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基于ARM7的轨道检测仪的嵌入式系统设计

2008年08月01日 ?? 收藏0

  1 引言

  对铁路轨道进行静态几何参数的检测是铁路部门的一项常规工作,使用便携式轨道检测仪能大幅降低检测人员的工作量。这种智能测量技术不仅可以提高测量的精度和可信度,还能提供现场的和后续的轨道数据分析,极大的提高了轨道检测工作的质量和效率。便携式轨道测试仪对嵌入式计算机系统的功能和性能提出了许多新的需求:高实时性、高运算性能、高集成度、低功耗、低成本。传统单片机系统虽然能完成一般的控制任务,但其运算能力太低,不足以满足现场数据处理的要求,由基于SoC思想设计的ARM系列微处理器构成的嵌入式系统便能良好的满足上述要求。ARM核以高性能低功耗著称,再配以IC制造厂商提供的大量片上外设,使得ARM系列处理器拥有非常优良的嵌入式应用性能。本设计中采用了三星公司制造的ARM7TDMI核处理器S3C44B0完成控制和运算工作,12位高性能AD转换器MAX197完成传感器信号的转换,USB主控制器CH375完成数据到U盘的转存,系统也包含了液晶屏、键盘、微型打印机等其他必要的外设。

  2 系统设计要求

  2.1 测量原理

  轨道检测仪的测量原理如图1所示,传感器由一个装有滚轮的机械支架固定,操作人员在轨道上推行该检测仪。位移传感器测量轨道AB之间的间距d,倾角传感器测量轨道平面与水平面的倾角θ,光电编码器被连接到一个滚轮上用于记录当前的里程L。轨道检测仪可以设置采样间隔,范围0.5m-1m。当里程达到采样间隔时,将当前里程L、轨距d、超高h和三角坑t作为一条记录保存起来。

轨道测量原理图

图1轨道测量原理图

  机械支架在推行过程中会产生频率较轨道倾角变化频率高很多的振动,因此需要对倾角信号进行滤波处理才能减小测量误差。

  2.2 性能需求

  轨道检测仪的工作流程如下:使用AD转换器以33Hz的采样频率对位移和倾角传感器的信号进行采样,然后对前80个倾角采样值进行一次滤波运算,当里程每增加5cm时,将当前的轨距和超高保存至队列,当里程达到采样间隔时,则根据队列里的数据算出三角坑,然后与轨距和超高作为最终数据一并保存起来。因此系统需要一个定时器,并且能在30ms内完成一次滤波运算。位移传感器量程为5cm,转换关系为1V/1cm,倾角传感器量程为±10?,转换关系为1V/1?,轨距、超高和三角坑的显示分辨率要求达到0.1mm。因此AD转换器需要拥有12位的精度。此外还需要实现U盘存储、现场打印、时钟、液晶显示、键盘输入等功能。

  3 硬件设计

  3.1 硬件整体设计

  ARM7系列的处理器的型号较多,设计使用了较为常见的三星公司生产的S3C44B0,它包含了一个运算能力强大的ARM7TDMI核和大量实用的外设[1]。根据应用的实际需要,为S3C44B0配置了1M×16Bit的Nor Flash SST39VF1601和4Banks×1M×16Bit的SDRAM HY57V641620。

  MAX197是一款单电源,多通道,多量程的1/2LSB精度12位的AD转换器,采样速率可达100ksps,完全满足33Hz的采样速率的要求。它虽为单5V供电,但具有±10 V、±5 V、10 V和5 V四个量程,同时集成了时钟发生器和基准电路,数据接口也可与通用控制器直接连接。MAX197以简洁的电路提供了相当高的性能,是嵌入式应用的理想选择[2]。

  CH375是一个USB总线的通用接口芯片,支持主从两种方式,主机方式支持常用的USB全速设备。它内置了处理Mass-Storage海量存储设备的专用通讯协议的固件,外部控制器可以直接以扇区为基本单位读写常用的USB存储设备[3],提供了一个实用的嵌入式设备的U盘存储方案。

  系统的框图如图2所示。其中S3C44B0的IO引脚由3.3V的LVCMOS驱动,最高输入电压为4.6V[1],因此总线在挂接MAX197和液晶屏等5V逻辑电平的外设时应该加上总线收发器以做隔离,此外部分用于输入GPIO引脚也需要加上缓冲器。

硬件结构框图

图2硬件结构框图

  3.2 高效率电源管理

  电源管理是电池供的电便携式设备的关键部分,使用低功耗器件和提高电源管理效率是延长系统连续工作时间的两个重要手段。设计中根据用电器的特征和成本上的考虑做出如图3所示的供电方案。

系统电源方案

图3系统电源方案

  DC-DC电源的效率虽高,但纹波系数较大,不适合模拟电路的供电;线性稳压器虽然稳压效果好,但是效率低,且只能降压。AD转换器工作电流很小且对电源稳定性要求高,故直接使用线性稳压器给其供电,而数字部分都采用DC-DC电源,对于处理器所需的多电压,也采用线性稳压器,由此带来的功率损耗还可接受。传感器所需的正负电压需要通过DC-DC的升压和反转才能得到,为了消除其纹波的影响同时使用了线性稳压器。对于功率较大的液晶屏背光和打印机则使用单独的DC-DC,并由处理器控制。同时DC-DC对负载大幅度波动的适应不是很好,打印机的机头产生的功耗是间歇性的,瞬时功率很高,因此DC-DC需要有足够的功率裕度。

  此电源方案在实践中取得了良好的效果,系统在关闭背光和打印机的情况下,12V蓄电池的输出电流小于120mA。


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