基于ARM的裝備信號檢測儀的設計與實現(xiàn)

李智勇++殷克功

摘要：各類裝備由于其本身構造復雜、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領域。因此，我們對于裝備信號檢測儀的設計提出一套使用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優(yōu)勢。同時，檢測設備的另一個重要發(fā)展方向就是將數(shù)據(jù)采集和實時傳感以及數(shù)據(jù)處理等技術相結合，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，避免設備損失。本文即在下文給出關于裝備信號檢測儀的基本設計方案。

2、基本方案設計

考慮到檢測設備可能是一個非常復雜的電子信息系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡和電纜進行連接，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成，并且待檢測數(shù)據(jù)數(shù)量組很多，因此，我們要求設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構，采用Client/Server前后端機模式。

前端機的主體構成為便攜式工業(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)構建，S3C200芯片則為接口電路提供接口資源，避免了A/D轉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。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的結構支持，在添加上MAX3232電平轉換電路，還能滿足R23串口功能。在USB設備控制中用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支持。設備驅動是操作系統(tǒng)和硬件的接口實現(xiàn)對于設備進行初始化和釋放，為應用程序屏蔽技術細節(jié)。

4、結語

本文對于基于ARM 的裝備信號檢測儀的設計思路進行了一定量的說明，指出它的主要構成：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，進一步為關于ARM的裝備信號檢測儀的設計與實現(xiàn)提供理論支持。

參考文獻

[1]李小偉， 張開如， 房靖. 基于ARM嵌入式處理器的便攜式瓦斯檢測儀的設計[J]. 煤礦機械， 2006.

[2]王沖.陳雙龍.基于ARM的裝備信號檢測儀的設計與實現(xiàn)[期刊論文].計算機工程與設計，2011（4）.endprint