基于嵌入式Linux的汽車車身參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

汪婷 邵淦 萬(wàn)侃然

【摘要】基于能夠在汽車生產(chǎn)制造中實(shí)時(shí)有效地測(cè)量汽車車身的各項(xiàng)尺寸參數(shù)，對(duì)汽車全程生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制和監(jiān)督，設(shè)計(jì)了一種專用于汽車的，車身尺寸參數(shù)測(cè)量的便攜式電子測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)以S3C2410控制器為核心控制模塊，以嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)，并以液晶觸摸屏為輸入輸出設(shè)備，完成了測(cè)量系統(tǒng)軟硬件系方案設(shè)計(jì)與搭建，構(gòu)建了一個(gè)高性能 、低成本的汽車車身參數(shù)測(cè)量的專用電子系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】汽車;S3C2410;Linux;電子測(cè)量系統(tǒng)

Abstract：In order to measure the dimensions of the automobile body data real-time and effectively in automobile production ，thencontrol and supervise the entire process，the article developed an portable electronic system which was used for measuring the critical dimensions of automobile body structure.The core of the system hardware used S3C2410 microprocessor and based on embedded Linux operating system，then with LCD touch screen as input and output devices，which completed the measurement system software and hardware system design and build，constructed a high-performance and low-cost automobile body parameters measurement of special electronic system.

Keywords： Auto;S3C2410;Linux;Electronic measurement system

面對(duì)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的汽車市場(chǎng)，汽車車身的生產(chǎn)周期的縮短就意味著競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力的增強(qiáng)，由此汽車車身關(guān)鍵位置控制點(diǎn)的在線檢測(cè)速度或是售后維修越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外汽車生產(chǎn)廠家的重視[1]。汽車零部件的尺寸形狀和位置誤差是汽車生產(chǎn)過(guò)程中的重要檢測(cè)內(nèi)容，生產(chǎn)制造時(shí)不僅需要保證關(guān)鍵質(zhì)量控制點(diǎn)的三維位置尺寸準(zhǔn)確度，還要求其功能尺寸的精確性，它對(duì)汽車及總成的性能質(zhì)量和使用壽命有著重要的影響[2]。然而目前在國(guó)內(nèi)用于汽車生產(chǎn)中的電子測(cè)量設(shè)備大多是簡(jiǎn)單的尺寸測(cè)量工具，在智能化和系統(tǒng)化上還遠(yuǎn)達(dá)不到目前的競(jìng)爭(zhēng)要求。這些測(cè)量工具使用不方便，對(duì)人員的素質(zhì)要求比較高，而且并沒(méi)有針對(duì)于汽車車身特定參數(shù)的測(cè)量系統(tǒng)，降低了產(chǎn)品的測(cè)量速率，因此現(xiàn)代測(cè)量迫切需要一種更加便攜的計(jì)算系統(tǒng)，來(lái)完成實(shí)時(shí)的測(cè)量要求。

基于此本文設(shè)計(jì)了一種以S3C2410處理器為控制核心，專用于汽車車身關(guān)鍵尺寸參數(shù)測(cè)量的電子系統(tǒng)。該測(cè)量設(shè)備是由電子測(cè)量系統(tǒng)與機(jī)械測(cè)量結(jié)構(gòu)共同組成，系統(tǒng)內(nèi)部通過(guò)SD卡存儲(chǔ)有原始汽車車身生產(chǎn)尺寸的參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，測(cè)量結(jié)果與此作參照，并且通過(guò)液晶觸摸屏來(lái)直接控制測(cè)量過(guò)程與測(cè)量結(jié)果的顯示輸出，構(gòu)建了一個(gè)高性能低成本的人機(jī)界面系統(tǒng)。

一、系統(tǒng)測(cè)量機(jī)機(jī)械構(gòu)成與測(cè)量原理

測(cè)量機(jī)在機(jī)械結(jié)構(gòu)上同工業(yè)中的機(jī)械臂相似[3]。圖1即為測(cè)量機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖，它包括有一個(gè)基座，四個(gè)不同長(zhǎng)度的連桿，五個(gè)關(guān)節(jié)，一個(gè)測(cè)量頭。在每一個(gè)關(guān)節(jié)內(nèi)都安裝有高精度的角度編碼器，通過(guò)五個(gè)關(guān)節(jié)內(nèi)的角度編碼器角度傳感值與已知的四個(gè)連桿長(zhǎng)度，在以基座為坐標(biāo)原點(diǎn)的坐標(biāo)系中，根據(jù)建立好的數(shù)學(xué)模型就可以計(jì)算出的測(cè)頭的三維空間坐標(biāo)值。

圖1 測(cè)量機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

采用D-H 方法（機(jī)器人研究中運(yùn)用成熟），便可建立起該測(cè)量機(jī)的測(cè)量方程。在測(cè)量機(jī)械部分中，需要說(shuō)明的是：關(guān)節(jié)2的軸線與關(guān)節(jié)3的軸線呈近乎于平行的關(guān)系，由于D-H 方法中相鄰關(guān)節(jié)軸線相互平行或者幾近平行的情況下將導(dǎo)致 D-H 數(shù)學(xué)模型矩陣的病態(tài)，所以這部分采用MDH建模的方法，即D-H方法的改進(jìn) [4]。而測(cè)頭、桿件4與關(guān)節(jié)5共同構(gòu)成了一個(gè)圓柱型坐標(biāo)模型。由此測(cè)量機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型分別以三個(gè)部分各自來(lái)建模，然后整合在一起就得到了整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)部分的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。最后結(jié)合已知的桿件長(zhǎng)度，便可測(cè)算出測(cè)頭的空間坐標(biāo)值。

二、系統(tǒng)硬件總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)為以S3C2410控制器為核心的嵌入式平臺(tái)，具有多種通訊方式，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)角度傳感器采用光學(xué)角度編碼器，同時(shí)采用友好的LCD觸摸屏作為人機(jī)界面。能夠獲取測(cè)量位置的空間坐標(biāo)值，進(jìn)而通過(guò)算法子程序計(jì)算得出車身的尺寸參數(shù)，并與SD卡存儲(chǔ)設(shè)備中的汽車生產(chǎn)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，測(cè)量人員直接通過(guò)人機(jī)界面獲取所需信息。圖2即為此硬件系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。

圖2 硬件方案設(shè)計(jì)圖

（一）微控制器模塊

本系統(tǒng)所選用的微控制器為S3C2410，它是三星公司生產(chǎn)的ARM9系列芯片。S3C2410微控制器基本工作頻率為400MHz，并且支持Linux操作系統(tǒng)的移植嵌入，主要是應(yīng)用于一些低功耗，高性價(jià)比的電子產(chǎn)品。除此之外，該處理器還擁有：獨(dú)立的16KB的指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache、NAND閃存控制器、支持TFT的LCD控制器、三路UART、四路帶PWM的Timer、四路DMA、I/O口、RTC、Touch screen接口、USB接口、SD卡、MMC接口和兩路SPIO接口。微控制器是測(cè)量系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)任務(wù)包括采集角度傳感器信號(hào)，捕捉外部中斷，控制各種通訊過(guò)程以及計(jì)算測(cè)量的數(shù)學(xué)模型等。

（二）SD卡選用與連接方式

基于成本低、體積小但容量大等特征考慮，本測(cè)量系統(tǒng)選擇采用SD卡作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備。SD卡是一種基于半導(dǎo)體flash的新一代存儲(chǔ)產(chǎn)品，它被廣泛運(yùn)用于各種手持裝置上，具有高的存儲(chǔ)容量、數(shù)據(jù)快速傳輸速率、良好的安全性能以及移動(dòng)的小巧性。SD卡是該測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分，承擔(dān)著兩類數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。其一，是汽車生產(chǎn)的原始數(shù)據(jù)資料，例如汽車的車型，汽車關(guān)鍵尺寸參數(shù)以及各測(cè)量位置之間的距離等重要信息;其二，存儲(chǔ)測(cè)量人員的測(cè)量結(jié)果及比對(duì)信息。由于S3C2410微處理器內(nèi)部集成了 SPI 模塊，本設(shè)計(jì)選擇采用 SPI 連接模式與SD卡進(jìn)行連接。數(shù)據(jù)的通訊需要三條線路連接：SPI_MISO引腳為主設(shè)備輸入、從設(shè)備輸出引腳;SPI_MOSI 引腳為主設(shè)備輸出、從設(shè)備輸入引腳;SPI_SCK 為時(shí)鐘線。系統(tǒng)以S3C240處理器為主設(shè)備，SD 卡為從設(shè)備來(lái)進(jìn)行配置。最后需要將片選引腳CS連至S3C2410的 I/O 口，以對(duì) SD 卡存儲(chǔ)器進(jìn)行片選控制。

（三）觸摸屏選用及通訊方式

觸摸屏采用迪文DMT80480C050_02WT 串口屏 [5]作為本系統(tǒng)的顯示及輸出部分，該終端內(nèi)核為K600+、內(nèi)部集成了字庫(kù)、所要求供電范圍為 3.3V-6V、還包含有內(nèi)部時(shí)鐘，觸摸屏為四線式電阻串口屏，可以通過(guò)下載觸摸控制文件進(jìn)行坐標(biāo)解析，從而直接取得觸摸鍵值，使用統(tǒng)一的指令集，并且液晶屏內(nèi)嵌入與微處理器相連的液晶屏驅(qū)動(dòng)模組。通訊控制接口采用全雙工的異步串口通訊模式，將微處理器的串口與觸摸屏通訊控制接口連接起來(lái)，通過(guò)解析觸摸鍵值發(fā)送指令來(lái)控制顯示的內(nèi)容，從而進(jìn)入各種功能模塊處理分析。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測(cè)量系統(tǒng)采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)[6]并且配合相應(yīng)的應(yīng)用程序來(lái)搭建軟件系統(tǒng)。使用操作系統(tǒng)可以簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的調(diào)度，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員只需專注于設(shè)計(jì)所需功能任務(wù)，然后通過(guò)操作系統(tǒng)本身的調(diào)度方法，便可以完成多任務(wù)的處理調(diào)度。由于其源代碼的開(kāi)放性，在網(wǎng)上下載后可通過(guò)重編譯內(nèi)核來(lái)定制自己要需的服務(wù)。

（一）Linux操作系統(tǒng)

在使用嵌入式Linux操作系統(tǒng)時(shí)，用戶需要對(duì)其內(nèi)核進(jìn)行修改剪切和添加功能模塊才能實(shí)現(xiàn)功能要求。主要的操作有移植內(nèi)核使之能夠在特定的軟硬件條件下運(yùn)行，然后是添加所需的驅(qū)動(dòng)模塊。

在Linux操作系統(tǒng)中，把所有的外部設(shè)備設(shè)都看成是一種特殊的文件，稱之為設(shè)備文件[7]。系統(tǒng)需要調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序來(lái)調(diào)用外部各硬件設(shè)備。其中設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)完成各設(shè)備的釋放和初始化，為應(yīng)用程序的運(yùn)行忽略掉各外部設(shè)備硬件的詳細(xì)信息，使得應(yīng)用程序使用各外部設(shè)備像對(duì)普通文件操作一樣簡(jiǎn)便易行。由此，只需要調(diào)用相應(yīng)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序就能夠?qū)υ撛O(shè)備進(jìn)行訪問(wèn)，這給應(yīng)用程序的編寫帶來(lái)了極大的方便。

這里以SD卡的運(yùn)用來(lái)做簡(jiǎn)要說(shuō)明，該系統(tǒng)SD卡上存儲(chǔ)有汽車生產(chǎn)的原始數(shù)據(jù)資料和測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)的讀出與寫入命令即可調(diào)用所需信息，完成通訊。在內(nèi)核目錄下輸入生成的make menu config 命令，就可進(jìn)入內(nèi)核去配置各文件，然后在主菜單中配置好SD卡的驅(qū)動(dòng)信息，在Device drivers菜單中，選擇進(jìn)入MMC/SD Card support一>，執(zhí)行make zImage命令，編譯內(nèi)核后，系統(tǒng)就加載上了SD卡的驅(qū)動(dòng)程序。在系統(tǒng)加載了SD卡的驅(qū)動(dòng)以后，要執(zhí)行SD卡的掛載命令，即把SD卡掛載到Linux操作系統(tǒng)中，命令編寫如下：

#mount/dev/mmc/blk0/disc/mnt

這樣SD卡就可以在經(jīng)過(guò)移植剪裁的Linux系統(tǒng)下開(kāi)始正常工作了，如此就可以進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)了。

（二）系統(tǒng)軟件任務(wù)劃分

根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)的功能需求，將程序劃分為不同的任務(wù)模塊，各模塊之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)任務(wù)關(guān)聯(lián)圖

測(cè)量系統(tǒng)采用觸摸屏作為輸入輸出設(shè)備，通過(guò)按下采樣按鈕開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，其余所有操作指令的輸入是通過(guò)液晶觸摸屏來(lái)完成。觸摸屏任務(wù)的主要功能就是獲取并解析觸摸屏當(dāng)前時(shí)刻觸摸的鍵值，從而解析測(cè)量人員的操作意圖，完成所要求功能的創(chuàng)建。坐標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)控任務(wù)是由觸摸屏來(lái)任務(wù)創(chuàng)建，當(dāng)測(cè)量人員觸摸液晶屏上“測(cè)量”的標(biāo)識(shí)時(shí)，便進(jìn)入了測(cè)量子任務(wù)。該操作功能是不斷獲取角度傳感器當(dāng)前的角度值并通過(guò)所編寫的應(yīng)用程序計(jì)算出測(cè)頭空間坐標(biāo)值，在通過(guò)各項(xiàng)尺寸算法程序計(jì)算后將數(shù)據(jù)結(jié)果顯示輸出在觸摸屏上。

四、結(jié)束語(yǔ)

本汽車車身參數(shù)電子測(cè)量系統(tǒng)采用S3C240芯片作為微處理器，并將嵌入式Linux操作系統(tǒng)移植到測(cè)量系統(tǒng)中，構(gòu)建了一個(gè)高性能、低成本的汽車車身參數(shù)測(cè)量的專用電子系統(tǒng)。而且以液晶觸摸屏作為輸入輸出設(shè)備，使整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單便攜，很大程度的提高了檢測(cè)的質(zhì)量和效率。對(duì)我國(guó)汽車生產(chǎn)領(lǐng)域提高汽車生產(chǎn)質(zhì)量具有重要意義。

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作者簡(jiǎn)介：

汪婷（1989—），合肥工業(yè)大學(xué)2012級(jí)在讀研究生。

邵淦，合肥工業(yè)大學(xué)2012級(jí)在讀研究生，研究方向：在線檢測(cè)及儀器智能化。

萬(wàn)侃然，合肥工業(yè)大學(xué)2012級(jí)在讀研究生，研究方向：在線檢測(cè)及儀器智能化。