嵌入式儀器儀表平臺(tái)化硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

周彤

（天津市天大天發(fā)科技有限公司，天津，300000）

1 嵌入式機(jī)電儀器儀表硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)原理

電器設(shè)備的硬件一般由四個(gè)部分構(gòu)成。信號(hào)輸入處理模塊。中央控制模塊信號(hào)輸出模塊、能源模塊。信號(hào)輸入處理模塊負(fù)責(zé)輸入開(kāi)關(guān)量和模擬值，中央控制模塊負(fù)責(zé)信號(hào)控制和計(jì)算算法、信號(hào)輸出模塊和外圍通信，以適應(yīng)不同情況基于平臺(tái)的設(shè)計(jì)需要提取CPU資源來(lái)擴(kuò)展硬件平臺(tái)的功能，并且考慮到規(guī)模和能量消耗，處理器在多個(gè)性能室中包括多個(gè)功能模塊。通常，I/O接口被配置為用于管腳R10、三星ARM處理器S3C 6410、集成I/O功能、SPI等不同功能。因此，中央處理器需要使用復(fù)用功能來(lái)執(zhí)行所有I/O接口圖1是基于平臺(tái)設(shè)計(jì)思想的硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖1 嵌入式機(jī)電儀表平臺(tái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

硬件的總體工作流程如下：數(shù)字和模擬輸入處理電路轉(zhuǎn)換、形成和處理輸入信號(hào)，然后，資源管理模塊將處理后的信號(hào)發(fā)送給中央處理模塊，中央處理模塊處理輸入數(shù)據(jù)并執(zhí)行一系列任務(wù)，最后，信號(hào)輸出模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給顯示設(shè)備或保存。

2 機(jī)電儀器儀表硬件平臺(tái)的詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)電儀器儀表主板硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

電路變換電壓，A/D轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)，然后資源管理模塊將處理后的信號(hào)發(fā)送給中央處理模塊。中央處理模塊處理輸入數(shù)據(jù)并執(zhí)行一系列任務(wù)。最后，信號(hào)輸出模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至顯示設(shè)備或保存數(shù)據(jù)。

CPU模塊設(shè)計(jì)。內(nèi)置BOM處理器必須具有更高的計(jì)算速度、更豐富的功能接口、更低的能耗，支持不同的通信協(xié)議，促進(jìn)與外圍設(shè)備的在線通信，并提供更好的人機(jī)交互界面和BOM性能。處理器應(yīng)便于操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員開(kāi)發(fā)和調(diào)試軟硬件集成?？紤]到上述特點(diǎn)，以下將比較業(yè)界三種主要嵌入式處理器，并選擇系統(tǒng)中的最佳解決方案。三種處理器均為RMI 的 au1250，PXA270 Da Intel 和 PXA270 Da Samsung.S3C6410 PRECISA。

信號(hào)輸出模塊設(shè)計(jì)。在這一塊涉及到眾多的部分，例如常見(jiàn)的通信接口、數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢SB接口，還有觸摸屏和人機(jī)交互界面。S3C6410處理器也是該部分的關(guān)鍵，其所起到的作用就是集成，BEM可以支持本方案的設(shè)計(jì)。在人機(jī)界面中，最重要的是顯示屏，在機(jī)電儀器設(shè)備中，液晶屏用于顯示測(cè)量和控制數(shù)據(jù)以及實(shí)時(shí)電磁參數(shù)曲線，為了給用戶(hù)提供最直觀的監(jiān)控方式，觸摸屏是一種簡(jiǎn)單方便的輸入設(shè)備，它可以取代鼠標(biāo)或鍵盤(pán)，根據(jù)聯(lián)系人位置定位和選擇信息條目。觸摸屏可以為AOS用戶(hù)提供所見(jiàn)即所得操作，節(jié)省鼠標(biāo)和鍵盤(pán)的使用，方便用戶(hù)操作，使系統(tǒng)更小、更簡(jiǎn)潔。

USB是一種通用串行總線（USB），它已成為當(dāng)前計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的總線擴(kuò)展總線接口。USB USA標(biāo)準(zhǔn)插頭為4英寸插件。它可以將美國(guó)外圍設(shè)備連接到margarita，最多可以連接127個(gè)外部設(shè)備，其能夠獲取外部電源、總線電源的持續(xù)幫助。USB其自身還具備傳輸速度超快的特征，從標(biāo)準(zhǔn)USB4.0中就可以看出。USB1.0的傳輸速度能夠達(dá)到13mbps，USB3.0的傳輸速度能夠達(dá)到500mbps，USB4.0的傳輸速度能夠達(dá)到6Gbps。USB易于USAR和TEM，USB具有靈活的連接優(yōu)勢(shì)、熱插拔支持、熱插拔支持、電源管理等。它可以連接到幾乎所有的外部設(shè)備，如鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、打印設(shè)備、閃存驅(qū)動(dòng)器、移動(dòng)硬盤(pán)、USB網(wǎng)卡等。它是存儲(chǔ)設(shè)備的一個(gè)方便接口。本項(xiàng)目使用10uF和0.01uF電容器進(jìn)行濾波，0.5A保險(xiǎn)絲用于限制電流，以避免燒壞USB設(shè)備造成電流過(guò)載。

能量模塊設(shè)計(jì)。能量模塊一直是電子產(chǎn)品的核心模塊，就像人體的心臟一樣，它的作用是顯而易見(jiàn)的，能夠做到能源的持續(xù)供應(yīng)，使得整個(gè)系統(tǒng)收益。在許多情況下，機(jī)電儀器的工作環(huán)境相對(duì)較差，如何通過(guò)一定的改進(jìn)使得能量模塊能夠穩(wěn)定作業(yè)，這已經(jīng)是一個(gè)很值得關(guān)注的問(wèn)題。對(duì)于便攜式儀器，通常使用電池供電，內(nèi)置系統(tǒng)的 IC電源電壓不同，且同一IC不同功能模塊的電源電壓與同一IC不同功能模塊的電源電壓不同。S3C6410處理器算術(shù)核的電源電壓為1.2V，DDR內(nèi)存控制器SDRAM的電源電壓為2.5V，外圍SPI、I2C等通信接口的電源電壓為3.3V。因此，需要充分轉(zhuǎn)換外部電源電壓，以滿(mǎn)足不同集成電路的饋電需求。

能源可靠性項(xiàng)目。儀表和電器柜臺(tái)在粉塵、振動(dòng)、油霧和霧的工作環(huán)境中。這對(duì)電源系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求。BOM電源系統(tǒng)必須具有一定的保護(hù)和自動(dòng)恢復(fù)功能，以防止意外高壓、大電流進(jìn)入和人為不良操作，確保處理器，內(nèi)存和其他主要系統(tǒng)模塊不受損壞，減少設(shè)備損壞，降低維護(hù)成本。系統(tǒng)為能量模塊提供欠壓、斷電保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、逆流保護(hù)和反向保護(hù)。

資源管理模塊項(xiàng)目。可編程邏輯裝置是數(shù)字集成電路，用戶(hù)可以根據(jù)需要構(gòu)建邏輯功能，并且用戶(hù)可以使用特定硬件描述語(yǔ)言來(lái)定義邏輯功能。可編程將數(shù)字系統(tǒng)集成到芯片中，改變了傳統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，改變了美國(guó)數(shù)字系統(tǒng)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，固定功能設(shè)備，需要大量芯片和芯片連接，能耗高，后來(lái)的ASIC還具有設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)設(shè)計(jì)和周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，在可編程邏輯器件中，最初由電路板項(xiàng)目完成的大部分工作都放在芯片設(shè)計(jì)中，定義設(shè)備上輸入和輸出的邏輯和端子。

2.2 儀表機(jī)電功能擴(kuò)展面板的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)擴(kuò)展板主要完成對(duì)傳感器輸入的不同類(lèi)型信號(hào)的處理，并通過(guò)擴(kuò)展板和CPLD接口向CPU傳輸功能，擴(kuò)展板根據(jù)不同的應(yīng)用需求設(shè)計(jì)不同的信號(hào)輸入處理模塊，并配合主板完成特定的測(cè)量和控制功能。設(shè)計(jì)了一個(gè)具有一般應(yīng)用意義的擴(kuò)展板，以滿(mǎn)足大多數(shù)應(yīng)用。用戶(hù)和設(shè)計(jì)師可以在主板上設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)和功能的擴(kuò)展板，以滿(mǎn)足需要。

當(dāng)儀器和機(jī)電儀表測(cè)量多個(gè)物理量時(shí)，首先，必須通過(guò)傳感器將物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。這種電信號(hào)通常是微弱的模擬信號(hào)，不能傳輸?shù)紺PU進(jìn)行信號(hào)處理。因此，需要A/D（模數(shù)轉(zhuǎn)換）電路來(lái)執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。因此，擴(kuò)展板硬件應(yīng)設(shè)計(jì)為模擬轉(zhuǎn)換處理電路。隨著傳感器測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，許多傳感器建立了A/D轉(zhuǎn)換電路并輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)，此外，擴(kuò)展板硬件還應(yīng)包括開(kāi)關(guān)信號(hào)通道。此外，擴(kuò)展框架還集成了SPI、I2C、UART等通信接口，以方便系統(tǒng)與主機(jī)之間的通信。信號(hào)一般需要經(jīng)過(guò)放大、濾波、采樣/保留和A/D轉(zhuǎn)換后輸入CPU進(jìn)行處理。此外，還將根據(jù)具體應(yīng)用要求設(shè)計(jì)一些輔助電路。例如，對(duì)于輸入信號(hào)切換，振幅在從微伏到伏特的不同場(chǎng)合可能有不同的值。放大電路傳感器輸出的微弱電信號(hào)的振幅被放大以進(jìn)行后續(xù)處理，濾波電路用于過(guò)濾聚集并感知電信號(hào)的完整性和可靠性。樣品保持接收輸入電壓一段時(shí)間，并在輸出端保持電壓值；當(dāng)信號(hào)變化率過(guò)快且A/D轉(zhuǎn)換率不能滿(mǎn)足信號(hào)變化率時(shí)，需要采樣電路/保持器來(lái)拾取和保持信號(hào)。

2.3 硬件可靠性設(shè)計(jì)

電磁兼容性一直是一個(gè)不可低估的基本問(wèn)題。儀器和機(jī)電儀表必須在不同的環(huán)境中承受各種沖擊和干擾，包括靜電放電干擾、射線波干擾，來(lái)自高速脈沖群的干擾，來(lái)自通信設(shè)備的射頻干擾，設(shè)備中電路板對(duì)電磁干擾的抗干擾能力對(duì)系統(tǒng)的電磁兼容性影響很大，BOM孔級(jí)設(shè)計(jì)可以有效消除或減少電磁干擾對(duì)整機(jī)的影響。電磁是硬件可靠性設(shè)計(jì)中的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，在項(xiàng)目中必須采取某些措施來(lái)消除或減少兩者對(duì)最終產(chǎn)品造成的干擾。在邊界電路級(jí)的PCB設(shè)計(jì)中采取某些措施并遵循某些標(biāo)準(zhǔn)可以消除或減少電磁干擾同時(shí)，整個(gè)TEM工作臺(tái)的良好設(shè)計(jì)對(duì)提高產(chǎn)品的電磁兼容性也具有一定的意義和積極作用。

3 機(jī)電儀器儀表硬件平臺(tái)測(cè)試與應(yīng)用

3.1 硬件平臺(tái)的測(cè)試

一般系統(tǒng)間隙分為硬件間隙和軟件間隙，具有強(qiáng)大SOC處理器的硬件平臺(tái)一般需要采用軟硬件聯(lián)合間隙，通過(guò)軟件配合測(cè)試各種硬件功能。采用交叉編譯的方法不斷完善軟件，測(cè)試功能硬件模塊，最終完成整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試目的，用于調(diào)試硬件平臺(tái)的硬件設(shè)備包括：PC機(jī)、JTAG調(diào)試框架、示波器、邏輯分析儀、萬(wàn)用表、+12V直流電源適配器、SD卡、觸摸屏等。使用的調(diào)試軟件包括SecureCRT 5.0、sjf6410編程工具、串行DNW端口調(diào)試工具、OTG ActiveSync連接工具。

3.2 硬件平臺(tái)的應(yīng)用

在機(jī)床的加工過(guò)程中，由于驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的加熱，VAI驅(qū)動(dòng)軸相對(duì)于殼體膨脹，導(dǎo)致徑向偏差和“節(jié)軸”現(xiàn)象，影響機(jī)床的正常工作。為了保證機(jī)床的正常安全運(yùn)行，需要測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸的膨脹，調(diào)整軸承位置，以減少或消除EM軸與殼體的偏差。EM重慶機(jī)床制造商提出實(shí)時(shí)測(cè)量，并顯示軸徑向偏差的輸出，方便操作員監(jiān)控和調(diào)整?？墒褂枚喾N傳感器測(cè)量位移，如電容傳感器和霍爾效應(yīng)傳感器。一般情況下，位移轉(zhuǎn)換為電壓輸出，根據(jù)用戶(hù)需要，采用本方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，主框架配合功能擴(kuò)展板搭建測(cè)試系統(tǒng)，主板上配備網(wǎng)絡(luò)接口等通信接口，串行接口和USB接口，可向中央服務(wù)器等上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。綜合12位A/D采集接口和VGA顯示接口。