摘要：設(shè)計(jì)了一種利用ARM微處理器進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的方案，并對(duì)方案的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法作了具體的論述，利用圖形界面開發(fā)環(huán)境Qt/Embedded 2.3.7 編寫了圖形控制界面，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。
關(guān)鍵詞：ARM，狀態(tài)監(jiān)測(cè)，圖形界面，數(shù)據(jù)傳輸
中圖分類號(hào)：TP216              文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
The Design of embedded monitoring system Based on ARM
LIU Sheng-yu  ZHANG Zhi-xin
(The Research Institute of Vibration Engineering Dalian University of Technology Dalian Liaoning 116024 )
Abstract： A project of state monitoring based on the ARM microprocessor is presented. The design of the project and the realization of the project is detailed. Has compiled the graph control interface using GUI environment Qt/Embedded2.3.7 Carries on the real time data transmission through internet.
Key words：ARM, state monitoring, GUI, data transmission

      ARM具備體積小、接口豐富、高度集成性和擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，加之隨著Linux在服務(wù)器領(lǐng)域和桌面系統(tǒng)獲得的成功，Linux 以其良好的移植性能、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能、對(duì)各種文件系統(tǒng)完備的支持、具有軟件代碼小、高度自動(dòng)化、響應(yīng)速度快、特別適合于要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)的體系等特點(diǎn)[1]在嵌入式系統(tǒng)中獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。這使得基于ARM的嵌入式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有成本低、功耗低、實(shí)時(shí)性能好及智能程度高等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)監(jiān)測(cè)與控制領(lǐng)域具有較為廣闊的應(yīng)用前景[2]。本文設(shè)計(jì)了基于ARM的嵌入式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
      一個(gè)嵌入式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其基本目的控制硬件設(shè)備采集信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行一定的分析，其過(guò)程是獲取設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)的模擬量信號(hào)，并且能夠?qū)⑦@些模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于ARM嵌入式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。ARM微處理器的上選擇基于ARM920T內(nèi)核的S3C2410A芯片。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

      整個(gè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)方案如圖1所示，整個(gè)采集過(guò)程是由ARM微處理器控制的，ARM監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由以下三部分組成：
（1）信號(hào)采集：傳感器采集反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)。被采集的模擬信號(hào)通過(guò)傳感器拾取，再經(jīng)過(guò)濾波、放大信號(hào)調(diào)理，然后模擬信號(hào)則經(jīng)過(guò)A/D(模/數(shù))轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可識(shí)別數(shù)字量，通過(guò)ARM微處理器控制放大器的增益和濾波器的截止頻率。
（2）人機(jī)界面：采用圖形界面控制數(shù)據(jù)采集，并在界面上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，將數(shù)據(jù)處理結(jié)果在顯示屏上以良好直觀的界面動(dòng)態(tài)顯示，便于現(xiàn)場(chǎng)工作人員判斷故障。
（3）數(shù)據(jù)傳輸：數(shù)據(jù)傳輸是將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)（計(jì)算機(jī)），以進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理。
2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
     振動(dòng)傳感器傳來(lái)的振動(dòng)信號(hào)在進(jìn)入后端處理系統(tǒng)之前也需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行一定的調(diào)理，以滿足后端信號(hào)處理的要求，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間，信號(hào)的前端信號(hào)調(diào)理模塊使用設(shè)計(jì)好的模塊，包括恒流源、傳感檢測(cè)、信號(hào)放大、低通濾波，程控放大器放大倍數(shù)的設(shè)定通過(guò)S3C2410A設(shè)定。圖2顯示了系統(tǒng)硬件框圖。

圖2  系統(tǒng)硬件框圖

2.1程控抗混疊低通濾波器設(shè)計(jì)
      傳感器采集的的模擬信號(hào)中往往混有一些其它信號(hào)如噪聲信號(hào)，因此在A/D轉(zhuǎn)換之前對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波是很有必要的，同時(shí)選擇合適的濾波器還可以起到抗混疊的功能。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用MAX263低通濾波器，MAX263是有源開關(guān)電容濾波器，其中心頻率，Q值和工作模式可通過(guò)引腳編程設(shè)置，其硬件連接電路如圖3.

圖3  低通濾波電路

      選擇濾波器工作模式1，將M0，M1設(shè)置低電平，Q值設(shè)置為1，查表得NQ=64，則Q6~Q0引腳值為100000。MAX263的引腳與S3C2410芯片直接相連以實(shí)現(xiàn)程控濾波器，F(xiàn)0~F4分別連接GPB5~GPB9。在ARM上即可控制對(duì)應(yīng)引腳實(shí)現(xiàn)對(duì)MAX263截止頻率的設(shè)定。
2.2  A/D轉(zhuǎn)換電路
      A/D轉(zhuǎn)換器作用是把一個(gè)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)信號(hào)是一個(gè)連續(xù)的值。利用傳感器可以檢測(cè)到一個(gè)連續(xù)的電壓值，但在ARM和計(jì)算機(jī)上不能夠直接處理模擬信號(hào)數(shù)據(jù)。A/D轉(zhuǎn)換器就是把傳感器檢測(cè)到的電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)的器件。根據(jù)系統(tǒng)的條件及精度的要求下，采用12位的A/D轉(zhuǎn)換器已經(jīng)能夠滿足本系統(tǒng)的要求。在經(jīng)過(guò)A/D的轉(zhuǎn)換后。就把連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成了不連續(xù)的離散的數(shù)值，以便于數(shù)據(jù)分析。A/D轉(zhuǎn)換芯片采用TI公司的TLC2543。TLC2543是12位開關(guān)電容逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其電路連接如圖4。

圖4  TLC2543與S3C2410的連接圖

      數(shù)據(jù)采集時(shí)，首先向AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送要采集的通道號(hào)，AD轉(zhuǎn)換器讀取對(duì)應(yīng)通道的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳遞給S3C2410A，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，其流程如圖5。

圖5  A/D采集流程圖

      嵌入式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的ARM端應(yīng)用程序軟件的核心是人機(jī)交互用戶圖形界面，它是用戶和系統(tǒng)交互的窗口。
     本文將Qt/Embedded應(yīng)用于以ARM+Linux為平臺(tái)的嵌入式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)人機(jī)界面的開發(fā)。構(gòu)建Qt /Embedded交叉編譯環(huán)境需要構(gòu)建3個(gè)QT開發(fā)環(huán)境[3]。其中一個(gè)QT/X11是環(huán)境;一個(gè)是QT/Embedded(x86)環(huán)境；最后一個(gè)才是QT/Embedded(ARM)交叉編譯環(huán)境,在QT/Embedded(x86)環(huán)境下調(diào)試通過(guò)的程序需要在此環(huán)境下重新編譯后才能移植到目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行。
QtDesigner是Qt/Embedded下的集成開發(fā)工具，它支持信號(hào)和槽機(jī)制，使部件間能夠進(jìn)行有效的通信，省略了許多重復(fù)性的工作，可以大大縮減程序的開發(fā)周期[4]。在命令行下，根據(jù)設(shè)計(jì)器保存的界面文件(.ui文件)使用uic命令生成.h頭文件和.cpp源文件。
uic -o mainfile.h mainfile.ui
uic –o mainfile.cpp –impl mainfile.h mainfile.ui
     根據(jù)實(shí)際需要修改頭文件和源文件，使其實(shí)現(xiàn)具體功能，各種初始數(shù)值和配置都在相應(yīng)類的構(gòu)造函數(shù)中初始化，如實(shí)現(xiàn)界面類之間的調(diào)用關(guān)系等。下圖6為使用QtDesigner設(shè)計(jì)的風(fēng)電機(jī)組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主界面圖。

圖6 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主界面

4數(shù)據(jù)傳輸
      ARM與上位機(jī)的數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸采用基于TCP/IP的socket網(wǎng)絡(luò)傳輸[5]。本文設(shè)計(jì)的通訊系統(tǒng)的軟件在結(jié)構(gòu)上采用客戶端/服務(wù)器模式，它具有編程簡(jiǎn)單、容易控制、使用方便靈活等特點(diǎn)。
服務(wù)器端與客戶端程序設(shè)計(jì)流程如圖7

圖7 Socket網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)流程圖

1 打開Socket 描述符、建立綁定
sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM, 0);    //建立Socket
bind(sockfd, (struct sockaddr *)&my_addr,sizeof(struct sockaddr);  //綁定端口
2 建立連接
connect(sockfd,(struct sockaddr *)&remote_addr,sizeof(struct sockaddr) ;
 //發(fā)起連接
在服務(wù)器程序中, 當(dāng)Socket 與某一端口綁定以后, 就需要監(jiān)聽該端口
listen(sockfd,8);          //監(jiān)聽連接
當(dāng)客戶請(qǐng)求與服務(wù)器監(jiān)聽的端口連接時(shí), 該連接請(qǐng)求等待服務(wù)器接收它。隨后服務(wù)器程序調(diào)用accept( ) 函數(shù)為該請(qǐng)求建立一個(gè)連接。
3 數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收
send(sockfd, buff ,1024,0);   //向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)
recv(client_fd,buff,1024,0);  //接收服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)
4 關(guān)閉Socket
  
結(jié)束語(yǔ)
      本文介紹了一種采用ARM的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)適用于振動(dòng)信號(hào)采集及分析的設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使用S3C2410作為主控芯片，設(shè)計(jì)了低通濾波電路和A/D電路，并采用人機(jī)控制界面，采用Socket網(wǎng)絡(luò)編程實(shí)時(shí)將采集信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，傳輸數(shù)據(jù)不易丟失，不失真，起到了良好的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)作用。

參考文獻(xiàn)：
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[4]孫天澤,袁文菊編著. 嵌入式設(shè)計(jì)及Linux驅(qū)動(dòng)開發(fā)指南—基于ARM9處理器[M].第二版.北京:電子工業(yè)出版社.2005:368-373
[5]張思民編著.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社.2008:128-133

作者簡(jiǎn)介：
劉勝玉(1983-) 男 碩士研究生 研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)，故障診斷。Email:liushy1984@qq.com
張志新(1967-) 男 講師 碩士生導(dǎo)師 主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)設(shè)計(jì)，故障診斷，信號(hào)處理

作者聯(lián)系方式：
劉勝玉  Email: liushy1984@qq.com
        電話15940904974
        大連理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院振動(dòng)工程研究所