基于Linux的嵌入式GPS幾何誤差數字化計量系統設計

王典澤

（山西省計量科學研究院，山西 太原 030032）

機械產品幾何誤差問題，會直接影響儀器設備的使用期限、工作精度等性能。準確地評定產品幾何誤差不僅為零件的驗收提供依據，而且為零件加工精度和裝配精度的提高提供可靠的保證。ISO/TC213制定一系列有關產品設計制造宏微觀幾何技術規范（GPS），如今廣泛應用的主要為基于PC機的幾何誤差評定系統，但是，該系統體積較大無法便于攜帶，再加上評定功能其自身單一，未能直觀顯示評定結果，導致很大程度影響了該技術的推廣應用。由于嵌入式系統擁有體積小、運行速度高、可靠性好、實時性好、成本低廉等優點，當前在工業各個領域中得到了廣泛的應用，文中提出了一種基于Linux的嵌入式GPS幾何誤差數字化計量系統該設計思路，可以在小巧便攜、高可靠性的平臺上實現幾何誤差的實時、動態、高精度的評定，這不僅能夠提高零件的檢驗效率，并且對于加快新一代 GPS 標準的推廣應用也有重要的意義。

1 關鍵技術概述

1.1 幾何誤差評定中操作算子技術

新一代產品幾何技術規范基于計量數學，通過運用對偶性基礎原理，完成非理想表面模型及共性“操作”技術，能夠有效融合幾何產品的加工規范、制造檢驗各環節。新一代GPS國際標準體系中，也對一系列操作技術明確規定，包括要素操作、評估操作，其中要素操作又包括分離、提取、濾波、擬合、集成、構建等過程，從而能夠獲得理想、非理想兩要素。評估操作則是為了可以有效獲取相應的規范特征值。操作算子作為一種為了能夠完整描述產品具備的功能要求，運用有序操作集合幾何規范特征值。以不同階段為依據，可以劃分為功能、規范、檢驗三類算子。對于幾何誤差進行數字化評定過程中，為了能夠獲得特征值也至少需要進行以下操作，包括獲得研究對象進行的一系列分離、提取、擬合、集成、一致化比較認證評估操作。

1.2 擬合操作中的優化設計技術

對于幾何誤差數字化評定擬合操作中，運用的優化設計理論稱為優化設計技術，經計算機技術包括多技術方案尋找最優化設計方案，改進產品整體質量，提高產品綜合性能和效率。通過建立并求解數學模型，實現擬合操作優化設計。在建立數學模型后，包括多種求解優化算法，譬如，單純形法、梯度法、牛頓法、變尺度法、Powell法、二次規劃法、懲罰函數法、評價函數法、遺傳算法、粒子群優化算法。需要結合具體情況，考慮問題優化規模大小、目標函數計算復雜程度及性態，以及計算方法的運用可靠性等，來選擇針對性的擬合操作優化算法。

1.3 嵌入式技術

嵌入式系統作為基于嵌入式軟件實現特定技術功能的專用計算機系統，作為PC端的關鍵功能組成，包括部分功能拓展延伸，主要包括硬軟件兩部分構成（見圖1）。通常運用單片機、微控制器類處理器和通信芯片、顯示器、存儲介質作為外圍拓展硬件，目前，廣泛運用的嵌入式系統包括了Win CE、VxWorks、嵌入式Linux。

圖1 嵌入式系統組成

2 基于Linux的嵌入式GPS幾何誤差數字化計量系統總體框架

（見圖2）作為提出基于Linux嵌入式GPS幾何誤差數字化計量系統框架示意圖，主要包括應用層、中間層和操作系統。如圖示嵌入式處理器作為該系統平臺的核心設計，運用S3C2440嵌入式處理器作為16/32位的RISC嵌入式微處理器，能夠通過SRAM與SDRAM來實現內存RAM，并運用Flash可固化存儲器。主要應用板級硬件包括嵌入式系統內部外圍硬件、GPIO、總線拓展等，Linux操作系統實現硬件平臺精度調度、進程通信以及內存管理。

圖2 基于Linux的嵌入式GPS幾何誤差數字化計量系統框架圖

3 嵌入式Linux操作系統設計實現

3.1 GPS接收器系統運作設計

嵌入式操作系統由于可以基于裸板實現程序的正常運行，所以盡管面對復雜系統，有必要通過運用特定硬件平臺與移植操作系統，來實現多任務管理、定時器存儲管理、資源存儲器管理等多任務處理能力，還能夠對系統資源功能進行良好分配。鑒于考慮Linux原代碼具備的開放性，也作為嵌入式操作系統的重要選擇，將Linux操作系統對比傳統不帶操作系統，能夠動態化裝入及卸載內核部分源代碼（見圖3）。

圖3 嵌入式Linux系統操作組成相互關系

3.2 幾何誤差計量功能設計

設計該系統的幾何誤差計量模塊，可以實現評定處理測得數據，該功能作為主要的軟件功能，可以劃分幾何誤差包括形狀、位置、表面粗糙度三類誤差。該子功能模塊的架構見圖4。在功能操作中，結合上文，包括要素、評估操作，將不再過多贅述。

3.3 圖形用戶界面模塊設計

該功能模塊對于整個系統設計來說，作為計算機系統用戶的重要接口，操作者經該模塊可以滿足人機交互，并向誤差評定模塊中輸入所需相關信息，根據處理所得的誤差評定結果最終顯示于界面上。支持多種Linux圖形開發工具，主流類嵌入式Linux圖形開發界面，包括了MiniGUI、MicroWindow、Qt。本次設計主要運用第一種MiniGUI嵌入式系統界面軟件，該軟件作為國內現階段較少的一種免費軟件，可以基于Linux應用平臺實現MiniGUI支持系統，本身操作具有跨系統、穩定、迅速、可移植性設計，并且可以和C語言之間混合編程，達到較好的適用性。

圖4 幾何誤差計量模塊

3.4 信息管理模塊設計

在計量產品幾何誤差評定過程中，通常需要大量數據，若要實現對產品幾何公差相關信息的有效管理，需要通過設計知識庫、數據庫來實現。通過建立SQL數據庫，能夠符合ACID關聯式數據庫系統，具備較少資源占用優勢，可以應用于嵌入式操作系統中，大小僅占用幾百kB，同步支持Windows/Linux/Unix主流類操作系統。并且結合多種語言程序，譬如TCL、Java、PHP，ODBC接口。

4 應用實例

本部分為了證實基于Linux的嵌入式GPS幾何誤差數字化計量系統的運行效果，將以20mm半徑、50mm高度標準圓柱類母線直線度誤差、圓度誤差評定為例，運用基于Linux嵌入式GPS幾何誤差數字化計量系統（見圖5）。

圖5 系統主界面

點擊主界面，可以選擇數字化評定誤差項目，以“圓度”為例，通過點擊按鍵，即可跳轉信息錄入頁面，之后點擊“加載系統”，即可將初始數據成功錄入，完成加載后對檢測方案進行確定，并選擇相應的檢驗算子、測量點數、濾波范圍、擬合方法等。然后，點擊“下一步”，便可以顯示對應上一步評定方法的相應評定結果，（見圖6）作為最小二乘法的圓度評定結果。其他評定項目具體實現步驟將不再贅述，通過對比評定結果（見表1）能夠發現，運用基于Linux的嵌入式GPS幾何誤差數字化計量系統，能夠獲得可靠準確系統評定結果。

圖6 最小二乘法的圓度評定結果

表1 圓度評定結果對比

5 結語

綜上，通過結合嵌入式系統提出基于Linux的嵌入式GPS幾何誤差數字化計量系統設計新思路，可成功開發新型計量系統，并分析說明了該系統的總架構以及GPS接收器系統運作、幾何誤差計量功能、圖形用戶界面模塊、信息管理模塊以上子功能系統模塊的實現功能，并結合標準圓柱類母線圓度誤差評定實例，運用該計量系統發現系統能夠獲得可靠準確的系統評定結果，證實該設計思路系統程序的運行操作可行性。在以后的進一步系統研發中，也需要更深入地探索GPS精度設計、典型零部件評定設計等功能，從而設計具有更多功能且廣泛適用的系統。