嵌入式系统在电机远程监控中的应用资料Word文件下载.docx

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致谢1

参考文献2

摘要

传统独立的检测设备服务于现场，局限在一个很小的时空范围内，而其一旦与Internet结合在一起组成了网络化监测系统九可以做到从地球上的任何地点、在任意时间，能获取任何地方的人们所需要的测量信息。

电机及其控制器作为一个设备的核心部件，技术水平越来越高，维修监测越来越复杂化，为了方便专业人员的检测和故障早期预警，迫切需要电机及其控制系统的远程监测。

本文针对电机系统这一关键设备的远程网络监测，提出了在ARM处理器（主机）上运行嵌入TCP/IP协议的μC/OS-Ⅱ系统，远程监控PC（客户机）运行LabVIEW虚拟一起的网络监测方案。

在软硬件协同设计原则知道下搭建了由LPC2210ARM处理器为核心的数据采集与传送硬件平台；

充分研究了μC/OS-Ⅱ实时操作系统的内核原理与多任务机制；

采用了LabVIEW图形化变成环境，直观的实现了网络通信远程客户机的构建与监测数据的可视化。

采用网络监测技术、使用网络化仪器，能显著提高测量功效，降低监测、测控工作的人力和财力投入，缩短完成周期，增强测量需求客户的满意程度。

关键词：

嵌入式系统，TCP/IP协议，电机，远程监测

Abstract

Traditionalservicesofanindependenttestingequipmentatthescene,thelimitationsoftimeandspaceinasmallscope,anditsoncecombinedwiththeInternetformedanetworkofninemonitoringsystemscanbedonefromanyplaceonEarth,atanytime,canaccesstoanyplacepeopleneedmeasurementinformation.Motoranditscontrollerasacorecomponentofequipment,technicallevelisgettinghigherandhigher,maintenancemonitoringofincreasinglycomplex,inordertofacilitateprofessionalsearlywarningdetectionandfailure,thereisanurgentneedformotorandcontrolsystemforremotemonitoring.Inthispaper,theelectricalsystemofthekeyequipmentoftheremotenetworkmonitoring.

Inhardwareandsoftwareco-designprinciplestoknowthenextsetupbytheLPC2210ARMprocessorasthecoredatacollectionandtransmissionhardwareplatforms;

fullystudiedμC/OS-Ⅱcoreprincipleofreal-timeoperatingsystemwithmulti-taskingmechanisms.

Networkmonitoringtechniques,theuseofnetworkingequipment,cansignificantlyimprovethemeasurementoftheeffectiveness,reducingthemonitoring,measurementandcontroltheworkofhumanandfinancialresourcestoshortenthecompletecycleofmeasurementneedstoenhancecustomersatisfaction.

KeyWord:

Embeddedsystems,TCP/IPprotocol,electrical,remotemonitoring

1.引言

1.1设计题目

嵌入式系统在电机远程监测中的应用研究

1.2设计要求

本课题是基于ARM的嵌入式系统在电机远程监测中的应用。

主要工作如下：

（1）对电机进行远程监控，嵌入式处理器需要完成数据并采集传送，网络通讯，以及系统监测、消息处理、数据运算处理等功能。

本系统采用高性能32位ARM微处理器，并设计了数据采集以及网络通讯等硬件模块进行电机参数的采集和远程监控

（2）为了满足电机远程监测的实时性和应用软件多任务的需要，需要在ARM上运行实时操作系统C/OS-Ⅱ。

之所以选择这种是因为该系统源代码开放且不断升级，他是免费的，实时性强，可靠性高，使用简单移植性好，可以很方便的移植到各种微处理器上。

有效实施TCP/IP栈进行裁剪意识和嵌入式应用。

为减少工作量，本课题选择移植好的协议栈。

（3）主机监测软件赵总设计数据采集和网络通讯部分，完成电机参数的采集处理，实现电机控制器和远程控制主机的信息交换，LABVIEW简单易用，功能强大，为数据采集软件开发首选。

针对WINDOWS的网络编程其实也是围绕SOCKET接口展开的，使用LABVIEW的G语言编写了WINDOWS的网络通讯程序。

1.3设计作用与目的

本文对电机检测引入嵌入式网络监控的解决方案。

他在嵌入式操作系统软件平台上工作，加入TCP/IP协议，系统自身就具有局域网甚至互联网上网功能，这样就为远程监控和远程故障诊断及维护提供了方便。

嵌入式的点击数据采集硬件单元对点击运行参数进行检测，并把数据通过INTERNET传送到远程检测主机中，专业人员就可以远程对设备的运行进行即使、准确检测，对其故障先兆作出判断和预测，采取有效措施解决问题，就可以保证大型机组安全运行，防止恶性事故的发生。

避免定期检修引起的生产停顿、预防和消化故障，提高设备运行的可靠性、安全性和有效性，先期把故障损失降低到最低水平。

因此，开发这样一套具有特色并且使用的电机远程监测系统，无论是经济上还是技术上，都具有重要的现实意义。

把TCP/IP协议作为一种嵌入式的应用，潜入现场智能仪器（主要是传感器）的ROM中，使信号的收发都以TCP/IP的形式进行。

在这样的测控网络中，传统仪器设备充当这网络中独立节点的角色，信息课跨越网络传输至所及的任何领域，实施、动态的在线测控成为现实，将这样的测量技术与过去的测控、测试技术相比还是不难发现，今天测控能节约大量现场布线、扩大测控系统所及地域范围。

使系统扩充和维护都几大便利的原因，就是因为在这种现代测量任务的执行和完成过程中，网络发挥了重要作用，即网络实实在在的介入了现代测量与测控的全过程。

目前，以INTERNET为代表的计算机网络正在迅猛的发展，计算机技术、传感器技术、网络技术与测量、测控技术的结合，使网络话、分布式测控系统的逐渐更为方便。

以INTERNET为代表的计算机网络技术的迅猛发展及相关技术的不断网上，使得计算机网络的规模更大，应用更广。

在国防、通讯、航天、航空、气象、制造等领域，对大范围的网络化测控将提出更迫切的需要，网络技术也必将在测控领域得到广泛的应用。

网络话仪器很快会发展并成熟起来，从而有力的带动和促进现在测量技术即网络测量技术的进步，更快地推动网络测量技术的发展。

2.系统设计

2.1设计方法论

2.1.1模式设计

大多数工程分子都具有悠久的历史，对于软件工程来说，情况完全不同。

本文涉及到嵌入式系统软件的开发，在过去，尽管嵌入式系统无处不在，但针对这种系统的设计并没有成为软件领域的焦点。

传统方式有其有点，但是不能直接满足嵌入式系统设计人员的需要。

本课题对于那些熟悉网络一起开发的人员或者对嵌入式系统网络有设计经验的人来说，这个任务很简单，但是对于没有此类经验的人来说，即使非常肖的决策都可能产生出乎意料的影响。

我们需要一种可以称为“循环设计经验”的办法，具体说就是要找到一个在设计过程中能够循环利用以往成功设计方案的方法。

软件模式是满足这种要求的一种方法。

它采取将可认识的问题与相应得到的解决方案联系起来的形式，它能够：

（1）清楚而简明的描述针对某个定义明确的重要问题的成功解决方案。

（2）描述适合于应用这种解决方案的环境

（3）提供这种解决方案的基本原理

（4）描述应用到这种解决方案的后果

这种方法使得系统不同部分之间忍痛割让是松散耦合的，可一致性得到增强，以便在以后的项目中充分使用或者更加容易修改。

本文在这种模式设计的基础上，充分参考现有的成熟的公开的电路和软件模块，减少嵌入式系统设计中的某些重复性工作，这也是目前嵌入式系统开发的趋势，不鼓励重新构建所有代码，充分利用千人的成果和经验完成设计。

2.1.2传统设计界方法，瀑布式设计

通常在单片机系统的开发应用中，是按照瀑布式开发流程进行的。

其工作模式简单，开发过程为从硬件到软件的流水线式进行，如图2-1所示。

需求分析

↓

硬件设计

硬件调试

↓

软件设计

软件调试

系统集成

最终产品

图2.1瀑布式开发流程

传统的嵌入式系统设计方法不同于瀑布式开发过程，他是将开发任务分为硬件和软件两个独立的部分，由硬件工程师和软件工程师按照拟定的设计流程分别完成。

其开发过程为一种并行的工作方式，如图2-2所示。

传统的嵌入式系统开发利用的是软件开发与硬件开发分离的方式。

这种设计方法只能改善软件硬件各自的性能，而有限的设计空间不可能对系统做出较好的性能综合优化。

从理论上讲，每一个应用系统，都存在一个使用于该系统的硬件软件功能的最佳组合，图和从应用系统需求出发，一句一定的知道原则和分配算法对硬件软件的功能进行分析及合理的划分，从而使系统的整体性能、运行时间、能量损耗、存储能量达到最佳状态，已成为硬件、软件协同设计的一个重要研究内容之一。

2.1.3现代设计方法，软硬件协同设计

为了避免上述问题，一种新的开发方式应运而生-软件、硬件协同设计方法。

首先，应用独立于任何硬件和软件的功能新滚个方法对系统进行描述，采用（FSM）、统一化的规格语言或其他基于图形的表示工具，其作用是对硬件、软件统一表示，便于功能的划分和综合，然后，在此基础上对硬件、软件进行划分。

即对硬件、软件的功能模块进行分配。

这种方法的特点在于系统设计、系统测试和协同验证上，充分考虑了软件、硬件的关系，并在社会及的每个层次上给以测试验证，使得尽早发现和解决问题。

系统协同设计与传统设计相比有连个显著的区别：

描述硬件和软件使用统一的表示方式。

显然，这种设计方法对于具体的应用系统而言，容易获得满足综合性能指标的最佳解决方案。

2.2系统方案选择

利用单片机实现嵌入式INTERNET方案的技术难点在于：

如何利用单片机自身有限的资源对信息进行TCP/IP协议处理，使之变成可以在INTERNET上传输的IP数据包。

从解决这一技术难题出发，目前出现几种方案：

（1）32位MCU+RTOS：

采用32位的高档单片机，在RTOS的平台上进行软件开发，在嵌入式系统中实现TCP/IP的协议处理。

（2）8位MCU+精简TCP/IP协议栈：

根据前途是应用的特点，将TCP/IP协议栈做大幅度的简化，只保留其中最核心的部分。

（3）PCGATEWAY+专用网：

采用专用网络把一小批单片机连接在一起，然后再将该专用网络连接到一个PC上，该PC作为网管将专用网络上的信息转换位TCP/IP包，然后发到网上实现信息共享，该方案可以连接多种单片机。

本系统功能复杂，需要完成数据采集的同时进行可靠的网络通讯，性能比较低的方案

（2）和借个昂贵的方案（3）都不能满足需求，本系统选择方案

（1）。

2.3系统架构与需求定义

该监测系统运用于电机运行时的参数采集。

主要实现对前段电机控制器和传感器的连接。

通过组控制电路控制来对信靠进行前段的调理，然后输入到A/D转换器。

A/D转换的结果送到主控制单元。

主控制单元把数据通信接口传输到远程监控PC机上。

2.3.1需求定义

1实现电流的数据采集和A/D转换

2光电编码器信号的读取和处理

3实现远程网络通信，完成采集数据的传送

4在远程监测软件商实现波形显示

2.3.2硬件平台构成

本系统硬件电路主要是由前段模拟采集电路、主控制电路、数据通信接口电路和数据存储电路以及其他辅助电路组成。

前端模拟采集电路由可控增益电路和A/D转换电路组成。

它完成对输入信号进行的放大、增益控制、A/D变换等功能。

其他辅助电路包括JTAG调试电路，FLASH程序存储电路，SARM数据存储电路等构成，如图2-5所示。

3.各单元电路

3.1电源电路

LPC2000系列的ARM控制器均要使用两组电源，I/O供电电源为3.3V，内核及片内外设供电电源为1.8V，所以系统设计为3.3V应用系统。

电源接口输入9V直流电源，二极管防止电源反接，经过电容滤波，然后通过LM7805将电源稳压至5V，再使用LDO芯片稳压输出3.3V及1.8V电压。

图3.11.8V3.3V电源

仿真图

LPO芯片采用了SPX1117M3-1.8和SPX1117M3-3.3，其特点为输出电流大，输出电压精度高，稳定性高。

系统电源电路如图所示。

使用时，其输出端需要一个至少10F的胆电容改善瞬态相应和稳定性。

3.2复位电路

由于ARM芯片的高速，低功耗和低电压导致其噪声容限较低，对电源纹波，瞬间相应性能，时钟源的稳定性和电源监控可靠性等诸多方面也提出了更高的要求。

图3.2系统复位电路

3.3系统时钟电路

LPC2210控制器课使用外部晶振或者外部时钟源，内部PLL电路可调整系统始终，使系统运行速度更快。

电路如图试用了外部11.0592MHZ晶振，用1MO电阻并接到晶振的两端，使系统更容易起振。

图3.3时钟电路

3.4以太网接口电路

一种采用RTL8019AS芯片为核心的以太网接口电路，如图：

LPC2210总线开发，以16位总线方式对RTL8019AS进行访问，即数据总线D0~D15与芯片的SD0~SD16连接，为匹配LPC2210I/O（3.3V）与RTL8019AS（5V）的工作电压，在总线上串接470欧姆的保护电阻。

3.5光电编码器接口电路

光电式编码器是数字式传感器的一种，他将角度转换为数字编码并能方便的与数字系统连接，目前广泛应用于自动控制和自动测量技术中。

在本系统中采用了增量式广电编码器作为电机旋转方向和速度的反馈元件，利用光电编码器通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换脉冲数字量。

依靠部件旋转，用光电编码器产生电脉冲信号，根据输出脉冲的个数和不同督促装置输出的脉冲信号间的响应关系，就课测定被测物体的位置或者位移、速度、加速度。

增量式光电编码器有A\B\Z三相脉冲信号输出，但正转时，A脉冲超前B相脉冲90度;

当反转时，B相脉冲超前A相脉冲90度。

在此可以利用C2,C2作为方向或速度信号。

3.6系统存储电路

感器扩展了4MbitSRAM（IS61LV25616AL）和16MbitFLASH（SST39VF160）存储器连接使用16bit总线方式，数据总线使用了D0~D15，地址总线使用了A1~A20，对于16位SRAM，BLS0和BLS1信号用于控制低字节和高字节的写操作。

图3.4判向计数电路

3.7电流检测电路

电流检测电路的实现方法主要有两类：

电阻检测和互感器检测。

在设计大功率、大电流电路时采用电流互感检测，而这个时候用点着检测的方法并不理想，因为检测电阻损耗大，可达数瓦，甚至十几瓦。

本系统的电流检测电路用来测试系统的电流采样能力，因测试用的电流较小，可以用电阻法测量。

电流流过毫欧级的电阻R4,R4两端的电压经LM358放大输出。

这里选择的增益较大，因此可以选择一个较小的电阻来获得足够的检测电压，而检测电阻小损耗也小。

图3.5试验用电流检测电路

4.网络通信原理

μC/OS-Ⅱ不像ΜClinux本身具备网络通讯功能，如需要进行网络通讯，需要嵌入TCP\IP协议栈。

本章对开源TCP\IP协议栈进行比较分析选择，编写网络驱动，构建一个完整的μC/OS-Ⅱ+TCP\IP网络通讯平台，为下一步应用程序设计打好基础。

4.1TCP\IP协议栈选择

（1）BSDTCP\IP协议栈，BSD栈历史上是其他商业栈的起点，大多数专业TCP\IP栈（VXWORKS内嵌的TCP\IP栈）是BSD栈派生的，这是因为BSD栈在BSD许可协议下提供了这鞋专业栈的出行。

（2）ΜC\IP是由GUYLAΜCASTER编写的一套基于ΜC/OS且开放源码的TCP\IP协议栈，课移植到其他操作系统，ΜC\IP具有如下一些特点：

戴身份验证和包头压缩支持的PPP协议，优化的单一请求\回复交互过程，支持IP\TCP\UDP协议，课实现的网络功能最为强大，并可以裁剪。

ΜC\IP协议栈被设计为一个代最小化用户接口及可饮用串行链路网络模块。

根据采用CPU、编码器和系统所需实现协议的多少，协议栈需要的代码容量空间在30-60KB之间。

（3）LWIP是瑞士计算机科学院（SWEDISHINSTIUTEOFCOMPUTERSCIEΜCE）的ADAMDUNKELS等开发的一套用于嵌入式系统的开放源代码TCP\IP协议栈。

LWIP的含义是LIGHTWEIGHT（轻型）IP协议。

相对于UIPTCP\IP实现的重点是在保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM的应用，一般它至需要几十K的RAM和40K左右的ROM就可以运行，这使LWIP协议栈适合在低端嵌入式系统中使用。

（4）NIP是专门为8位和16位控制器设计的一个非常小的TCP\IP栈。

完全用C编写，因此课可移植到各种不同的结构和操作系统，一个编译过的栈可以在几KBROM或几百字节RAM中运行，NIP中还包括一个HTTP服务器作为服务内容。

（5）TINYTCP栈是TCP\IP的一个非常小和简单的实现，他包括一个FTP客户。

TINYTCP是为了烧入ROM设计的并且现在开始对大端结构似乎是有用（初始目标是68000芯片）.TINYTCP也包括一个简单的以太网驱动器用于3COM多总线卡。

选择一个开源协议栈可以从是个方面来考虑：

一个是是否提供易用的底层硬件API，即与硬件平台的唔关心；

一个是与操作系统的内核API。

协议栈需要调用的系统函数接口是否容易构造，拧一个对于应用支持程度。

最关键的是占用的系统资源是否在可接受的范围内，有裁剪优化的空间否。

再次，针对工程开发而言是否提供足够的资料支持开发。

LWIP和ΜC\IP是同量级别的两个开源协议栈，两者代码容易和实现功能相似，LWIP没有才做系统针对性，他将协议栈与平台相关的代码抽象出来，用户如果要移植到自己的系统，需要完成该部分代码的封装，并为网络应用支持提供了API接口的可选性。

ΜC\IP协议最初是针对ΜC\OS设计，为了方便用户移植实现，同样也抽象了协议栈与平台相关代码，但是协议栈所需调用的系统函数大多参考ΜC\OS内核函数原型设计，并提供了协议栈的测试函数，方便用户参考，其不足在于该协议栈对网络应用支持不足，但其代码轻量容易使用，有大量资料可以参考。

根据以上分析，从应用和开发的角度，选择ZLG\IP更为合适。

4.2TCP\IP原理

4.2.1TCP\IP层次结构

网络协议设计者不应当设计一个单一、巨大的协议来作为所有形式的通信规定完整的细节，而应把通信问题划分成多个小问题，然后为每一个小问题设计一个单独的协议。

这样做使得每个协议的设计、分析、时限和测试比较容易。

协议划分的一个主要原则是确保目标系统有效且效率高。

为了提高效率，每个协议只应该注意没有被其他协议处理过的那部分的通信问题。

为了主协议的时限更加有效，系统协议之间应该能够共享特定的数据结构；

同时这些协议的组合应该能出来所有可能的硬件错误以及其他一场情况。

为了保证这鞋协议工作的协同性，应当将协议设计和开发成完整的、写作的协议写列（即协议族）。

而不是鼓励地开发每个协议。

所以，TCP\IP应该是个多层次结构的协议，如图4.1。

应用层

运输层

网络层

链路层

图4.1网络协议层

TCP\IP协议族有是个层次，每一层负责不同的功能；

（1）l链路层，优势也称作数据链路层或者网络接口层，通常包括操作系统中的设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡。

他们仪器处理与电缆（或其他任何传输媒介）的物理接口细节。

（2）网络层，优势也称作互联网层，处理分组在网络中的活动，例如分组的选录。

在TCP\IP写遗嘱中，网络层协议包括IP协议（网际协议），ICMP协议（INTERNET互联网控制报文协议），以及IGMP协议（INTERNET组管理协议）

（3）运输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。

在TCP\IP协议族中，有两个互不相同的传输协议：

TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据报协议）。

TCP为两台主机提供高可靠性的数据通信。

它所做的工作包括把应用程序交给它的数据分成合适的小块交给下面的网络成，确认接受到的分组，设置发送最后确认分组的超市时钟等。

由于运输成提供了高可靠性的端到端的通信，因此应用层可以忽略所有的这鞋细节。

而另一方面，UDP则为应用层提供一种非常简单的服务。

它只是把称作数据包的分组从一台主机发送到另一台主机，但并不保证该数据包能送到另一端。

任何必须的可靠性必须由应用层来提供。

这两种运输层协议分别在不同的应用程序中有不同的用途。

（4）应用层负责处理特定的应用程序细节。

4.2.2各层协议工作原理与相互关系

以下简单介绍TCP/IP中的协议都具备什么样的功能，都是如何工作的，如图4.2：

（1）IP

网际协议IP是TCP\IP的心脏，也是网络层中最重要的协议。

IP成接受由跟低层（网络接口成例如以太网设备驱动程序）法律来的数据包，并把该数据包发送到更高层——TCP或者UDP层;

相反，IP层也罢从TCP或UDP层接回收来的数据包传送到更低层。

IP数据包是不可靠的，因为IP并没有做任何事情来确认数据包是按顺序发送的或者没有被破坏。

IP数据包中含有发送他的主机的底子（源地址）和接受他的主机的底子（目的地址）

高层的TCP和UDP服务在接受数据包时，通常假设包中的源地址是有效的。

也可以这样说，IP地址形成了许多服务的认证基础，这鞋服务相信数据包是从一个有效的主机发送过来的。

IP确认包含于一个选项，叫做IPSOURCER