基于ARM的物品運(yùn)輸記錄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王麗利 楊軍藝 李新娥 沈大偉 張紅艷

【摘要】針對(duì)在民用、軍用的特殊設(shè)備裝卸運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，周圍環(huán)境的變化會(huì)影響特殊設(shè)備的使用性能，甚至對(duì)其造成損壞的問(wèn)題，本文提出了對(duì)特殊設(shè)備裝卸運(yùn)輸過(guò)程測(cè)試，該方法有助于對(duì)遭受損壞后的設(shè)備性能進(jìn)行評(píng)估和分析，并能對(duì)特殊物品在運(yùn)輸過(guò)程中加以相應(yīng)的保護(hù)。本文分析了裝卸運(yùn)輸過(guò)程中的一些關(guān)鍵物理參數(shù)，如溫度濕度、振動(dòng)和沖擊，從而提出了總體設(shè)計(jì)思路，分別對(duì)各個(gè)主要功能模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并確定了基于ARM的最終方案并在測(cè)試中成功獲得有效數(shù)據(jù)。

【關(guān)鍵詞】測(cè)試;ARM;振動(dòng)沖擊

引言

在特殊設(shè)備及物品的裝卸、運(yùn)輸過(guò)程中有可能對(duì)物品造成損壞。例如，托運(yùn)過(guò)程中由于貴重物品損壞而造成巨大損失的案例屢見不鮮。其原因很復(fù)雜，然而最常見的導(dǎo)致破損的原因可歸結(jié)為：溫度、濕度、振動(dòng)和沖擊[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅中國(guó)范圍內(nèi)每年就有約140億元的經(jīng)濟(jì)損失是由于物品流通過(guò)程中的損壞而造成的[2]。要盡量避免由于裝卸運(yùn)輸過(guò)程中對(duì)物品造成的損壞，除了在包裝方面進(jìn)行改進(jìn)外，對(duì)其運(yùn)輸?shù)沫h(huán)境進(jìn)行檢測(cè)也勢(shì)在必行。通過(guò)對(duì)裝卸運(yùn)輸過(guò)程中的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到在不同環(huán)境下，物品受到的損壞原因，由此在以后的同類裝卸運(yùn)輸環(huán)境下，采取適當(dāng)?shù)拇胧┮詼p小物品的破損程度。通過(guò)使用裝卸運(yùn)輸測(cè)試系統(tǒng)，不僅能夠規(guī)范人為操作，還能為特殊物品或設(shè)備的失效幾率進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)而減少損失。

1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

總體方案設(shè)計(jì)如下：本系統(tǒng)由實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、溫濕度傳感模塊、振動(dòng)/沖擊加速度傳感模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、電源管理模塊組成。

系統(tǒng)以微處理器為核心，對(duì)環(huán)境溫濕度信號(hào)、振動(dòng)/沖擊傳感器信號(hào)以及實(shí)時(shí)時(shí)間信號(hào)進(jìn)行采集，并將采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路模塊用于給系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)時(shí)間，當(dāng)記錄溫濕度信號(hào)或振動(dòng)/沖擊加速度信號(hào)時(shí)，由處理器讀取實(shí)時(shí)時(shí)間并保存，以供之后對(duì)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。通信模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)與PC機(jī)之間通信，按照約定的通信協(xié)議，以相應(yīng)的格式將存儲(chǔ)器內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳入PC機(jī)或從PC機(jī)輸入數(shù)據(jù)到系統(tǒng)微處理器。電源管理模塊負(fù)責(zé)將電池電壓轉(zhuǎn)換為各功能芯片需要的工作電壓，供電給各模塊芯片;此外，由主控芯片控制其它功能芯片的待機(jī)或啟動(dòng)模式，合理地進(jìn)行功率控制，進(jìn)而豐富低功耗控制策略，降低系統(tǒng)功耗。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用以ARM Cortex-M3為內(nèi)核的LPC1768[3]微處理器，其最小系統(tǒng)主要由四部分組成：電源模塊、時(shí)鐘模塊、復(fù)位模塊、JTAG調(diào)試接口模塊。

本系統(tǒng)使用CAT811S實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位和電源監(jiān)控的功能。時(shí)鐘模塊決定了微處理器運(yùn)行的速度及采樣頻率的可靠性。溫度及濕度傳感器采用溫濕度測(cè)量集成在一起的數(shù)字溫濕度傳感器SHT15[4]。SHT15直接輸出數(shù)字信號(hào)，且內(nèi)部集成了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的I2C接口，可以很方便地與微控制器LPC1768連接，其測(cè)溫范圍是-40～123.8℃，測(cè)量相對(duì)濕度范圍是0～100%RH，滿足裝卸運(yùn)輸測(cè)試系統(tǒng)的要求。實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊以PCF8563為核心，PCF8563具有定時(shí)器中斷功能[5][6]，PCF8563除了用于提供時(shí)間外，還用于定時(shí)中斷，使系統(tǒng)進(jìn)入定時(shí)采樣模式。利用ADXL3xx測(cè)量振動(dòng)/沖擊，它可以直接輸出數(shù)字量，I2C接口傳輸數(shù)據(jù)，ADXL3xx帶有沖擊檢測(cè)中斷功能，而且不僅能夠測(cè)試5g以內(nèi)的振動(dòng)，也可以測(cè)試沖擊，符合系統(tǒng)測(cè)試要求。

2.系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)工作時(shí)，有定時(shí)采樣模式和突發(fā)事件采樣模式兩種測(cè)量模式。系統(tǒng)進(jìn)入測(cè)試后，當(dāng)PCF8563定時(shí)器中斷輸出時(shí)，進(jìn)入定時(shí)采樣模式，ADXL3xx按照定時(shí)采樣的采樣頻率200Hz采集并存儲(chǔ)振動(dòng)加速度值，然后退出定時(shí)采樣模式進(jìn)入待機(jī)狀態(tài);在此過(guò)程中，當(dāng)檢測(cè)到加速度值高于閾值時(shí)，視為受到?jīng)_擊加速度，系統(tǒng)優(yōu)先進(jìn)入突發(fā)事件采樣模式，隨后ADXL3xx以20KHz的采樣頻率對(duì)沖擊加速度進(jìn)行采樣存儲(chǔ)，30s后，系統(tǒng)退出突發(fā)事件采樣模式進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

當(dāng)VS和VDDI/O都上電時(shí)，器件處于待機(jī)模式，等待進(jìn)入測(cè)量模式的命令，所有傳感器功能關(guān)閉。當(dāng)該器件得到指示進(jìn)入測(cè)量模式后，傳感器進(jìn)入工作狀態(tài)。系統(tǒng)上電后，ADXL3xx進(jìn)入待機(jī)模式。當(dāng)ADXL3xx中三軸中的觸發(fā)軸的加速度值超過(guò)寄存器THRESH_SHOCK中沖擊中斷的閾值時(shí)（沖擊事件的幅度與THRESH_SHOCK寄存器中的值進(jìn)行比較），并且持續(xù)時(shí)間小于DUE寄存器的規(guī)定的時(shí)間范圍時(shí)，單次沖擊中斷位SINGLE_SHOCK中斷置位。

系統(tǒng)采用異步串行通信UART接口與上位機(jī)進(jìn)行通信。由于上位機(jī)串口是RS-232電平，因此需要使用RS-232轉(zhuǎn)換器。本系統(tǒng)選用MAX3232作為RS-232的轉(zhuǎn)換芯片。系統(tǒng)選用MAX3232的其中一路接收器和驅(qū)動(dòng)器，要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過(guò)LPC1768的TXD0發(fā)送到MAX3232的T2IN，經(jīng)過(guò)內(nèi)部轉(zhuǎn)換，輸出到T2OUT，之后發(fā)送到PC機(jī)。圖1為系統(tǒng)的采樣方式示意圖。

圖1 系統(tǒng)采樣方式示意圖

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的工作狀態(tài)由六部分組成：關(guān)機(jī)狀態(tài)、待機(jī)狀態(tài)、定時(shí)采樣存儲(chǔ)狀態(tài)、突發(fā)采樣存儲(chǔ)狀態(tài)、待讀數(shù)或擦除狀態(tài)以及讀數(shù)或擦除狀態(tài)。

系統(tǒng)上電后，經(jīng)過(guò)執(zhí)行引導(dǎo)程序以及用戶程序的初始化過(guò)程，即進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，待機(jī)狀態(tài)下系統(tǒng)首先判斷狀態(tài)切換按鈕是否按下，如果切換按鈕按下，則系統(tǒng)進(jìn)入待讀數(shù)或待擦除狀態(tài)，等待上位機(jī)發(fā)送讀數(shù)或擦除命令，而后執(zhí)行相應(yīng)的讀數(shù)或擦除操作;反之，如果沒(méi)有按下狀態(tài)切換按鈕，則系統(tǒng)等待定時(shí)中斷和沖擊檢測(cè)中斷，判斷是否有突發(fā)中斷或定時(shí)中斷，有則執(zhí)行相應(yīng)的采樣存儲(chǔ)操作，執(zhí)行完后返回待機(jī)模式，沒(méi)有則直接返回待機(jī)模式。圖2所示為系統(tǒng)主程序流程圖。

圖2 系統(tǒng)主程序流程圖

定時(shí)采樣時(shí)，振動(dòng)加速度的采樣頻率為200Hz，傳輸時(shí)間和存儲(chǔ)時(shí)間足夠小，可以直接存儲(chǔ)到FLASH;突發(fā)采樣時(shí)，沖擊加速度的采樣頻率為20KHz，本系統(tǒng)設(shè)定先將數(shù)據(jù)存入RAM，再轉(zhuǎn)存到FLASH，由于FLASH為頁(yè)編程方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)[7][8]，一頁(yè)的數(shù)據(jù)量為2KB，而LPC1768有3塊靜態(tài)RAM，容量分別為32KB、16KB、16KB，本系統(tǒng)中選用其中一塊16KB的RAM用來(lái)存儲(chǔ)突發(fā)模式的數(shù)據(jù)，設(shè)定為每當(dāng)RAM存滿8KB的數(shù)據(jù)時(shí)，將其中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到FLASH中。

4.裝置可靠性及試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 可靠性驗(yàn)證

本系統(tǒng)通過(guò)馬歇特錘[9]來(lái)進(jìn)行裝置沖擊加速度的測(cè)試，結(jié)果顯示裝置和標(biāo)準(zhǔn)傳感器測(cè)量的最大沖擊加速度基本相同，曲線后部振動(dòng)部分差異較大是由于兩套裝置的安裝方式不同引起的，曲線如圖3所示。

將裝置放入敞開環(huán)境中，測(cè)量后的溫度及濕度與溫度濕度控制器顯示值相比較，得到的結(jié)果通過(guò)計(jì)算相對(duì)誤差，得到溫度的相對(duì)測(cè)量誤差1.52%，濕度相對(duì)測(cè)量誤差2.5%。從所有結(jié)果來(lái)看該系統(tǒng)有較高的精確度和準(zhǔn)確性。測(cè)試后的結(jié)果表明該裝置具有較高的準(zhǔn)確度和精確性，且經(jīng)過(guò)反復(fù)多次測(cè)試，均有有效數(shù)據(jù)成功采集，可靠性高。

圖4 沖擊加速度曲線

4.2 實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果

在某次貨物運(yùn)輸過(guò)程中，將該裝置通過(guò)螺紋固定方式與貨物包裝箱緊密連接，在此次運(yùn)輸過(guò)程中成功記錄到數(shù)據(jù)。圖4為系統(tǒng)受到?jīng)_擊的加速度曲線及頻域曲線，曲線顯示裝置受到的最大沖擊加速度峰值約為150g，脈寬約為0.6ms。

在運(yùn)輸過(guò)程中，由于路況和駕駛狀況的不同，包裝箱會(huì)受到不同程度的振動(dòng)。通過(guò)測(cè)試，包裝箱在運(yùn)輸過(guò)程中受到的振動(dòng)情況如表1所示。

在測(cè)試中測(cè)得的溫度及相對(duì)濕度變化趨勢(shì)如圖5所示。

通過(guò)以上的分析，可以認(rèn)為，在本次包裝箱裝卸運(yùn)輸過(guò)程中受到的振動(dòng)/沖擊加速度的范圍為：-150～150g;震動(dòng)值總體較小，公路運(yùn)輸與鐵路運(yùn)輸相比更加平穩(wěn)，但貨車司機(jī)的駕駛技術(shù)及習(xí)慣等主動(dòng)因素可能會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果造成較大影響;溫度變化范圍：10℃，對(duì)于物品影響較小;相對(duì)濕度變化范圍：60%RH，最大相對(duì)濕度為95%RH，可能會(huì)影響部分特殊物品的性能，應(yīng)做適當(dāng)?shù)母稍锾幚怼?/p>

5.總結(jié)

本文提出了對(duì)特殊設(shè)備裝卸運(yùn)輸過(guò)程中各主要參數(shù)的記錄和測(cè)試。該方法有助于對(duì)運(yùn)輸后的設(shè)備性能是否正常做出判斷，并能對(duì)特殊物品在運(yùn)輸過(guò)程中加以相應(yīng)的保護(hù)。實(shí)踐表明該系統(tǒng)能夠可靠地完成運(yùn)輸過(guò)程中各主要參數(shù)的測(cè)量與記錄，為特殊物品的運(yùn)輸裝卸過(guò)程提供可靠地?cái)?shù)據(jù)參照。在下一步工作中擬加入報(bào)警功能，可以及時(shí)地對(duì)運(yùn)輸過(guò)程中可能的引起貨物損壞的因素進(jìn)行發(fā)現(xiàn)并及時(shí)得到處理。

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作者簡(jiǎn)介：

楊軍藝（1988—），山西臨汾人，碩士研究生，主要研究方向：動(dòng)態(tài)測(cè)試。

李新娥（1971— ），山西大同人，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：動(dòng)態(tài)測(cè)試、傳感器技術(shù)、電磁屏蔽技術(shù)、校準(zhǔn)技術(shù)、智能測(cè)控。

沈大偉（1979—），山西長(zhǎng)治人，博士，主要研究方向：動(dòng)態(tài)測(cè)試、智能測(cè)控。

張紅艷（1978—），安徽淮北人，講師，主要研究方向：動(dòng)態(tài)測(cè)試、精密機(jī)械及儀器。

王麗利（1979—），陜西西安人，工程師，主要研究方向：測(cè)試儀器研究。