質量和效率。對我國汽車生產領域提高汽車生產質量具有重要意義。

參考文獻

[1]王林超.汽車構造[M].北京：中國水利水電出版社，2010：

481-489.

[2]張玉書.汽車維修工具與檢測設備.汽車實用技術[M].北京：科學出版社，2009：53-76.

[3]程文濤，于連棟，費業泰等.平行雙關節坐標測量機建模[J].應用科學學報，2009，27（4）：431.

[4]程文濤.關節式坐標測量機標定技術研究[D].2011：16-21.

[5]北京迪文科技有限公司.智能顯示終端開發指南_V21.2009.

[6]周航慈.基于嵌入式實時操作系統的程序設計技術（第二版）[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[7]王學龍.嵌入式Linux 系統設計與應用[M].北京：清華大學出版社，2002.

作者簡介：

汪婷（1989—），合肥工業大學2012級在讀研究生。

邵淦，合肥工業大學2012級在讀研究生，研究方向：在線檢測及儀器智能化。

萬侃然，合肥工業大學2012級在讀研究生，研究方向：在線檢測及儀器智能化。