基于ARM7的軌道檢測(cè)儀的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘要：描述了一種以軌道檢測(cè)儀的為應(yīng)用目標(biāo)的ARM7嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。以ARM7TDMI核的嵌入式處理器S3C44B0為中心，采用了CH375、MAX197等高性能外圍電路構(gòu)建了系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，運(yùn)用ARM特有的中斷處理機(jī)制實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和人機(jī)互交對(duì)軟件的實(shí)時(shí)性要求，該設(shè)計(jì)已成功的用于軌道檢測(cè)儀樣機(jī)。

　　關(guān)鍵詞：ARM7;S3C44B0;快速中斷;軌道檢測(cè)儀

　　1 引言

　　對(duì)鐵路軌道進(jìn)行靜態(tài)幾何參數(shù)的檢測(cè)是鐵路部門的一項(xiàng)常規(guī)工作，使用便攜式軌道檢測(cè)儀能大幅降低檢測(cè)人員的工作量。這種智能測(cè)量技術(shù)不僅可以提高測(cè)量的精度和可信度，還能提供現(xiàn)場(chǎng)的和后續(xù)的軌道數(shù)據(jù)分析，極大的提高了軌道檢測(cè)工作的質(zhì)量和效率。便攜式軌道測(cè)試儀對(duì)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能和性能提出了許多新的需求：高實(shí)時(shí)性、高運(yùn)算性能、高集成度、低功耗、低成本。傳統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)雖然能完成一般的控制任務(wù)，但其運(yùn)算能力太低，不足以滿足現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理的要求，由基于SoC思想設(shè)計(jì)的ARM系列微處理器構(gòu)成的嵌入式系統(tǒng)便能良好的滿足上述要求。ARM核以高性能低功耗著稱，再配以IC制造廠商提供的大量片上外設(shè)，使得ARM系列處理器擁有非常優(yōu)良的嵌入式應(yīng)用性能。本設(shè)計(jì)中采用了三星公司制造的ARM7TDMI核處理器S3C44B0完成控制和運(yùn)算工作，12位高性能AD轉(zhuǎn)換器MAX197完成傳感器信號(hào)的轉(zhuǎn)換，USB主控制器CH375完成數(shù)據(jù)到U盤的轉(zhuǎn)存，系統(tǒng)也包含了液晶屏、鍵盤、微型打印機(jī)等其他必要的外設(shè)。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

　　2.1 測(cè)量原理

　　軌道檢測(cè)儀的測(cè)量原理如圖1所示，傳感器由一個(gè)裝有滾輪的機(jī)械支架固定，操作人員在軌道上推行該檢測(cè)儀。位移傳感器測(cè)量軌道AB之間的間距d，傾角傳感器測(cè)量軌道平面與水平面的傾角θ，光電編碼器被連接到一個(gè)滾輪上用于記錄當(dāng)前的里程L。軌道檢測(cè)儀可以設(shè)置采樣間隔，范圍0.5m-1m。當(dāng)里程達(dá)到采樣間隔時(shí)，將當(dāng)前里程L、軌距d、超高h(yuǎn)和三角坑t作為一條記錄保存起來。

　　機(jī)械支架在推行過程中會(huì)產(chǎn)生頻率較軌道傾角變化頻率高很多的振動(dòng)，因此需要對(duì)傾角信號(hào)進(jìn)行濾波處理才能減小測(cè)量誤差。

　　圖1軌道測(cè)量原理圖　Fig. 1 Principle of track measure

　　2.2 性能需求

　　軌道檢測(cè)儀的工作流程如下：使用AD轉(zhuǎn)換器以33Hz的采樣頻率對(duì)位移和傾角傳感器的信號(hào)進(jìn)行采樣，然后對(duì)前80個(gè)傾角采樣值進(jìn)行一次濾波運(yùn)算，當(dāng)里程每增加5cm時(shí)，將當(dāng)前的軌距和超高保存至隊(duì)列，當(dāng)里程達(dá)到采樣間隔時(shí)，則根據(jù)隊(duì)列里的數(shù)據(jù)算出三角坑，然后與軌距和超高作為最終數(shù)據(jù)一并保存起來。因此系統(tǒng)需要一個(gè)定時(shí)器，并且能在30ms內(nèi)完成一次濾波運(yùn)算。位移傳感器量程為5cm，轉(zhuǎn)換關(guān)系為1V/1cm，傾角傳感器量程為±10º，轉(zhuǎn)換關(guān)系為1V/1º，軌距、超高和三角坑的顯示分辨率要求達(dá)到0.1mm。因此AD轉(zhuǎn)換器需要擁有12位的精度。此外還需要實(shí)現(xiàn)U盤存儲(chǔ)、現(xiàn)場(chǎng)打印、時(shí)鐘、液晶顯示、鍵盤輸入等功能。

　　3 硬件設(shè)計(jì)

　　3.1 硬件整體設(shè)計(jì)

　　ARM7系列的處理器的型號(hào)較多，設(shè)計(jì)使用了較為常見的三星公司生產(chǎn)的S3C44B0，它包含了一個(gè)運(yùn)算能力強(qiáng)大的ARM7TDMI核和大量實(shí)用的外設(shè)[1]。根據(jù)應(yīng)用的實(shí)際需要，為S3C44B0配置了1M×16Bit的Nor Flash SST39VF1601和4Banks×1M×16Bit的SDRAM HY57V641620。

　　MAX197是一款單電源，多通道，多量程的1/2LSB精度12位的AD轉(zhuǎn)換器，采樣速率可達(dá)100ksps，完全滿足33Hz的采樣速率的要求。它雖為單5V供電，但具有±10 V、±5 V、10 V和5 V四個(gè)量程，同時(shí)集成了時(shí)鐘發(fā)生器和基準(zhǔn)電路，數(shù)據(jù)接口也可與通用控制器直接連接。MAX197以簡潔的電路提供了相當(dāng)高的性能，是嵌入式應(yīng)用的理想選擇[2]。

　　CH375是一個(gè)USB總線的通用接口芯片，支持主從兩種方式，主機(jī)方式支持常用的USB全速設(shè)備。它內(nèi)置了處理Mass-Storage海量存儲(chǔ)設(shè)備的專用通訊協(xié)議的固件，外部控制器可以直接以扇區(qū)為基本單位讀寫常用的USB存儲(chǔ)設(shè)備[3]，提供了一個(gè)實(shí)用的嵌入式設(shè)備的U盤存儲(chǔ)方案。

　　圖2硬件結(jié)構(gòu)框圖　Fig. 2 Picture of hardware structure

　　系統(tǒng)的框圖如圖2所示。其中S3C44B0的IO引腳由3.3V的LVCMOS驅(qū)動(dòng)，最高輸入電壓為4.6V[1]，因此總線在掛接MAX197和液晶屏等5V邏輯電平的外設(shè)時(shí)應(yīng)該加上總線收發(fā)器以做隔離，此外部分用于輸入GPIO引腳也需要加上緩沖器。