基于ARM的嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)設計

摘要：設計了一種利用ARM微處理器進行設備狀態(tài)監(jiān)測的方案，并對方案的設計實現(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，并通過網(wǎng)絡進行實時數(shù)據(jù)傳輸。

ARM具備體積小、接口豐富、高度集成性和擴展性強等優(yōu)點，加之隨著Linux在服務器領(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)絡功能、對各種文件系統(tǒng)完備的支持、具有軟件代碼小、高度自動化、響應速度快、特別適合于要求實時和多任務的體系等特點[1]在嵌入式系統(tǒng)中獲得了越來越廣泛的應用。這使得基于ARM的嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)具有成本低、功耗低、實時性能好及智能程度高等優(yōu)點，在工業(yè)監(jiān)測與控制領(lǐng)域具有較為廣闊的應用前景[2]。本文設計了基于ARM的嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)。

1系統(tǒng)總體設計

一個嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)，其基本目的控制硬件設備采集信號，并對信號進行一定的分析，其過程是獲取設備的運行狀態(tài)的模擬量信號，并且能夠?qū)⑦@些模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出。在此基礎上，設計了基于ARM嵌入式監(jiān)測系統(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

整個系統(tǒng)監(jiān)測方案如圖1所示，整個采集過程是由ARM微處理器控制的，ARM監(jiān)測系統(tǒng)主要由以下三部分組成：

（1）信號采集：傳感器采集反映設備運行狀態(tài)的現(xiàn)場信號。被采集的模擬信號通過傳感器拾取，再經(jīng)過濾波、放大信號調(diào)理，然后模擬信號則經(jīng)過A/D(模/數(shù))轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成計算機可識別數(shù)字量，通過ARM微處理器控制放大器的增益和濾波器的截止頻率。

（2）人機界面：采用圖形界面控制數(shù)據(jù)采集，并在界面上進行數(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態(tài)顯示，便于現(xiàn)場工作人員判斷故障。

（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（計算機），以進行進一步的分析處理。

2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

振動傳感器傳來的振動信號在進入后端處理系統(tǒng)之前也需要對信號進行一定的調(diào)理，以滿足后端信號處理的要求，為了簡化設計，節(jié)省設計時間，信號的前端信號調(diào)理模塊使用設計好的模塊，包括恒流源、傳感檢測、信號放大、低通濾波，程控放大器放大倍數(shù)的設定通過S3C2410A設定。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計

傳感器采集的的模擬信號中往往混有一些其它信號如噪聲信號，因此在A/D轉(zhuǎn)換之前對信號進行濾波是很有必要的，同時選擇合適的濾波器還可以起到抗混疊的功能。本系統(tǒng)設計采用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引腳編程設置，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設置低電平，Q值設置為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上即可控制對應引腳實現(xiàn)對MAX263截止頻率的設定。

2.2  A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換器作用是把一個模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。風電機組的狀態(tài)信號是一個連續(xù)的值。利用傳感器可以檢測到一個連續(xù)的電壓值，但在ARM和計算機上不能夠直接處理模擬信號數(shù)據(jù)。A/D轉(zhuǎn)換器就是把傳感器檢測到的電壓模擬信號轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可識別的數(shù)字信號的器件。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A/D的轉(zhuǎn)換后。就把連續(xù)的模擬信號轉(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，首先向AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送要采集的通道號，AD轉(zhuǎn)換器讀取對應通道的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳遞給S3C2410A，實現(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)測系統(tǒng)的ARM端應用程序軟件的核心是人機交互用戶圖形界面，它是用戶和系統(tǒng)交互的窗口。

本文將Qt/Embedded應用于以ARM+Linux為平臺的嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)人機界面的開發(fā)。構(gòu)建Qt /Embedded交叉編譯環(huán)境需要構(gòu)建3個QT開發(fā)環(huán)境[3]。其中一個QT/X11是環(huán)境;一個是QT/Embedded(x86)環(huán)境；最后一個才是QT/Embedded(ARM)交叉編譯環(huán)境,在QT/Embedded(x86)環(huán)境下調(diào)試通過的程序需要在此環(huán)境下重新編譯后才能移植到目標機上運行。

QtDesigner是Qt/Embedded下的集成開發(fā)工具，它支持信號和槽機制，使部件間能夠進行有效的通信，省略了許多重復性的工作，可以大大縮減程序的開發(fā)周期[4]。在命令行下，根據(jù)設計器保存的界面文件(.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)實際需要修改頭文件和源文件，使其實現(xiàn)具體功能，各種初始數(shù)值和配置都在相應類的構(gòu)造函數(shù)中初始化，如實現(xiàn)界面類之間的調(diào)用關(guān)系等。下圖6為使用QtDesigner設計的風電機組監(jiān)測系統(tǒng)主界面圖。
 

圖6 監(jiān)測系統(tǒng)主界面

4數(shù)據(jù)傳輸

ARM與上位機的數(shù)據(jù)的實時傳輸采用基于TCP/IP的socket網(wǎng)絡傳輸[5]。本文設計的通訊系統(tǒng)的軟件在結(jié)構(gòu)上采用客戶端/服務器模式，它具有編程簡單、容易控制、使用方便靈活等特點。

服務器端與客戶端程序設計流程如圖7
 

圖7 Socket網(wǎng)絡傳輸數(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

　　在服務器程序中, 當Socket 與某一端口綁定以后, 就需要*該端口

　　listen(sockfd,8);          //*連接

當客戶請求與服務器*的端口連接時, 該連接請求等待服務器接收它。隨后服務器程序調(diào)用accept( ) 函數(shù)為該請求建立一個連接。

3 數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收

　　send(sockfd, buff ,1024,0);   //向服務器發(fā)送數(shù)據(jù)

　　recv(client_fd,buff,1024,0);  //接收服務器發(fā)送的數(shù)據(jù)

4 關(guān)閉Socket

結(jié)束語

本文介紹了一種采用ARM的設計實現(xiàn)適用于振動信號采集及分析的設備監(jiān)測系統(tǒng)，使用S3C2410作為主控芯片，設計了低通濾波電路和A/D電路，并采用人機控制界面，采用Socket網(wǎng)絡編程實時將采集信號傳輸?shù)接嬎銠C，傳輸數(shù)據(jù)不易丟失，不失真，起到了良好的設備狀態(tài)監(jiān)測作用。