基于ARM 的液压装置的嵌入式监控系统

2014-04-27任瑞文邹剑波穆瑞芳

制造技术与机床 2014年5期

任瑞文邹剑波卞钢穆瑞芳

(中国船舶重工集团公司第704 研究所，上海200031)

微型化、智能化、数字化的便携式微型信号处理仪器是现代科学仪器发展的重要方向，对整个科学技术的发展和社会生活方式的改变起到了巨大作用。随着计算机技术和嵌入式技术的飞速发展，将嵌入式设备作为一定领域内信息交互的终端载体已经成为一种必然趋势［1］。嵌入式系统使控制系统硬件更加集成化、小型化，在运算速率足以满足所需控制系统的实时要求的前提下，选择嵌入式系统能充分利用硬件资源，降低基于PC 虚拟仪器系统开发的成本费用，减少硬件设备占据的空间，在较为恶劣的环境下具有较高的可靠性、更强的抗震性等优点［1-2］。嵌入式系统以体积小、实时性强、性价比高、稳定性好等特点引起在社会生产生活的各个领域应用热潮［3］。笔者设计了一种嵌入式系统，以Windows CE 操作系统和ARM9 硬件平台为核心实现了对伺服液压缸的运动状态的监控。利用ARM 芯片自身的LCD 控制接口对彩色触摸屏进行显示控制，优化程序算法减少显示模块占用系统资源的比重，进一步提高嵌入式系统对液压伺服系统控制的实时性。

1 嵌入式监控系统框架

本项目主要研究设计基于ARM9 核心的S3C2440开发板的控制系统对伺服液压缸的运动状态进行监控。根据液压系统自身控制特点在Windows CE 操作系统下完成对液压伺服系统各模块驱动的开发，使其能够承担数据采集、处理、显示等多项任务。实现Windows CE 系统下的移植并改进算法，减少液晶触屏模块占用的系统资源，提高嵌入式监控系统的实时性，设计用户图形界面以实时显示液压缸的位置、压力、运动状态等。本着简单、廉价、实用、易于推广和应用等设计原则，以S3C2440 为嵌入式控制器核心处理器的硬件组成的系统框图如图1 所示。

2 系统的硬件设计

本文设计的嵌入式监控系统的硬件采用模块化的设计方案，主要分成信号采集模块、信号处理与信号存储发送模块以及图像显示模块等几个部分，硬件主要有YCS-DIII 电液伺服综合实验台，实验台系统原理图如图2 所示。该实验台是专门为电液伺服系统测试与控制专业设计而成，集数据转换卡、激振卡、液压元件模块为一体，实验台配置了完备的各种类型传感器，包括压力传感器、流量传感器、光栅传感器、速度传感器、位移传感器等，以满足各项实验参数测试的需要;型号为TE-2440 -Ⅱ的ARM9 嵌入式开发板，开发板所采用的S3C2440A 微处理器是一款由Samsung 半导体公司推出的高性能、低功耗、高集成度并具有工业级温度范围和性能的微处理器［4-5］;ARM9 开发板自带TFT7 英寸LCD 一块，带触摸屏和触摸笔，用于Lab-VIEW 图形化设计的用户界面显示;芯片型号为ATmega16l 的AVR 系列单片机，主要实现对YCS -DIII电液伺服综合实验台的压力传感器、流量传感器、电液比例阀、换向阀等的数据采集、处理与控制。硬件系统组成如图3 所示，信号由AVR 单片机数据采集模块从液压系统采集后，经初步处理的数字信号通过串口通讯传输到ARM 硬件平台中，然后由基于LabVIEW 虚拟仪器技术设计开发设计的图形显示终端实时显示采集的信号波形。

2.1 信号采集模块

信号采集模块采用的是AVR 系列单片机的ATmega16L 芯片的最小系统板。AVR 单片机的PA0～PA7 可以作为模拟量输入，且8 个采集通道的采集精度为10 bit，AVR 将通道采集到的10 bit 采集信号按照发送协议组成一个16 位的字发送给上位机ARM 开发板。由于AVR 是8 位单片机，串口通讯过程中数据信号按字节传送，因此需要制定发送协议将采集数据的信息包含在一个字(两个字节)内。AVR 最小系统的引脚资源分配如表1 所示。

表1 AVR 单片机管脚资源功能分配

在AVR 最小系统板上集有母口的RS232 串口、外围电路和外扩输入输出口数据包定义格式如图4 所示。ATmega16 通过JTAG 接口从上位PC 机的下载软件将程序烧写到芯片中。

如图4 所示，其中每个字节的最高位作为10 bit有效数据的高位与低位选择位，当检测到最高位为1时，所接收的字节低位后3 位是有效数据高位的前3数据，而检测到最高位为0 时，接收的字节为有效数据低位的后7 位数据，10 bit 有效数据由所接收的高位字节的后3 位和低位字节后7 位数据组成。

如图5 所示为开关量输出继电器拓展板的电路原理图，AVR 单片机的数字开关量输出信号通过PB 口连接到拓展板对应的电路接口，AVR 单片机管脚输出低电平时能触发对应管脚继电器闭合。

2.2 信号处理模块

系统信号分析和处理终端硬件采用飞凌的ARM9开发板，操作系统采用Windows CE 5.0。Windows CE操作系统提供了强大网络和通信能力，允许嵌入式硬件设备以无线或有线的方式，安全便捷地连接到计算机的Windows XP 平台中，便于开发者与开发设备之间进行数据交换，快速访问和开发。Platform Builder 5.0是微软公司提供的一种针对Windows CE 操作系统定制的工具。开发者可以使用该工具交互式的环境来设计和定制系统所需内核、选择系统特性以及进行外围设备的驱动程序开发，最后进行编译，并生成Windows CE 操作系统内核镜像文件。开发者可以方便的将内核镜像文件下载并固化至ARM 开发板上，上电后即可自动启动Windows CE 操作系统，为信号处理提供良好的运行环境［6-7］。

2.3 信号显示模块

当前，在嵌入式信号处理仪器中几乎都有使用信号显示模块或功能拓展。在众多显示器件当中，液晶显示屏则以其体积小、低功耗等特点，而在便携式设备中得到非常广泛的应用。本系统为了对液压伺服装置运动状态进行实时监控，需要显示实时参数的波形和处理数据等信息，一方面要求显示视窗不能太小，同时考虑到功耗、恶劣环境下使用等问题，所以选飞凌ARM9 开发板自带的7 英寸触摸式液晶屏作为本系统的液晶显示屏。

3 系统的软件设计

软件部分主要根据控制单元的不同，分为Lab-VIEW 信号处理模块和基于Windows CE 操作系统的ARM 硬件平台的嵌入式两部分，Windows CE 作为嵌入式操作系统，而Nl LabVIEW Touch Panel Module For Windows CE 作为开发工具［8］，在基于Windows 操作的PC 机上进行开发，然后通过ActiveSync 工具移植到基于Windows CE 操作系统的硬件平台中，综合利用LabVIEW 和ARM 各自的优势，从而快速、高效的开发具有复杂功能、高性价比的嵌入式系统。基于Lab-VIEW Touch Panel 模块下完成信号处理和图形显示软件程序，然后以可执行性程序通过移植到Windows CE操作系统的ARM9 硬件平台中运行，从而实现本仪器的功能设计和LCD 图形显示功能。图6 为显示界面的Lab VIEW 部分程序框图。

图7 为Lab VIEW 前面板实时显示界面。该采集系统可以分为参数设置、波形显示、模拟量输出、开关量输出、数字开关量读取等选项卡，通过切换选项卡选取功能实现控制。在参数设置选项卡里设置串口通讯的串口端口、波特率、数据位、停止位、奇偶校验以及液压标定参数等一些设置参数。在波形图显示选项卡可以将采集的两路模拟信号显示在示波窗口。另外可以保存采集信号写入到数据文件中以便后期做回放和高级数据处理。开关量选项卡可以通过输出数字量开关控制AVR 单片机的管脚输出相应的高低电平，以控制电磁阀的换向等。

4 嵌入式监控系统实时界面

通过分析信号处理系统的基本原理，以及目前信号处理系统设计的优缺点，提出利用Lab VIEW 图形化设计方法，借助ARM9 体积小、功能强大、易控制、灵活开发等特点，开发了一套便携式通用信号处理平台。该仪器不仅具有信号采集、分析、处理、存储和显示功能，在无线网卡的硬件支持下，将来还可以拓展开发其无线传送功能，为数据的进一步开发处理，实现信号检测的图像化、智能化、自动化奠定了良好的基础。该系统软件的运行界面如图8 所示，主要包括界面选择区、信号显示区、信号指示灯和操作按钮。界面选择区主要包括波形图、模拟量、开关量和参数设置4 个界面。系统软件的运行初始默认界面为波形图界面。

图8 为信号发生器发送的30 Hz 的正弦信号和三角波信号。通过AVR 模拟量采集和采集数据上传到ARM 开发板，并将数据以曲线形式显示在嵌入式Labview 监控界面上。

5 结语

基于LabVIEW 的图形化嵌入式系统实验平台的优势在于图形化程序简单直观、人机交互性好、代码移植性强、硬件资源丰富、扩展性强、可以连接各种类型的外设模块。另外ARM 嵌入式监控系统具有占用空间小、抗震能力强、携带方便等特点。采用嵌入式控制系统，有利于减小系统的体积、重量，优化系统资源分配，降低液压伺服控制系统的成本，增强系统抗震性，本项目应用研究在液压系统的监控上有较好的创新性，具有很好的工程应用前景。