李智勇++殷克功

摘要：各類裝備由于其本身構(gòu)造復雜、所處位置分布廣泛的特性為維修人員的工作帶來了很大的不便。而ARM本身所具有的體積小、功耗低的優(yōu)點是它被廣泛的應用在信息技術(shù)領(lǐng)域。因此，我們對于裝備信號檢測儀的設(shè)計提出一套使用S3C2410 ARM開發(fā)板作為系統(tǒng)硬件平臺，運行在嵌入式Linux系統(tǒng)設(shè)計方案，成功實現(xiàn)多種信號采集并可視化顯現(xiàn)，進行故障定位和診斷的要求。

關(guān)鍵詞：嵌入式Linux系統(tǒng)，ARM處理器，機車信號檢測儀

1、前言

ARM作為專門為便攜式設(shè)備開發(fā)的嵌入式微處理器，在實際嵌入應用中可以只保留核心功能硬件，最大程度上減少體積和耗能，這對于維修人員對于裝備信號檢測儀輕便的要求無疑是巨大的技術(shù)優(yōu)勢。同時，檢測設(shè)備的另一個重要發(fā)展方向就是將數(shù)據(jù)采集和實時傳感以及數(shù)據(jù)處理等技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)對于信號的檢測、分析、傳輸、處理等一體化流程。這樣維修人員就能在工作中及時發(fā)現(xiàn)故障，盡快解決故障，避免設(shè)備損失。本文即在下文給出關(guān)于裝備信號檢測儀的基本設(shè)計方案。

2、基本方案設(shè)計

考慮到檢測設(shè)備可能是一個非常復雜的電子信息系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)和電纜進行連接，檢測信號包括周期信號、電平差分信號、標準串并行信號燈多種類型信號構(gòu)成，并且待檢測數(shù)據(jù)數(shù)量組很多，因此，我們要求設(shè)備必須具有能夠高速判斷實時信號的要求。傳統(tǒng)的簡單的單片機檢測系統(tǒng)必須停止當前的任務才能對于中斷信號處理，速度遠遠達不到工作要求。因此，在新設(shè)計的裝備信號檢測儀中，我們將采取S3C2440 ARM920T的內(nèi)核。S3C2440 ARM920T是基于16/32bits，專門用于便攜電子設(shè)備，具有高度集中功能的嵌入式微處理芯片。由于Linux系統(tǒng)的代碼是免費開源并且操作簡易高效的，它對于嵌入式系統(tǒng)來說是最好的匹配。同時，它還能滿足多任務同時處理，多進程同步進行的要求。嵌入式Linux系統(tǒng)根據(jù)硬件資源進行調(diào)整后，它的內(nèi)核可以控制在1MB以內(nèi)，非常適合用在裝備檢測儀中。

為了方便裝備信號檢測儀能在窄小的空間進行使用，我們認為裝備信號檢測儀的系統(tǒng)應當選取分散式體系結(jié)構(gòu)，采用Client/Server前后端機模式。

前端機的主體構(gòu)成為便攜式工業(yè)控制計算機，通過與后端機的TCP連接采集數(shù)據(jù)，主要編程程序為具有強大計算處理能力的Matlab，向后臺發(fā)送控制信息。主要控制平臺則是由ARM和Linux系統(tǒng)構(gòu)建，S3C200芯片則為接口電路提供接口資源，避免了A/D轉(zhuǎn)換的麻煩和其余雜波的干擾。同時為了以后更方便進行資源擴展，在軟件設(shè)計進行模塊劃分。

此外，Linux系統(tǒng)由于時鐘精度比較粗糙，不能勝任周期間隔較小的任務，以及它的在面臨臨界期的進程時會延遲高優(yōu)先級的中斷請求，為了解決這些障礙，我們還需要對于Linux系統(tǒng)進行定量改造。首先加入實時內(nèi)核，和原有內(nèi)核一起進行硬件管理并處理底層任務。其次，要對任務進行分類處理，即硬實時、軟實時和非實時三類，硬實時不可被搶占，軟實時和非實時的優(yōu)先級要低于硬實時。最后，把一些時鐘中斷和實時處理采取中斷處理，避免系統(tǒng)任務過于頻繁。通過以上構(gòu)造，最大程度的提高數(shù)據(jù)分析的高速性能。

3、基于ARM的機車信號檢測儀的實例應用

機車信號是為了保證鐵路安全而設(shè)計的自動顯示列車前方的信號的車載系統(tǒng)。為了減少司機駕駛列車的危險，要求機車信號要具有主體化性質(zhì)。主體化機車信號是由車載系統(tǒng)和地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成。在主體化機車信號主機中還需要添加機車信號記錄器，實施記錄數(shù)據(jù)。而機車信號檢測儀的主要功能就是儲存信息，主要包括各類輸出、輸入信息，運行環(huán)境信息、運行輔助信息等。

針對機車信號檢測儀我們主要設(shè)計了DSP數(shù)據(jù)處理模塊和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)兩部分構(gòu)成，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)主要包括了串行接口模塊、ARM處理器以及Linux操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)存儲信息模塊構(gòu)成。S3CA410的UART提供三個異步串行輸入輸出接口，這三者分別相互獨立，并且可以在中斷模式和DMA模式下兼容工作。此外，由于UART的結(jié)構(gòu)支持，在添加上MAX3232電平轉(zhuǎn)換電路，還能滿足R23串口功能。在USB設(shè)備控制中用DMA接口中進行高性能速率控制，它滿足了批量傳輸、控制傳輸和中斷傳輸?shù)墓δ堋?/p>

在機車信號檢測儀中通過記錄器得到了全部主體化機車信號信息，采取點對點半雙工通信方式，數(shù)據(jù)串采用定長格式。雙方的通信由信號記錄器提供技術(shù)支持。設(shè)備驅(qū)動是操作系統(tǒng)和硬件的接口實現(xiàn)對于設(shè)備進行初始化和釋放，為應用程序屏蔽技術(shù)細節(jié)。

4、結(jié)語

本文對于基于ARM 的裝備信號檢測儀的設(shè)計思路進行了一定量的說明，指出它的主要構(gòu)成：ARM嵌入式處理器、Linux操作系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理的工業(yè)計算機，從而能保證實時采集數(shù)據(jù)，對于信號進行處理，還以機車信號檢測儀為例，進一步為關(guān)于ARM的裝備信號檢測儀的設(shè)計與實現(xiàn)提供理論支持。

參考文獻

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