嵌入式儀器儀表平臺化硬件系統設計研究

周彤

（天津市天大天發科技有限公司，天津，300000）

1 嵌入式機電儀器儀表硬件平臺設計原理

電器設備的硬件一般由四個部分構成。信號輸入處理模塊。中央控制模塊信號輸出模塊、能源模塊。信號輸入處理模塊負責輸入開關量和模擬值，中央控制模塊負責信號控制和計算算法、信號輸出模塊和外圍通信，以適應不同情況基于平臺的設計需要提取CPU資源來擴展硬件平臺的功能，并且考慮到規模和能量消耗，處理器在多個性能室中包括多個功能模塊。通常，I/O接口被配置為用于管腳R10、三星ARM處理器S3C 6410、集成I/O功能、SPI等不同功能。因此，中央處理器需要使用復用功能來執行所有I/O接口圖1是基于平臺設計思想的硬件結構圖。

圖1 嵌入式機電儀表平臺設計結構示意圖

硬件的總體工作流程如下：數字和模擬輸入處理電路轉換、形成和處理輸入信號，然后，資源管理模塊將處理后的信號發送給中央處理模塊，中央處理模塊處理輸入數據并執行一系列任務，最后，信號輸出模塊將數據發送給顯示設備或保存。

2 機電儀器儀表硬件平臺的詳細設計

2.1 機電儀器儀表主板硬件平臺設計

電路變換電壓，A/D轉換輸入信號，然后資源管理模塊將處理后的信號發送給中央處理模塊。中央處理模塊處理輸入數據并執行一系列任務。最后，信號輸出模塊將數據發送至顯示設備或保存數據。

CPU模塊設計。內置BOM處理器必須具有更高的計算速度、更豐富的功能接口、更低的能耗，支持不同的通信協議，促進與外圍設備的在線通信，并提供更好的人機交互界面和BOM性能。處理器應便于操作系統設計人員開發和調試軟硬件集成。考慮到上述特點，以下將比較業界三種主要嵌入式處理器，并選擇系統中的最佳解決方案。三種處理器均為RMI 的 au1250，PXA270 Da Intel 和 PXA270 Da Samsung.S3C6410 PRECISA。

信號輸出模塊設計。在這一塊涉及到眾多的部分，例如常見的通信接口、數據傳輸的USB接口，還有觸摸屏和人機交互界面。S3C6410處理器也是該部分的關鍵，其所起到的作用就是集成，BEM可以支持本方案的設計。在人機界面中，最重要的是顯示屏，在機電儀器設備中，液晶屏用于顯示測量和控制數據以及實時電磁參數曲線，為了給用戶提供最直觀的監控方式，觸摸屏是一種簡單方便的輸入設備，它可以取代鼠標或鍵盤，根據聯系人位置定位和選擇信息條目。觸摸屏可以為AOS用戶提供所見即所得操作，節省鼠標和鍵盤的使用，方便用戶操作，使系統更小、更簡潔。

USB是一種通用串行總線（USB），它已成為當前計算機標準的總線擴展總線接口。USB USA標準插頭為4英寸插件。它可以將美國外圍設備連接到margarita，最多可以連接127個外部設備，其能夠獲取外部電源、總線電源的持續幫助。USB其自身還具備傳輸速度超快的特征，從標準USB4.0中就可以看出。USB1.0的傳輸速度能夠達到13mbps，USB3.0的傳輸速度能夠達到500mbps，USB4.0的傳輸速度能夠達到6Gbps。USB易于USAR和TEM，USB具有靈活的連接優勢、熱插拔支持、熱插拔支持、電源管理等。它可以連接到幾乎所有的外部設備，如鼠標、鍵盤、打印設備、閃存驅動器、移動硬盤、USB網卡等。它是存儲設備的一個方便接口。本項目使用10uF和0.01uF電容器進行濾波，0.5A保險絲用于限制電流，以避免燒壞USB設備造成電流過載。

能量模塊設計。能量模塊一直是電子產品的核心模塊，就像人體的心臟一樣，它的作用是顯而易見的，能夠做到能源的持續供應，使得整個系統收益。在許多情況下，機電儀器的工作環境相對較差，如何通過一定的改進使得能量模塊能夠穩定作業，這已經是一個很值得關注的問題。對于便攜式儀器，通常使用電池供電，內置系統的 IC電源電壓不同，且同一IC不同功能模塊的電源電壓與同一IC不同功能模塊的電源電壓不同。S3C6410處理器算術核的電源電壓為1.2V，DDR內存控制器SDRAM的電源電壓為2.5V，外圍SPI、I2C等通信接口的電源電壓為3.3V。因此，需要充分轉換外部電源電壓，以滿足不同集成電路的饋電需求。

能源可靠性項目。儀表和電器柜臺在粉塵、振動、油霧和霧的工作環境中。這對電源系統的可靠性提出了更高的要求。BOM電源系統必須具有一定的保護和自動恢復功能，以防止意外高壓、大電流進入和人為不良操作，確保處理器，內存和其他主要系統模塊不受損壞，減少設備損壞，降低維護成本。系統為能量模塊提供欠壓、斷電保護、過壓保護、逆流保護和反向保護。

資源管理模塊項目。可編程邏輯裝置是數字集成電路，用戶可以根據需要構建邏輯功能，并且用戶可以使用特定硬件描述語言來定義邏輯功能。可編程將數字系統集成到芯片中，改變了傳統數字系統的設計方法，改變了美國數字系統的傳統設計，固定功能設備，需要大量芯片和芯片連接，能耗高，后來的ASIC還具有設計和生產成本高、生產設計和周期長的特點，在可編程邏輯器件中，最初由電路板項目完成的大部分工作都放在芯片設計中，定義設備上輸入和輸出的邏輯和端子。

2.2 儀表機電功能擴展面板的硬件設計

系統擴展板主要完成對傳感器輸入的不同類型信號的處理，并通過擴展板和CPLD接口向CPU傳輸功能，擴展板根據不同的應用需求設計不同的信號輸入處理模塊，并配合主板完成特定的測量和控制功能。設計了一個具有一般應用意義的擴展板，以滿足大多數應用。用戶和設計師可以在主板上設計不同結構和功能的擴展板，以滿足需要。

當儀器和機電儀表測量多個物理量時，首先，必須通過傳感器將物理量轉換為電信號。這種電信號通常是微弱的模擬信號，不能傳輸到CPU進行信號處理。因此，需要A/D（模數轉換）電路來執行模數轉換。因此，擴展板硬件應設計為模擬轉換處理電路。隨著傳感器測量技術的發展，許多傳感器建立了A/D轉換電路并輸出開關信號，此外，擴展板硬件還應包括開關信號通道。此外，擴展框架還集成了SPI、I2C、UART等通信接口，以方便系統與主機之間的通信。信號一般需要經過放大、濾波、采樣/保留和A/D轉換后輸入CPU進行處理。此外，還將根據具體應用要求設計一些輔助電路。例如，對于輸入信號切換，振幅在從微伏到伏特的不同場合可能有不同的值。放大電路傳感器輸出的微弱電信號的振幅被放大以進行后續處理，濾波電路用于過濾聚集并感知電信號的完整性和可靠性。樣品保持接收輸入電壓一段時間，并在輸出端保持電壓值；當信號變化率過快且A/D轉換率不能滿足信號變化率時，需要采樣電路/保持器來拾取和保持信號。

2.3 硬件可靠性設計

電磁兼容性一直是一個不可低估的基本問題。儀器和機電儀表必須在不同的環境中承受各種沖擊和干擾，包括靜電放電干擾、射線波干擾，來自高速脈沖群的干擾，來自通信設備的射頻干擾，設備中電路板對電磁干擾的抗干擾能力對系統的電磁兼容性影響很大，BOM孔級設計可以有效消除或減少電磁干擾對整機的影響。電磁是硬件可靠性設計中的兩個關鍵問題，在項目中必須采取某些措施來消除或減少兩者對最終產品造成的干擾。在邊界電路級的PCB設計中采取某些措施并遵循某些標準可以消除或減少電磁干擾同時，整個TEM工作臺的良好設計對提高產品的電磁兼容性也具有一定的意義和積極作用。

3 機電儀器儀表硬件平臺測試與應用

3.1 硬件平臺的測試

一般系統間隙分為硬件間隙和軟件間隙，具有強大SOC處理器的硬件平臺一般需要采用軟硬件聯合間隙，通過軟件配合測試各種硬件功能。采用交叉編譯的方法不斷完善軟件，測試功能硬件模塊，最終完成整個系統的調試目的，用于調試硬件平臺的硬件設備包括：PC機、JTAG調試框架、示波器、邏輯分析儀、萬用表、+12V直流電源適配器、SD卡、觸摸屏等。使用的調試軟件包括SecureCRT 5.0、sjf6410編程工具、串行DNW端口調試工具、OTG ActiveSync連接工具。

3.2 硬件平臺的應用

在機床的加工過程中，由于驅動發動機的加熱，VAI驅動軸相對于殼體膨脹，導致徑向偏差和“節軸”現象，影響機床的正常工作。為了保證機床的正常安全運行，需要測量旋轉軸的膨脹，調整軸承位置，以減少或消除EM軸與殼體的偏差。EM重慶機床制造商提出實時測量，并顯示軸徑向偏差的輸出，方便操作員監控和調整。可使用多種傳感器測量位移，如電容傳感器和霍爾效應傳感器。一般情況下，位移轉換為電壓輸出，根據用戶需要，采用本方案進行設計，主框架配合功能擴展板搭建測試系統，主板上配備網絡接口等通信接口，串行接口和USB接口，可向中央服務器等上位機發送數據。綜合12位A/D采集接口和VGA顯示接口。