嵌入式监测论文

嵌入式监测论文（精选8篇）

嵌入式监测论文 第1篇

二战结束以来, 为了繁荣国民经济, 各国无一例外地要发展国际贸易, 而国际贸易90%以上需要越洋[1] (P1) 。集装箱运输是二战后世界运输业兴起的一场技术革命。经过半个多世纪的发展, 集装箱运输在世界各国越来越得到普及, 成为世界贸易中一种十分重要的运输方式。港口是集装箱运输的接点, 港口的重要性随着集装箱的周转数量的持续增加而日益显现[2] (P254) 。这也带动了港口机械制造业的加速发展。各种高效率的起重机机上设备逐步被开发和应用, 这在很大程度上提高了码头的生产效率。这些产品包括全自动的轨道式起重机 (RMG) 、安装了GPS (Global Positioning System) 和PDS (Position Detective System) 定位系统的轮胎式起重机 (RTG) 等。

RTG (轮胎式起重机, 即轮胎吊) 虽然有转场灵活的优点, 却一直存在着位置不易监控的问题, 从而在实际操作中, 带来以下的弊端:管理人员不易实时掌握RTG的位置分布动态;码头采用的生产管理软件也无法得知当前集装箱的堆放位置, 因而不利于实现箱位自动管理;司机在实际作业中把集装箱放错位置也无法及时识别和纠正。如何监控RTG的大车位置, 已经成为箱位管理自动化中的重要课题。

嵌入式硬件及嵌入式操作系统的可靠性设计很大程度上决定了嵌入式起重机管理系统是高可靠的系统, 系统的平均无故障运行时间可以达到或接近嵌入式硬件本身的指标, 即50000小时。嵌入式的操作系统, 被病毒感染的几率很小, 大大降低了信息化生产管理系统因遭受病毒侵害而发生系统崩溃的可能性。

EPDS是一个结合了嵌入式技术的PDS系统, 很好地解决了RTG的定位以及起重机上信息设备的故障率高和效率低的问题, 为码头的高效率生产提供有力的技术支持。

二、嵌入式位置监测系统的结构设计

(一) EPDS的应用环境

1. 码头轮胎式起重机 (RTG) 设备位置监测系统

典型的码头轮胎式起重机 (RTG) 设备监控系统如图1所示。整个嵌入式起重机监控系统包括两大部分:GPS系统和PDS终端。GPS系统用于坐标定位;PDS用于坐标信息和堆场位置的转换以及同码头生产系统和PLC对接。

在起重机设备上, PDS终端同起重机控制器通过外部接口同PLC和GPS实现数据交互。而机上局域网又通过无线和光缆等介质连通码头局域网。而PDS服务器则是安放在码头办公室的应用服务器, PDS工作站 (相当于一个客户端) 通过PDS服务器可以监视码头所有的RTG设备。

由于控制站同监控站之间均采用以太网连接, 因此整个系统具有优良的扩展性。比如可以增加备用PDS服务器, 当主PDS服务器出现故障时, 备用PDS服务器可以主动切换成主PDS服务器, 使PDS监控网络能保持正常工作。

轮胎式起重机监控系统是码头信息化生产管理的一种行业应用实例。

2. 其主要实现的功能包括

(1) 实现起重机信息的采集。通过读取PLC数据获得起重机的各种信息。

(2) RTG位置跟踪:PDS终端会根据从GPS采集的到坐标数据, 并根据已定义的地图文件, 计算出起重机的箱位。

(3) 同码头生产系统的对接:PDS终端会及时将起重机位置信息反馈给PDS服务器和码头生产系统终端。

(4) 生产过程监视。在生产过程中, 码头生产系统会发送装箱、卸箱、倒箱和取消命令给PDS终端。

(5) 其他衍生功能。因不同码头对各自系统有不同要求, PDS会根据各用户的需求实现防撞、吊具封锁等功能。

(二) 开发环境

1. 操作系统

Windows CE是由微软公司基于WIN32 API自行开发的嵌入式操作系统, 其操作界面类似于Windows 95/98系统。Windows CE是一个32位、线程、多任务的操作系统, 与Windows 95/NT2000的API相比, Windows CE中的API是一个缩减的WIN32 API, 是桌面Windows系统API的一个子集[3]。Windows CE具有模块化、结构化和基于Win32应用程序接口等特点。

2. 开发工具

EPDS是使用Visual Studio作为开发平台, C#作为开发语言, 基于.Net Framework的系统。

C#是可用于创建要运行在.Net CLR上的应用程序的语言之一, 它从C和C++语言演化而来, 是Microsoft专门为使用.Net平台而设计的原生语言, 也是在移植到其他操作系统上的.Net版本中使用的主要语言, 它能使用.Net Framework代码库提供的每种功能。也就是说无论是什么操作系统, 只要.Net Framework兼容, C#开发的程序就可以在该系统上运行。从微软.NET的发展中可以看出, 其战略目的就是像JAVA一样的跨平台开发。

在VS.NET 2003中一个最大的新特性就是集成了.Net Compact Framework 1.0, 我们可以通过浏览ProgramFilesMicrosoftVisualStudio.NET2003Compact Framework SDK目录里的文件确认是否安装了.NET Compact Framework[4] (P450) 。.NET Compact Framework的中文名称就是.NET Framework精简版。简单来说, 如果Windows CE操作系统是嵌入式或移动电子设备上的Windows, 那么.NET Compact Framework就是这些设备上的.NET Framework。

(三) 系统结构

1. 系统结构介绍

系统结构如图2所示。由于EPDS无需用户操作, 不需要提供强大的人机交互界面, 所以采用控制台作为系统运行方式。

EPDSCommon Lib是一个公共方法的类库, 提供了程序中经常调用的公共方法, EPDS的EVENT (事件) 和PLC驱动的基类, 并提供RTDB (Real Time Database) 实时数据库, 方便数据的存储和查询。

程序运行时, 通过主程序EPDSRun Console, 根据XML配置文件, 启动EPDSData Server和EPDSEvent Server两个服务, 动态加载DLL, 生成各实例并启动相关线程。其中主要包括PLC驱动线程、获取GPS数据的GPSRead线程、码头作业系统 (VMT) 通讯、提供位置信息的Location Report线程, 以及维护RTG位置及状态的Location Update线程。

2. 动态加载DLL

EPDS的各个PLC驱动的数据通讯协议不同, 但每个驱动程序结构十分类似, 主要是一个驱动线程负责通讯并解析数据, 另外提供公共方法给外部程序进行PLC的数据写回。EPDS的各事件也类似, 主要每个事件负责一个外接设备的通讯或EPDS数据的维护。由于类似的结构设计, 就考虑需要寻找一种方使得EPDS程序的开发更简便, 程序伸缩性更强。而.Net Framework正提供了这样一种便捷的方法, 那就是动态加载DLL。

动态加载使用的是反射机制。One very powerful feature of.NET is that it allows you to write code to access an application's metadata through a process known as reflection.Put simply, reflection is the ability to discover type information at run time.[5] (.NET有一个强大的功能, 它可以代码通过一种称为反射的过程访问应用程序的元数据。简而言之, 反射就是在运行时查询类型信息的能力。) 正是由于动态加载是一个程序运行时发生的过程, 这给EPDS程序更多的灵活性、便利性和扩展性, 无论你需要新增或修改多少PLC驱动或事件, 只需将新增或修改的PLC驱动或事件重新编译 (无需重新编译整个程序) , 并在配置文件中填加需要新增的PLC驱动或事件就可以完成整个EPDS程序的更新。这为程序开发和维护提供了很大的方便, 也为EPDS提供了很好的程序扩展架构。

3. 数据存储与数据流程

从EPDS的数据流程图 (图3) 中可以看出, 无论是PLC驱动线程, 还是各个事件的线程, 它们之间的数据交互都是通过实时数据库RTDB来完成的, 可以说RTDB是数据EPDS的数据中心。RTDB以TAG作为存储单元, 每个TAG可以是一个PLC地址上的数据或是一个内存 (Memory) 变量的数据 (无论是PLC还是内存对RTDB来说都被当成是一个外围Devices设备) , 这种数据的类型是灵活的, 可以是int或string等。RTDB是使用哈希表来实现。哈希表是一种关联数组 (或可称为键/值组合的集合) , 具有便利的快速搜索功能, 可以用任意简单变量值来访问其元素。

三、结语

随着集装箱运输行业的不断发展, 面对码头扩建的高额费用, 通过高科技的信息化技术优化生产设备对码头的生产管理有着重要的意义, 也是一个迫在眉睫的问题。起重机嵌入式位置监测系统, 正是一种码头生产作业的辅助系统, 能很好地填补目前码头生产系统在起重机管理、堆场管理和作业调度中的不足, 提高码头的生产效率。本文从软件的设计方面入手, 描述了嵌入式位置监测系统的架构、实现方法以及软硬件的环境等因素。

到目前为止, 本文所描述的系统已经应用在国内外多个码头上 (主要包括:广州南沙二期码头、大连三期码头、美国Groble码头, 以及天津、厦门、巴基斯坦、巴林、约旦等多个码头) , 为企业创造了数百万的效益。

参考文献

[1]符敦坚.岸边集装箱起重机[M].武汉:湖北科学技术出版社, 2007.

[2]牛东来.现代物流信息系统[M].北京:清华大学出版社, 2004.

[3]周毓林, 宁杨, 陆贵强.Windows CE.net内核定制及应用开发[M].北京:电子工业出版社, 2005.

[4]Microsoft.用于Visual Studio.NET2003的Windows CE实用工具的自述文件V1.1[EB/OL].微软:官方网站, 2003.

嵌入式监测论文 第2篇

毕 业 设 计 论

专业班级： 通信技术·通信082班 学生姓名： 指导教师：

文

密级：内部

嵌入式网络数据采集系统在远程监测中的应

用

The Application of Embedded Network Data Collection System on Remote Monitoring

系别名称： 信息工程系 专业班级： 通信技术·通信082班 学生姓名： 学 号： 指导教师：

沈阳工程学院毕业论文 摘要

摘 要

网络技术的发展引发了工业控制领域的深刻技术变革。控制系统结构网络化与控制系统体系开放性将是控制系统技术发展的趋势。近年来，以太网和嵌入式的远程监测系统有了很大的发展，目前正在尝试利用以太网的开放性实现嵌入式控制系统的网络化。

作为一项新技术，嵌入式以太网是指将嵌入式系统接入以太网，计算机系统能够在INTERNET上访问该嵌入式设备，实现对嵌入式系统的远程监视，控制，诊断，测试和配置等功能。这种技术为高速以太网在工业现场分布式控制提供了一种方便，快速，通用型强，成本相对低廉的新型控制方案。

论文在首先阐述了嵌入式网络远程监测系统的概念，介绍了该系统的历史，研究方法及研究意义，对该系统的发展进行了展望。

介绍嵌入式操作系统uClinux的主要功能模块，同时对uClinux在实际应用的一些方面进行相应的分析；然后介绍移植的概念，主要介绍了嵌入式操作系统uClinux的移植过程，包括编译环境的建立、针对硬件的改动和裁减，对uClinux的文件系统进行了简要的分析。

然后从嵌入式控制器ARM7 S3C44B0入手，详细介绍了人机接口、A/D数据采集模块，在此基础上进行了数据采集应用程序在uClinux操作系统平台上的移植和驱动开发，完成了基于TCP协议的uClinux socket数据通信功能。

为了给客户端浏览器提供良好的用户界面，使用图形化处理语言LabVIEW作为客户机/服务器模式下的编程语言。重点论述了LabVlEW软件开发平台下的DataSocket机制，完成实时数据量经过服务器向网络客户机发布的功能，实现了基于客户机/服务器模型下的网络数据采集监测系统的C语言代码。

最后，阐述了利用LabVIEW SQL开发该嵌入式网络数据采集监控系统的数据库实现方法。

实验效果表明，用户不但可以采集嵌入式系统的实时数据，而且可以将该数据进行有效的分析，实现远程监测，诊断和配置功能。嵌入式WEB技术的实现对将信息网技术应用于工业现场分布式控制作出了有意的尝试，这种技术还可以推广到其他工业现场的控制要求中去。

关键词

以太网，嵌入式系统，远程监测，datasocket，客户机/服务器

I 沈阳工程学院毕业论文 Abstract

Abstract

Network technology industrial development raises profound technological change control areas.Control systems and control system structures network system openness will be the control system technology development trends.In recent years, Ethemet and an embedded remote monitoring system of considerable development, is currently trying to use Ethernet openness towards an embedded control system network.As a new technology, an embedded Ethernet access Ethemet refers to an embedded system, the computer system can visit the plug-in conferencing equipment, and achieve long-range surveilance of an embedded system, control, diagnosistesting and configuration, and other functions.Such as high-speed Ethemet technology in industrial distributed control site ofers a convenient, fast and generic-strong,relatively low-cost control programme.In the first paper explained the concept of an embedded network remote monitoring system, introduced the system of history, research methodology and research significance of the development of a vision of the system.Communication agreement is the key to the realization of network communications.The second chapter in the use of a wide range of introduced several communications agreements, especially after the realization of the monitoring system needs TCP/IP agreement and the contents of a detailed exposition Taojiezi.Secondly, on an embedded operating system 16ug Clinux main function modules, and the practical application of 16ug Clinux in some aspects of the corresponding analysis;Then introduced the concept of transplantation, the main introduced an embedded operating system 16ug Clinux the transplant process, including translation environment creation, and reduction in hardware changes.16ug Clinux documentation systems for the summary analysis.Then S3C44B0 form an embedded ARM7 controller with details on thecomputer interface, A/D data collection module on the basis of data collection applications in the operating system platform uClinux transplant and driven development, completed based on TCP socket agreement uClinux data communications functions.In order to provide good customer-browser user interface, use of graphics processing language LabVIEW as a client/server model of the programming language.LabVIEW software development platform focused on the DataSocket mechanism to accomplish real-time data from a network of client server publishing functions, based on the achievement of client/server model of the data collection network monitoring system C language code.Finaly, on the development of the plug-in using LabVIEW SQL network database for data collection and control systems.II 沈阳工程学院毕业论文 Abstract

Experimental results indicate that users can collect data on an embedded real-time systems, but also the effective data analysis and achieve long-range monitoring, diagnosis and configuration functions.Plug-Web technology for the realization of the industrial site will be distributed information network technology to control a deliberate atempt, the technology can also be extended to other industrial scene control requirements.Key words ethernet, plug-in systems, remote monitoring, datasocket, client/server

III 沈阳工程学院毕业论文 目录

目 录

摘要..................................................................................................................................................I Abstract..........................................................................................................................................II 第1章 绪论...................................................................................................................................1

1.1 研究课题的引出...............................................................................................................1 1.2 嵌入式以太网监测系统的历史与现状...........................................................................1

1.2.1 嵌入式以太网监测系统的历史.............................................................................1 1.2.2 嵌入式以太网监测系统的实现方法.....................................................................2 1.2.3 嵌入式以太网监测系统的研究意义.....................................................................2 1.3 现阶段以太网监测技术与嵌入式系统的发展...............................................................3

1.3.1 以太网监测技术的发展.........................................................................................3 1.3.2 嵌入式监测系统的发展.........................................................................................3 1.3.3 以太网监测技术中尚需解决的主要问题.............................................................4 1.4 本文研究的内容和组织安排...........................................................................................4 1.5 本章小结...........................................................................................................................5 第2章 嵌入式操作系统及uClinux.............................................................................................6

2.1 uClinux操作系统介绍......................................................................................................6

2.1.1 uClinux的内存管理................................................................................................6 2.1.2 uClinux的进程和线程管理....................................................................................7 2.1.3 针对实时性的解决方案.........................................................................................8 2.1.4 uClinux的内核加载方式........................................................................................8 2.1.5 uClinux的根（root）文件系统..............................................................................8 2.1.6 uClinux的应用程序库............................................................................................8 2.2 建立uClinux开发环境....................................................................................................9

2.2.1 移植概述.................................................................................................................9 2.2.2 交叉编译环境的建立.............................................................................................9 2.2.3 建立宿主机开发环境...........................................................................................10 2.2.4 编译uCIinux内核................................................................................................10 2.2.5 构建文件系统.......................................................................................................12 2.3 本章小结.........................................................................................................................13 第3章 嵌入式数据采集系统的硬件设计.................................................................................14 3.1 嵌入式数据采集系统的硬件结构.................................................................................14 3.2 嵌入式数据采集系统主要功能的实现.........................................................................15 3.2.1 嵌入式ARM微处理器........................................................................................15 3.2.2 数据采集与处理...................................................................................................15 3.2.3 人机交互接口设计...............................................................................................16 3.3 本章小结.........................................................................................................................18 第4章 应用LabVIEW实现远程监测......................................................................................19 4.1 分布式应用程序间的通信模式.....................................................................................19 4.1.1 C/S模式.................................................................................................................19 4.1.2 B/S模式.................................................................................................................19 4.2 LabVIEW网络通信技术................................................................................................19

IV 沈阳工程学院毕业论文 目录

4.2.1 LabVIEW中的TCP通信.....................................................................................19 4.2.2 虚拟仪器网络测控系统软件的构成方案及工作原理.......................................20 4.3 DataSocket通信编程......................................................................................................21 4.4 DataSocket客户端网页网页发布功能..........................................................................22 4.4.1 配置LabVIEW Web Server.................................................................................22 4.4.2 在LabVIEX环境中操作Remote Panels............................................................23 4.5 本章小结.........................................................................................................................24 结 论.............................................................................................................................................25 致 谢.............................................................................................................................................26 参考文献.......................................................................................................................................27

V 沈阳工程学院毕业论文 第1章 绪论

第1章 绪论

1.1 研究课题的引出

网络技术的发展引发了工业控制领域的深刻技术变革。控制系统结构网络化与控制系统体系开放性将是控制系统技术发展的趋势。人们希望当一台设备具有网络功能时，可以在任何时间、任何地点、使用任何平台随时察看设备的实时状态，并在远程实现对这台设备的监视、控制、诊断、测试和配置等操作。预计在不远的将来，每台设备中都将有一个IP地址，与Internet网络相连接，具有远程诊断和维护等功能[1]。

在工业控制中，普遍使用现场总线进行数据传输，现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置之间、以及现场装置域控制室内的自动化控制装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线。国际上现有多种现场总线标准，包括基金会现场总线FF、控制局域网络CAN、局部操作网络Lonworks过程现场总线包括PROFIBUS和HART协议，以及DeviceNet，Controlnet，P-Net等，而且在今后相当长一段时间内多种现场总线将并存。在工业现场使用现场总线通信主要有以下弊端：使用专用线缆通信、成本高、协议不统一、传输信息单一。因此，需要另一种通信网络取代传统的现场总线应用于工业现场通信。

目前，以太网在确定性和速度方面有了很大的提高，已成为世界上应用最多的网络，正逐渐应用于工业自动化领域。与此同时，各种嵌入式系统也在不断发展，越来越多的嵌入式控制设备都具有了以太网接入功能，因而能够利用以太网的开放性实现嵌入式控制系统的网络化，实现通过浏览器访问并监控设备，为用户提供了一种方便、快速、通用性强、传递信息多样、成本相对低廉的现场通信方式。

1.2 嵌入式以太网监测系统的历史与现状

1.2.1 嵌入式以太网监测系统的历史

将嵌入式系统与以太网监测系统相结合的想法由来己久，主要的困难在于当时的以太网在速度和确定性等方面都有很大欠缺，不能满足工业通信网络要求；另外，各种网络通信协议对于嵌入式系统存储器容量、运算速度等的要求比较高，当时的嵌入式系统中除部分32位以上的处理器外，都无法达到这一要求。

随着工业以太网在速度上不断提高以及交换技术、全双工工作方式等技术的融入，以太网与工业通信网络的差距正在逐步缩小。另外，从80年代起，一些IT组织和公司开始进行嵌入式系统的研发，大部分新开发的嵌入式处理器都支持网络协议，如AMD公司的AM 186系列嵌入式处理器、MOTOROLA公司的M68HC系列嵌入式处理器等等。可以说，目前研究嵌入式以太网的条件已经成熟。沈阳工程学院毕业论文 第1章 绪论

国外对嵌入式以太网的研究己从理论阶段过渡到开发阶段。在工业控制领域，美国OPT22公司采用嵌入式以太网，研制开发了“以太网I/O系统”—SNAPI/O系统，通过以太网对分布在远程设备现场的I/O口进行访问，从而实现对一远程设备的监测和控制。SNAPI/O己成功应用于工业过程控制、路桥收费系统监控、输油管线的监控及楼宇的智能化监控等多项工程中。此外，惠普公司应用的是IEEE1451.2智能传感器标准，研制的嵌入式以人网控制器具有10BaseT以太网接口，能够运行FTP/HTTP/TCP/UDP协议，应用于传感器、驱动器等现场设备。

目前，国内在基于嵌入式以太网方面的研究并不多见，对工业通信网络领域的理论研究主要局限于现场总线网络上，也有部分学者对建立工业以太网通信网络进行了探讨，但仍停留在概念上，未能进入到实质研究阶段[2]。

1.2.2 嵌入式以太网监测系统的实现方法

嵌入式以太网监测系统的实质是在嵌入式系统的基础上实现网络化，使嵌入式系统能够实现TCP/IP网络通信协议，接入以太网。将嵌入式系统与TCP/IP协议融合到一起主要有两种方法：

⑴硬件方式：使用己有的TCP/IP芯片直接作为以太网口。这种方一法的优点是可靠性高，执行速度快，但往往硬件电路复杂，价格昂贵，硬件成本高；

⑵软件方式：将基于TCP/IP协议以软件方式嵌入到嵌入式系统的ROM中。这种方法成本低廉、实现灵活，软件编写相对复杂，但只要选用的嵌入式系统带有能够可靠实现TCP/IP协议的软件包，则开发比较容易。

通过比较这两种实现方法的优缺点，论文选用以软件方式实现了基于TCP/IP协议的嵌入式系统。嵌入式以太网WEB就是在嵌入式系统实现TCP/IP网络协议的基础上，使用其它的网络技术实现其WEB功能，如浏览器与服务器之间的信息交互，Socket数据传输等。

1.2.3 嵌入式以太网监测系统的研究意义

当一台设备具有网络接入功能时，人们可以在任何地方、任何时间、任何地点、使用任何平台随时浏览设备实时的状态、并在远程实现对这台设备的监视、控制、诊断、测试和配置。

使用现场总线控制技术对现场设备进行监控时，需要通过专用通信线，不仅通信介质是专用的，而且通信协议、配套软件和硬件都要专门设计。与之相比，若采用嵌入式以太网，只要将嵌入式设备连接到以太网，就能很方便的实现监控功能，其意义如下：

·监控设备集网络服务器、信号转换、采样及TCP/IP通信功能于一体，结构简单，体积微小，因而系统具有更加优良的性价比；

·不需要专用的通信线路，可以使用现成网络资源； ·由于采用TCP/IP等网络协议，传输数据多、速度快； ·不仅可以传递数据信息，还可以传递声音及图像信息； 沈阳工程学院毕业论文 第1章 绪论

·协议公开统一，监控信息可以使用任意一种WEB浏览器读取[4]。

1.3 现阶段以太网监测技术与嵌入式系统的发展

1.3.1 以太网监测技术的发展

目前，以太网监测技术得到迅速的发展，主要表现在以下几个方面： 1.通信确定性

首先，以太网的通信速率从最初的10M，100M提高到了1000M，10G，这些高速以太网为网络通信提供了足够的带宽。在数据吞吐量相同的情况下，通信速度的提高意味着网络负荷的减轻和网络传输延时的减小，也就意味着网络碰撞几率大大下降。

其次，在星型拓扑结构的以太网中使用交换机将网络划分为若干个网段。以太网交换机具有数据存储的功能，能够对以太网上传输的数据帧进行缓冲，降低数据碰撞的几率；同时以太网交换机可以对网络上传输的数据进行包过滤，使每个网段内节点之间数据的传输只限在本网段内进行，不需要经过主干网，不占用其它网段的带宽，从而降低了主干网和子网中的网络负荷。

再次，全双工通信方式使得以太网中的冲突域不复存在。全双工通信是在端口间使用两对双绞线（或两根光纤）上分别接收和发送报文帧，从根本上解决了数据冲突的产生。

2.通信稳定性和可靠性

绝大多数以太网接插件、集线器、交换机和电缆均是为办公领域设计的，其抗干扰性能差，不符合工业现场恶劣环境的要求，也不具备本质安全特性和向现场仪表供电的性能。为了解决在工业应用领域，在极端条件下网络稳定工作的问题，目前提出了采用DB-9结构代替RJ-45插口的方法，这种方法牢固抗振动，并易于实现向现场仪表供电。

在可靠性方面，提出了以太网环冗余的概念，在一定程度上提高了以太网通信的可靠性。

1.3.2 嵌入式监测系统的发展

嵌入式系统的发展大致经历了3个阶段：

第一阶段：以单片机为核心的可编程控制器形式的系统，同时具有与监测指示设备相配合的功能，一般没有操作系统的支持。

第二阶段：以嵌入式实时操作系统为标志。操作系统内核精小、效率高，具备文件和目录管理、多任务、网络支持等，嵌入式应用软件丰富，但与互联网无关。

第三阶段：以基于互联网为标志的嵌入式系统。

目前，嵌入式系统发展迅速，并趋于小型化、智能化，为嵌入式以太网的应用提供了理想的实施对象[6]。沈阳工程学院毕业论文 第1章 绪论

1.3.3 以太网监测技术中尚需解决的主要问题

以太网在应用于工业通信网络时，还需要解决以下关键问题： 1.以太网实时通信服务质量

所谓实时通信服务质量（Quality of Service，QoS），是指以太网用于工业控制现场时，为满足工业自动化实时控制要求，而提出的一系列通信特征需求，主要用来反映工业过程控制中的实时性能。

工业控制现场网络中传送的数据信息，除了各种测量数据、报警信号、组态监控和诊断测试信息以外，还有历史数据备份、工业音频视频数据等。这些信息对于实时性和通信带宽的要求各不相同，因此要求工业通信网络能够适应各种信息的通信要求，为紧急任务提供优先服务，同时为非紧急任务提供（Best-Efort，BE）服务，从而保证整个工业控制系统的性能。

2.网络安全性

在以太网上使用TCP/IP协议，有可能会受到包括病毒、黑客侵入等网络安全威胁。对此，一般采用网络隔离（如网关、服务器隔离）办法，将控制区域内部通信网络与外部信息网络分开。还可以通过用户密码、数据加密、防火墙等多种安全机制加强网络的安全管理。但目前还没有针对工业自动化通信网络安全的成熟软件。

3.现场安全性

工业现场环境可能存在易燃、易爆及有毒气体，以太网用于工业现场的通信网络必须采取一定的保证安全的措施。

1.4 本文研究的内容和组织安排

本文的设计流程图可由图1.1表示。从总体上看，整个文章可分为以下几个部分： 第一部分是从下位机的角度，为嵌入式开发板建立系统移植、数据采集驱动开发和uClinux网络通信程序；

第二部分是从服务器和客户机的角度，建立基于C-S模式的socket上下位机多机通信； 第三部分是从服务器的角度，开发数据库以便进行实时数据的保存。因此，基于以上考虑，全文共分为七章对本项目进行论述。第1章阐述了嵌入式网络远程监测系统的概念，介绍了该系统的历史，研究方法及研究意义，对该系统的发展进行了展望。

第2章介绍嵌入式操作系统uClinux的主要功能模块，同时对uClinux在实际应用的一些方面进行相应的分析；然后介绍移植的概念，主要介绍了嵌入式操作系统uClinux的移植过程，包括编译环境的建立、针对硬件的改动和裁减，对uClinux的文件系统进行了简要的分析。

第3章从嵌入式控制器ARM7 S3C444B0入手，详细介绍了人机接口、A/D数据采集模块，在此基础上进行了数据采集应用程序在uClinux操作系统平台上的移植和驱动开发，完沈阳工程学院毕业论文 第1章 绪论

成了基于TCP协议的uClinux socket数据通信功能。

第4章介绍了图形化处理语言LabVIEW，并将此语言作为客户机/服务器模式下的编程语言。重点论述了LabVIEW软件开发平台下的DataSocket机制，完成实时数据量经过服务器向网络客户机发布的功能，实现了基于客户机/服务器模型下的网络数据采集监测系统的C语言代码。

实验效果表明，用户不但可以采集嵌入式系统的实时数据，而且可以将该数据进行有效的分析，实现远程监测，诊断和配置功能。嵌入式WEB技术的实现对将信息网技术应用于工业现场分布式控制作出了有意的尝试，这种技术还可以推广到其他工业现场的控制要求中去。

本文的设计流程图可由图1.1表示。

图1.1 整体设计框图

1.5 本章小结

本章从总体上介绍了本课题的研究背景，论述了网络监测系统的历史，研究方法和发展情况，并提出了今后网络监测系统研究总需要解决的相关问题。最后概括出本实验的整体设计框图。沈阳工程学院毕业论文 第2章 嵌入式操作系统及UCLINUX

第2章 嵌入式操作系统及uClinux

uClinux是Lineo公司的主打产品，同时也是开放源码的嵌入式Linux的典范之作。uClinux主要是针对口标处理器没有存储管理单元MMU（Memory Management Unit）的嵌入式系统而设计的。本系统采用uClinux做为嵌入式操作系统的主要是基于uClinux的许多优良特点，例如开源、稳定、良好的移植性等。

2.1 uClinux操作系统介绍

Linux是一种很受欢迎的操作系统，它与UNIX系统兼容，开放源代码。它原本被设计为桌面系统，现存广泛应用子服务器领域。而更大的影响在于它正逐渐的应用于嵌入式设备。uClinux正是在这种氛围下产生的。在uClinux这个英文单词中u表示Micro，小的意思，C表示控制的意思，所以uClinux就是Mcro-control-Linux，字面上的理解就是“针对微控制领域而设计的Linux系统”[10]。

uClinux最大的特征就是没有MMU（内存管理单元模块）。它很适合那些没有MMU的处理器。这种没有MMU的处理器在嵌入式领域中应用得相当普遍。本系统中使用的ARM7内核微赴理器，其本身也没有MMU。同标准的Linux比，由于uClinux自身不支持MMU，多任务的实现就需要技巧了。但是，在uClinux上运行的绝大多数的用户程序并不需要多任务。另外针对uClinux内核的二进制代码和源代码都经过了重新编写，以紧缩和裁剪基本的代码。这就使得uClinux的内核同标准的Linux内核相比非常之小，但是它仍保持了Linux操作系统的主要的优点，如稳定性、强大的网络功能和出色的文件系统支持等。uClinux包含Linux常用的API、小于512K的内核和相关的上具。操作系统所有的代码量较小。

uClinux有一个完整的TCP/IP协议栈，同时对其它许多的网络协议都提供支持。这些网络协议都在uClinux上得到了很好的实现。对嵌入式系统而言，uClinux可以称作是一个优秀网络操作系统。uClinux所支持的文件系统有多种，其中包括了最常用的NFS（网络文件系统）、ext2，romfs、MS-DOS及FAT 16/32等[9]。

2.1.1 uClinux的内存管理

Linux系统的内存管理至少实现了以下功能：

⑴可以运行比内存还要大的程序。理想情况下应该可以运行任意大小的程序。⑵可以运行只加载了部分的程序，缩短了程序启动的时间。⑶可以使多个程序同时驻留在内存中提高CPU的利用率。

⑷可以运行重定位程序。即程序可以放于内存中的任何一处，而且可以在执行过程中移动。

⑸写机器无关的代码。程序不必韦先约定机器的配置情况。沈阳工程学院毕业论文 第2章 嵌入式操作系统及UCLINUX

⑹减轻程序员分配和管理内存资源的负担。

⑺可以进行共享，例如，如果两个进程运行同一个程序，它们应该可以共享程序代玛 的同一个副本。

⑻提供内存保护，进程不能以非授权方式访问或修改页面，内核保护单个的进程的数据和代码以防止其它进程修改它们。否则，用户程序可能会偶然（或恶意）地破坏内核或其它用户程序。

2.1.2 uClinux的进程和线程管理

进程：进程是一个运行程序并为其提供执行环境的实体，它包括一个地址空间和至少一个控制点，进程在这个地址空间上执行单一指令序列。进程地址空间包括．可以访问或引用的内存单元的集合，进程控制点通过一个一般称为程序计数器（program counter，PC）的硬件寄存器控制和跟踪进程指令序列。fork：由于进程为执行程序的环境，因此在执行程序前必须先建立这个能跑程序的环境。Linux系统提供系统调用拷贝现行进程的内容，以产生新的进程，调用fork的进程称为父进程：而所产生的新进程则称为子进程。子进程会承袭父进程的一切特性，但是它有自己的数据段，也就是说，尽管子进程改变了所属的变量，却不会影响到父进程的变量值。

父进程和子进程共享一个程序段。但是各自拥有自己的堆栈、数据段、用户空间以及进程控制块。换言之，两个进程执行的程序代码是一样的，但是各有各的程序计数器与自己的私人数据。

当内核收到fork请求时，它会先查核三件事：首先检查存储器是不是足够；其次是进程表是否仍有空缺；最后则是看看用户是否建立了太多的子进程。如果上述说三个条件满足，那么操作系统会给子进程一个进程识别码，并且设定CPU时间，接着设定与父进程共享的段，同时将父进程的文件节点索引mode拷贝一份给予进程运用，最终子进程会返回数值0以表示它是子进程。至于父进程，它由能等待子进程的执行结束，或与子进程各做各的。

uClinux没有MMU管理存储器，在实现多个进程时（fork调用生成子进程）需要实现数据保护。

uClinux的多进程管理通过vfork来实现。这意味着uClinux系统调用完成后，要么子进程代替父进程执行（此时父进程己经sleep直到子进程调用exit退出），要么调用exec执行一个新的进程，这个时候将产生可执行文件的加载，即使这个进程只是父进程的拷贝，这个过程也不能避免。当子进程执行exit或exec后，子进程调用wakeup，以此将父进程唤醒，使父进程继续往下执行。

uClinux的这种多进程实现机制同它的内存管理紧密相关。uClinux针对nommu处理器开发，所以被迫使用一种flat方式的内存管理模式，启动新的应用程序时系统必须为应用程序分配存储空间，并立即把应用程序加载到内存。缺少了MMU的内存重映射机制，uClinux必须在可执行文件加载阶段对可执行文件reloc处理，使得程序执行时能够直接使用物理内存。沈阳工程学院毕业论文 第2章 嵌入式操作系统及UCLINUX

2.1.3 针对实时性的解决方案

uClinux本身并没有关注实时问题，它并不是为了Linux的实时性而提出的。另外有一种Linux-RTlinux关注实时问题。RTlinux执行管理器把普通Linux的内核当成一个任务运行，同时还管理了实时进程。而非实时进程则交给普通Linux内核处理。这种方法已经应用于很多的操作系统用于增强操作系统的实时性，包括一些商用版UNIX系统，Windows NT等。这种方法优点之一是实现简单，且实时性能容易检验。优点之二是由于非实时进程运行于标准Linux系统，同其它Linux商用版本之间保持了很大的兼容性。优点之三是可以支持硬实时时钟的应用。uClinux可以使用RTlinux的patch，从而增强uClinux的实时性，使得uClinux可以应用于工业控制、进程控制等一些实时要求较高的应用。

2.1.4 uClinux的内核加载方式

uClinux的内核有两种可选的运行方式：可以在flash上自接运行，也可以加载到内存中运行。这种做法可以减少内存需要。

Flash运行方式：把内核的可执行映象烧写到flash上，系统启动时从flash的某个地址开始逐句执行。这种方法实际上是很多嵌入式系统采用的方法。

内核加载方式：把内核的压缩文件存放在flash上，系统启动时读取压缩文件在内存里解压，然后开始执行，这种方式相对复杂一些，但是运行速度可能更快（ram的存取速率要比flash高）。同时这也是标准Linux系统采用的启动方式。在我们的嵌入式系统中，我们采用的是这种方式。

2.1.5 uClinux的根（root）文件系统

uClinux系统采用romfs文件系统，这种文件系统相对于一般的ext2文件系统要求更少的空间。空间的节约来自于两个方面，首先内核支持romfs文件系统比支持ext2文件系统需要更少的代码，其次romfs文件系统相对简单，在建立文件系统超级块（superblock）需要更少的存储空间。romfs文件系统不支持动态擦写保存，对于系统需要动态保存的数据采用虚拟ram盘的方法进行处理（ram盘将采用ext2文件系统）。

2.1.6 uClinux的应用程序库

uClinux小型化的另一个做法是重写了应用程序库，相对于越来越大且越来越全的libc库，uClibc对libc做了精简。uClinux对用户程序采用静态连接的形式，这种做法会使应用程序变大，但是基于内存管理的问题，不得不这样做，同时这种做法也更接近于通常嵌入式系统的做法。沈阳工程学院毕业论文 第2章 嵌入式操作系统及UCLINUX

2.2 建立uClinux开发环境

2.2.1 移植概述

1．基于处理器的移植

这种类型的移植要求从一种处理器的编译器开始。这是最主要也是最困难的一步。通常当一个操作系统要运行于一定的处理器，都需要特定的编译器把操作系统（应用程序）编译成特定处理器可识别的字节码。

针对Linux系统而言，由于GNU套件支持大量的处理器。而且如前文所述，GNU编译器GCC在设计时就已经考虑跨平台的问题，所以在进行GCC移植时我们可以不考虑前端高级语言解析的部分（针对C语言等解析的过程），而只需要考虑后端的移植（主要针对处理器部分），这些后端告诉GCC在编译时怎样形成汇编代码，怎样满足处理器体系结构下的参数传递，怎样针对处理器进行流水线优化等。

基于处理器的移植还包括操作系统的移植（假如嵌入式设备不需要操作系统，则编译器完成后就可以进入编写应用的阶段）。任何操作系统都有一定的代码是同处理器相关的，而操作系统为了增加运行效率，通常总是使用了大量特定处理器提供的底层功能支持。这些与特定处理器相关的部分最终都必须修改，使其适用于新的处理器。

另外从编写应用的角度来看，还必须提供函数库。因此函数库的穆植也是必须的。2．基于平台的移植

这种移植相对于处理器的移植而言所处的开发层次更高，在板级上进行。对于一个嵌入式设备，除了处理器还要有很多周边的器件才能正常上作。因此操作系统在运行时必须初始化特定目标板的器件。

这些器件中最主要的是flash，sdram等。这些设备在系统启动后必须能够正确寻址，从而操作系统能够正常运行。此外可能需要考虑的问题包括，打印终端，串口，以太网设备等。本系统涉及移植类型即是基于平台的移植。

我在移植uClinux时，所采用的uClinux系统己经有运行于S3C44B0芯片上。所以编译器己经不需要做太多的上作，只需对其中有些地方加以修改，这样将极大节省工作量。

2.2.2 交叉编译环境的建立

绝大多数Linux软件开发都是以native方式进行的，即本机开发、调试，本机运行的方式。这种方式通常不适合于嵌入式系统的软件开发。因为对于嵌入式系统的开发，没有足够的资源在本机（即板子上系统）运行开发工具和调试工具。通常嵌入式系统的软件开发采用一种交叉编译调试方式。交叉编译调试环境建立在宿主机（即一台PC机）上，对应的开发板叫做目标板。开发时使用宿主机上的交叉编译、汇编及链接上具形成可执行的二进制代码，然后把可执行文件下载到口标机上运行和调试。沈阳工程学院毕业论文 第2章 嵌入式操作系统及UCLINUX

2.2.3 建立宿主机开发环境

在进行嵌入式uClinux应用开发设计之前，首先需要安装一台装有指定操作系统的PC机作宿主机。对于嵌入式uClinux，宿主机上的操作系统一般要求为Redhat Linux，在本课题中用的是Redhat 9.0。对于没有使用类UNIX操作系统的设计者，安装Redhat 9.0一般选择完全安装，这样可以避免在实际操作时引起不必要的麻烦。嵌入式开发通常要求宿主机配置有网络，支持NFS，支持tftp服务器等等。对于Redhat 9.0，它默认打开了防火墙。对于外来的IP访问，它会全部拒绝，这样其它网络设备就根本不可能访问它，即开发板无法使用NFS，无法通过tftp从它下载，无法完成telnet等。因此网络安装好后，应关闭防火墙并且去掉ipchains和iptables两项服务。NFS和tftp服务器的设置完全可以在Redhat 9.0的KDE图形界面下完成。

由于uClinux及它的相关开发工具集大多都是来自于软件组织的开放源代码，大多数软 件都可以从网站http：//文件。如图4.7。

图4.7 生成HTML文件

4.4.2 在LabVIEX环境中操作Remote Panels

完成上述配置后，就可以在LabVIEW环境中运行一个Remote Panels了。

第一步：在Web Server端计算机中打开该VI前面板窗口（必须要打开，否则客户端在连接这个VI时会出错）

第二步：在Client客户端的LabVIEW菜单栏中选择Operate》Connect to Remote Panel--，弹出Connect to Remote Panel对话框，如图4.8所示。沈阳工程学院毕业论文 第4章 应用LabVIEW实现远程监测

图4.8 Connect to Remote Panel对话框

第三步：在Connect to Remote Panel对话框的Server IP Address栏中，输入Server端计算机的IP地址、域名或计算机名，如192.168.1.138；在VI Name栏中输入想要控制的VI名称数据采集。在PORT栏中输入Web Server configuration中设定的HTTP Port（默认值为80）。

第四步：单击Connect按钮，Remote Panels就会出现在屏幕上了。如图4.9所示。

图4.9 Remote Panels

4.5 本章小结

本节详细介绍了LabVIEW DataSocket的c-s模式下的网络通信基本理论和方法，并完成了基于LabVIEW DataSocket机制的服务器和客户机软件，该软件可顺利实现上下位机网络通信功能。沈阳工程学院毕业论文 结论

结 论

本文在基于网络的嵌入式数据采集系统的基础上，重点研究了虚拟仪器的网络通讯技术；并针对构建嵌入式网络数据采集系统提出了可行性方案。

本文完成的具体工作如下：

1．分析了嵌入式以太网监测系统研究的历史与现状，概括了当今嵌入式以太网监控系统常用的实现方法，提出了以太网监测技术中尚需解决的主要问题。

2．对基于ARM微处理器S3C44B0X的嵌入式数据采集系统进行总体设计，介绍了嵌入式系统的硬件结构，并详细介绍了嵌入式系统主要硬件功能的具体实现过程。

3．提出了基于LabVIEW的数据采集系统结构，介绍了数据采集设备的设置与测试。充分发挥虚拟仪器的优势，采用模块化设计软件方法，通过软、硬件结合，使用LabVIEW软件设计了一个实用的数据采集系统，实现了对多通道温度信号的采集处理。

4．应用TCP和DataSocket技术，在网络上只需传输数据，从而真正实现服务器/客户端模式的网络化虚拟仪器。这种方式便得用户只需要打开相应的应用程序就可以实时查看远方的实时数据采集监测情况。沈阳工程学院毕业论文 致谢

致 谢

首先感谢我尊敬的指导老师，本论文是在他的悉心指导和关怀下完成的。在这三年的学习期间，严谨的治学态度、渊博的专业知识以及忘我的工作热情对我的一生都有若非常深远的影响，激励我不断努力学习和工作，向着更高的人生目标奋斗！在学术上给予我很多指导和帮助，为我们创造良好的学习氛围，正是在这种环境下我才能够顺利完成毕业论文。此外，读书期间，使我们受益的不仅仅是广博的知识，丰富的经验，更为重要的是党老师在为人，为师，以及科研中的态度。在为人方面，我懂得了做人要积极乐观，正直，乐于助人；科研中，要严谨认真、脚踏实地、勤于动脑、勤于动手。这些在我以后的工作和生活中将是我所要努力做到的。

在论文撰写期间，我要感谢帮助过我的实验室同学们，他们给我提出了许多宝贵的意见，激发了我写作的灵感。在此表示最深的谢意。

感谢父母的养育之恩！感谢家人的理解与支持！

最后，对评审论文的各位专家、学者表示衷心的感谢！沈阳工程学院毕业论文 参考文献

参考文献

[1] 田泽等.嵌入式系统与应用教程.北京:北京航空航天大学出版社,2004年 [2] 王学龙编著.嵌入式Linux系统设计应用.北京:清华大学出版社,2002年 [3] 李善平,刘文峰等.Luiux与嵌入式系统:清华大学出版社,2003年

[4] 马忠梅,李善平,康慨,叶楠著.ARM＆Linux嵌入式系统教程.北京:北京航空航天大学出版社,2004 [5] 周立功著.ARM嵌入式系统基础教程.北京:北京航空航天大学出版社,2005年 [6] 邹思轶著.嵌入式Linux设计与应用.北京:清华大学出版社,2002年 [7] 魏忠,蔡勇等编著.嵌入式开发详解.北京:电子工业出版社,2003年

[8] 刘辉,孟凡荣,席景科.用uCLinux开发嵌入式应用.《电子产品世界》,2003年1月:64-66 [9] DOUGIASE.COMER.Intemetworking with TCP/IP.Prentice Hall, 1998 [10] 陈莉君编著.深入分析Linux内核源代码.北京:人民邮电出版社,2002年 [11] 毛德操,胡希明著.Linux内核源代码情景分析.杭州:浙江大学出版社,2001 [12] 李菩平编著.Linux内核2.4版源代码分析大全.北京:机械工业出版社,2004年 [13] 万加富,闵荷花,张占松.基于uClinux的嵌入式开发平台建立《.元器件与集成电路》,2003年,第4期:1-4 [14] LabVIEW 6i教程,北京:机械工业出版社.2003年

[15] 杨乐平,李海涛.LabVIEW基础教程（第二版）.北京:机械丁业出版社,2005年 [16] 杨乐平,李海涛等.LabVIEW技术高级程序设计.北京:清华大学出版社,2003年

[17] PoggioT.Girosi F, A Theory of Networks for Approximation and Leaming, Proc IEEE, 1990, 78:1481-1496 [18] 戴尔晗,孙海安.基于LabVIEW的IP网络管理,国外电子测量技术,2005年12期

电网中谐波电压的嵌入式监测研究 第3篇

一个理想的电力系统是以恒定的频率、规定的电压值、标准的正弦波形来对用户进行供电的。但随着现代工业的发展, 大量的电力电子装置及非线性负荷在电力系统中广泛应用, 使得电能质量问题越来越突出。目前, 我国对电能质量的研究集中在公用电网谐波、电力系统频率允许偏差、供电电压允许偏差、电压允许波动和闪变等方面[1]。而谐波产生的根本原因是非线性负载, 它使电压、电流中含有了频率为基波的整数倍的电量, 谐波会对各种用电设备的正常运行带来消极影响。

1 傅立叶谐波分析法

谐波的参数指标主要有谐波含量、总谐波畸变率、谐波含有率。目前对谐波分析的方法已有很多种, 如卡尔曼滤波、傅立叶变换、小波分析等。傅立叶变换作为经典的信号分析方法已经比较成熟, 特别是快速傅立叶变换算法, 利用它能大大简化运算步骤, 使得系统的分析性能得到很大的提高。

1.1 快速傅立叶变换

快速傅立叶变换 (FFT) 是离散傅立叶变换 (DFT) 的一种快速算法。

设x (n) 为N点有限长序列, 其DFT为:

一般来说, x (n) 和WNnk都是复数, X (k) 也是复数, 因此每计算一个X (k) 的值, 需要N次复数乘法以及N-1次复数加法。而X (k) 一共有N个点, 所以完成整个DFT运算总共需要N2次复数乘法和N (N-1) 次复数加法。复数运算实际上是由实数运算来完成的, 故式 (1) 可以写成:

由式 (2) 可知, 一次复数乘法需用4次实数乘法和2次实数加法;一次复数加法则需用2次实数加法。因此, 每运算一个X (k) 需要4N次实数乘法及2 (2N-1) 次实数加法。整个DFT运算总共需要4N2次实数乘法和2 (2N-1) 次实数加法[2]。

1.2 采样问题和频谱泄露问题

连续非周期信号经过计算机采样后就会得到离散非周期信号, 离散非周期性信号的频谱是连续周期性的, 它的周期就是采样周期。我们所研究的最高次谐波是13次谐波, 因此必须用低通滤波器将信号中大于13次的谐波分量滤除, 以防产生混叠现象[3]。所以采样频率要满足:f≥13×50×2 Hz, 即必须大于1.3 k Hz。

如果是一个连续的周期信号x (t) , 在一个周期内对其采样可以用如下公式来表示:

对式 (5) 进行傅立叶变换得到:

式中, U (f) 是u (t) 的傅立叶变换;X (f) 是x (t) 的傅立叶变换。

由于U (f) 是频域上的连续谱函数, 所以原函数的能量从线谱泄露到整个频谱, 从而产生了频谱泄露[4]。信号频率不同步造成了周期采样信号的相位在始端和终端不连续, 从而导致频率泄漏。如果采样是同步的, 泄漏频谱在整数次谐波点上的幅值为0, 则不会造成分析的误差;但如果采样是非同步时, 泄漏频谱在整数次谐波点上的幅值不为0, 这时泄漏频谱将引起频谱分析误差。

长范围泄漏通过加合适的窗函数加以抑制, 短范围的泄漏通过插值算法进行修正。加Hanning窗函数后, 再利用双峰插值法来修正相位和幅值, 可以使谐波分析结果更加精确。

由于电网信号主要含有整数次谐波, 因而常采用余弦窗函数, 只要选取观测时间是信号周期的整数倍, 其频谱在各次整数倍谐波频率处幅值为0, 谐波之间就不会发生相互泄漏。此时即使信号频率作小范围波动, 泄漏误差也较小。

Hanning窗函数如下:

设单一频率信号x (t) 频率为f0、幅值为A、初相为θ, 在经过采样率为fs的模数变换后, 得到如下形式的离散信号:

如果所加窗函数的时域形式为w (n) , 其连续频谱为W (2πf) , 则加窗后该信号的连续傅立叶变换为:

如果忽略频率-f0处频峰的旁瓣影响, 则在正频率点f0附近的连续频谱函数可表达为:

对式 (9) 进行离散抽样可得到它的离散傅立叶变换表达式:

式中, 离散频率间隔为Δf=fs/N, N是数据截断的长度。

由于峰值频率f0=k0Δf很难正好位于离散谱线频点上, 则设峰值点左右两侧的谱线分别为第k1和k2条谱线, 这2条谱线也应该是峰值点附近幅值最大和次最大的谱线。显然, k1≤k0≤k2=k1+1令这两条谱线值分别是:y1=|X (k1Δf) |, y2=|X (k2Δf) |。

由于0≤k0-k1≤1, 所以可以引入一个辅助参数a=k0-k1-0.5。显然, a的取值范围是[-0.5, 0.5]。于是就有:

令β=y2-y1/y2+y1, 通过多项式逼近的方法得到Hanning窗函数所对应的修正公式为:

2 硬件电路设计

由于该装置要能监测到电力系统中的13次谐波, 那么要求采样频率至少为1.3 k Hz。为了能在每个采样周期内完成大数据量的分析和处理, 同时软件采用的是C语言来设计, 当其转换为汇编语言至少是100万条, 因此该处理器的主时钟频率至少达到百万赫兹。目前满足这个主率的ARM处理器是ARM9系列处理器, 该系列处理器具有丰富的片内资源, 如片内AD、USART、NAND Flash控制器等[5]。因此, 选用三星公司S3C2440为控制核心芯片。电能质量监测系统硬件部分主要完成如下功能:模拟信号调理及采集、锁相环电路、数据分析及处理、数据存储及数据通讯模块。硬件总体设计如图1所示。

3 监测系统软件设计

3.1 嵌入式软件开发平台搭建

嵌入式开发平台软件环境主要包含如下3个部分[6]:

(1) 系统引导加载程序 (Bootload) 。主要负责初始化硬件和引导内核。

(2) Linux内核。主要作用是实现内存管理、进程管理、文件系统管理网络协议, 并提供部分设备驱动程序。

(3) 根文件系统。它是Linux内核启动后挂载的第一个文件系统, 其他文件系统都可以建立在此文件系统的基础上。

然后在此平台上进行Bootload移植、Linux内核的裁剪与编译, 最后利用Busybox工具制作根文件系统, 从而搭建了基本的软件开发环境。

3.2 串口驱动程序设计

由于在驱动程序中访问某个设备文件是通过将硬件看成一个文件来访问的, 串口设备一般会被看做是/dev/ttys*, 在对它进行操作时用户空间只需要调用open () 函数就可以打开这个设备。其原型为:

int open (const chat*pathname, int flags) ;

其中参数pathname是设备文件所在路径。该设计中它的路径为/dev/ttys0;参数flags表示读取权限:只读、只写、可读可写。该函数会返回一个文件描述符fd, 供函数read () 、write () 来使用。

在内核空间只需要实现file_operations结构体中的2个函数。file_operations中需要用到的函数指针如下:

这样, 应用程序只需要调用open () 、write () 、read () 、close () 等函数就可以实现对串口的具体操作。

3.3 ADC驱动程序设计

该驱动程序属于字符型设备驱动程序, 要实现在Struct file_operations中的如下几个函数:

3.4 应用程序设计

应用程序由数据采集、数据分析处理、网络数据通讯这3大模块组成, 具体结构如图2所示。

由图2可知, 首先信号经过前端的信号调理电路变换为检测电路能够检测的量程范围, 接着执行电网信号采集模块、电能质量分析模块和通讯模块, 从而得到我们需要的数据。

为了使系统在实时性方面获得更好的效果, 主程序采用多进程处理方式进行, 数据采样、数据分析处理和网络数据通讯这3个模块程序同时执行, 从而大大地节省了时间, 提高了系统的实时性。

4 结语

根据谐波电压产生的原因和性质, 本文提出了以FFT算法作为谐波各参数的核心算法;通过以S3C2440为核心控制器件来搭建各种外围电路满足了系统设计的要求;并在此平台上进行了Bootload移植、Linux内核的裁剪与编译, 并利用Busybox工具制作了根文件系统, 从而构建了基本的软件开发环境;最后输入驱动程序和应用程序。经过仿真实验, 该设计能够达到实时监测谐波电压的目的。

摘要：介绍了傅立叶谐波分析法, 采用FFT算法解决了采样问题和频谱泄漏问题。以S3C2440为核心搭建了各种外围电路, 并根据软件开发环境的要求进行了Bootload移植、Linux内核的裁剪与编译, 利用Busybox工具制作了根文件系统, 再输入驱动程序和应用程序。经过仿真实验, 该设计能够达到实时监测谐波电压的目的。

关键词：谐波电压,FFT,嵌入式

参考文献

[1]程浩忠, 艾芋, 张志刚, 朱子述.电能质量概论[M].中国电力出版社, 2008

[2]张伏生, 耿中行, 葛耀中.电力系统谐波分析的高精度FFT算法[J].中国电机工程学报, 1999

[3]Stephane Mallat.A Wavelet Tour of Signal Processing[M].AcademicPress, 2009

[4]张介秋, 梁昌洪, 陈砚圃, 等.提高谐波参量测量精度的谱泄漏相消算法[J].电子学报, 2005, 33 (9) :1 614～1 617

[5]陈艳华, 侯安华, 刘盼盼.基于ARM的嵌入式系统开发与实例[M].人民邮电出版社, 2008

嵌入式监测论文 第4篇

土壤的温度和湿度是重要的土壤信息,也是农作物和树木生长的重要生态因素之一[1],利用土壤温湿度数据可以预报洪水和干旱灾害。进行土壤温湿度的测定,掌握土壤墒情变化规律,是实施生态环境保护和建设的重要步骤,对农田、果园和森林的生态状况监测与预报具有重要意义[2]。传统的土壤温湿度数据采集一般使用人工采集或卫星遥测两种方法人工采集耗费大量的人力物力,覆盖面积小,且容易出错;卫星遥测覆盖面积大,但精度不高。

当前,智能检测技术不断发展,嵌入式系统已成为构建各类数据采集的首选方案。同时,基于通用分组无线业务GPRS(GeneralPacketRadioService)网络的无线数据传输技术为实现温湿度数据的远程传输提供了可行的手段。本文介绍的森林土壤温湿度嵌入式远程实时监测系统将嵌入式软硬件技术、GPRS网络技术和GPS技术结合在一起,应用到森林土壤温湿度的监测中,为实现土壤墒情的远程监控进行了一部分前期基础研究。

1 系统组成

监测系统由现场数据采集子系统和信息接收中心两部分组成。其中,数据采集单元利用土壤湿温度传感器采集数据,数据经嵌入式微控制器MCU(MicroControllerUnit)处理后[3],通过GPRS网络发送至远程土壤信息接收中心,中心计算机收集温湿度数据,并自动显示相关信息。

现场数据采集子系统主要由土壤温湿度传感器模块、嵌入式MCU和GPRS数据传输模块以及电源管理模块组成,其结构如图1所示。

传感器输出的信号被信号调理电路处理后传送到子系统内部的模数转换器ADC(Analog-to-Digital Converter)。MCU定时启动ADC,进行模数转换并取走数据,然后把经过处理的数据通过串行口传送到GPRS模块,并启动该模块将数据发送到GPRS无线网络。数据被GPRS网络接收后经由网关转送至Internet,最后被连接到Internet的土壤信息接收中心接收。另外,为了确定被监测点的地理位置,数据采集子系统通过GPS模块进行定位信息的采集。由于数据采集单元放置在森林里,采用“太阳能电池板+蓄电池”的形式为采集单元供电。

信息接收中心主要由网络服务器和土壤墒情数据处理计算机构成具有公网固定其功能是进行数据的实时接收、处理和显示。信息中心软件采用Matlab语言编写,在Matlab环境下调测,并生成最终可执行代码。该软件具有实现信息接收中心的数据接收、存储和显示等功能。信息接收中心的结构如图2所示。

2 采集子系统硬件电路设计

数据采集子系统在硬件方面主要包括核心控制模块、温湿度传感器、信号调理及接口电路、远程数据传输模块、经纬度数据采集模块和电源模块。核心控制模块负责子系统任务总调度与数据运算,其余模块配合其工作,共同实现温湿度数据的采集、处理与传送。

2.1 核心控制模块

MCU是整个采集系统的核心,考虑到成本和高处理性能的需要,嵌入式MCU选用SAMSUNG公司生产的低功耗32位RISC微处理器S3C 44B 0X作为数据采集子系统的处理器芯片。该芯片硬件资源丰富,具有功耗低、功能多、价格便宜和性能强大等优点。S3C 44B 0X通过COM 0转换成RS-232接口后直接与GPRS模块相连接,完成对GPRS模块的初始化和基于GPRS网络的数据传输功能。系统中的GPS模块则通过S3C 44B 0X的COM 1与CPU进行通信[4]。

S3C 44B 0X自身不具有ROM[5],因此必须外接ROM来存储掉电后仍需要保存的代码和数据。本系统采用SST39VF160闪速存储器(FlashMemory)作为系统的ROM,此器件具有数据非易失和擦写容易的特点。该器件容量为1M×16Bit,与S3C 44B 0X接口如图3所示。SST39VF160作为系统的程序存储器,内含处理器的启动代码,将SST39VF160映射在处理器S3C 44B 0X的Bank0区域内,所以它的片选端与处理器的nGCS0引脚相连。

为了提高程序运行的速度和效率,在核心控制模块中扩展了SDRAM器件作为程序数据暂存空间。器件的型号为IS42S16400,其存储空间组织方式为1Mb×16b×4Bank,共64Mb,与S3C 44B 0X的接口如图4所示

2.2 传感器信号调理及接口电路

系统中,土壤温湿度传感器为昆仑海岸公司生产的JWSL-5VB保护型温湿度变送器,其输出信号为直流电压信号,范围为0～5V,温度与湿度信号从各自的通道输出,相互独立。传感器输出的信号经过线性转换处理后输入到S3C 44B 0X的AIN引脚,由S3C 44B 0X内部的ADC进行模数转换。S3C 44B 0X内部的ADC具有8个通道,每通道的分辨率为10bit,最高转换速率为100kSPS,输入带宽为0～100Hz,输入电压范围为0～2.5V,能够满足该系统数据巡回采集的需要。传感器信号调理及与S3C 44B 0X的接口电路如图5所示。

传感器输出的电压信号进入该电路之后,首先经过低通滤波。传感器输出的电压信号本身可能有不稳定因素,加上经过长电缆传送,此过程中还会受到其他设备的干扰,很多中高频噪声叠加到信号中,所以在信号进入处理器的ADC之前,先通过低通滤波器尽可能地把噪声和干扰滤除。这里使用一阶RC低通滤波器进行滤波,截止频率为15.92Hz,可以有效地衰减中高频干扰成分,较好地反映出信号的变化。传感器输出信号通过滤波器后,再经一级电压跟随器缓冲,由R 1和R 3组成的分压电路转换成0～2.5V的电压信号后,再经一级缓冲,最后送入处理器的AIN端口(温度信号送AIN 1,湿度信号送AIN 2)。

2.3 远程数据传输模块

系统利用GPRS网络进行无线通信,GPRS在分组交换模式下发送和接收数据,可以使不同的数据传输分享传输带宽,从而提供了一种高效和低成本的无线数据传输业务。将GPRS用于土壤温湿度的监测中,具有接入范围广、传输速率高、实时性好和维护容易等优点。

系统中采用Motorola公司的GPRS通信模块G 20[6],该模块内嵌TCP/IP和UDP/IP协议栈,在进行数据传输的时候无需花费额外的软件资源去实现网络通信协议。该模块的开发板上面有一个标准RS-232数据输出口(九针D-Sub接口),S3C 44B 0X自身的串口经过电平转换后便可与G 20模块进行通信。

使用ARM控制GPRS模块进行数据传输一般有两种方式:一是在移动GPRS网内利用APN业务进行点对点的数据传输,要求收发双方都包含GPRS模块;二是使用GPRS模块登陆GGSN网关,通过无线上网的方式将数据传到远端的PC机上。

基于保证实时性和降低通信成本的目的,选用方式二和UDP协议进行数据传输。

S3C 44B 0X初始化GPRS无线模块,使之登陆GPRS网络,通过拨号过程(号码、用户名和密码)建立PPP连接,获得网络运营商ISP动态分配给数传终端的IP地址,并与服务器固定IP之间建立Socket链接。该链接成功便可以进行远程数据传输了。

2.4 经纬度数据采集模块

系统选用Motorola公司出品的M 12模块[7]进行经纬度数据采集。该模块具有12个并行通道,可同时接收12颗卫星信号;定位精度为100m 2dRMS(有SA),无SA时,单点定位模式的精度优于25m;采用串行通信输出口;具有丰富的输出信息(纬度、经度、高程、速度、航向和时间),用软件可选输出速率(连续式或询问式电平接口数据接口M 12模块支持Motorola二进制格式和NMEA 0183格式两种的数据输出模式。在Motorola二进制模式下,M 12以9600bps的速率输出数据和接收指令;在NMEA 0183,M 12以4800bps的速率输出数据和接收指令。默认状态下,M 12模块工作在Motorola二进制模式下。S3C 44B 0X提供了两个独立的异步串行I/O口,这里使用COM 1接收来自M 12的数据,并对其发送相应的控制信息,保持M 12默认的Motorola二进制工作模式。

2.5 电源管理模块

数据采集子系统使用12V/40AH的铅酸免维护蓄电池供电。白天太阳能电池通过充电器对蓄电池充电,太阳能电池额定功率为34W,输出电压17V,输出电流2A;充电器过压和过流保护点分别设置为17.5V和2.5A,超过此值则停止充电。一般夏季7h就可充满,蓄电池可连续供电6d以上。为了防雷击,在太阳能电池上方设置避雷针。

3 软件设计

采集子系统的软件设计工作主要包括操作系统移植、主体程序设计和A/D转换微处理器程序设计3大部分。信息接收中心软件主要包括上位机软件、服务器应用界面和温湿度数据库等部分。

监测系统对实时性要求比较高,同时为了提高程序开发的效率,将实时性能比较好的嵌入式操作系统μC/OS-II移植到S3C 44B 0X上[8]。首先,系统在主函数中完成S3C 44B 0X的硬件初始化,接着完成操作系统中各功能模块的初始化,创建操作系统的5个任务,即主任务(传感器数据采集任务)、LCD显示任务、键盘扫描任务、GPS定位及数据采集任务和GPRS通信任务;其次,操作系统开始任务调度,其中主任务的优先级别最高。每1s进行一次数据的采集、处理和发送操作

PC机端在MatlabR 2007a的开发环境下,利用其自带的UDP/IP控件编制远程监测信息中心的数据采集、储存、处理及操作界面等相关程序。

4 结束语

本文研究建立土壤温湿度的嵌入式实时远程监测系统,该系统由现场数据采集子系统和信息接收中心两部分。数据采集子系统以嵌入式处理器S3C 44B 0X处理为核心,以μC/OS-II为平台开发采集器的控制程序,并以GPRS网络和Internet为载体将数据发送至远程信息中心。信息中心计算机收集数据,并自动处理、存储和显示相关信息。现场采集单元使用太阳能电池和蓄电池组合供电,并充分利用GPRS网络完善的无线接入和管理能力,使土壤温湿度数据的采集不受距离限制。用户可以根据实际需要将系统中的相关模块进行裁减和组合后用于其他监测领域。

摘要：针对森林土壤温湿度采集系统中的数据采集问题,以μC/OS-II操作系统为软件开发基础,设计了以S3C44B0X为核心的土壤温湿度数据远程实时监测系统。系统以土壤的温湿度和监测点的地理位置为监测对象,实时将温湿度和经纬度数据通过GPRS网络传送到远程的监测服务器。分析了系统各组成模块软硬件的功能与实现方法。

关键词：土壤墒情,温湿度,S3C44B0X,GPRS,GPS

参考文献

[1]何新林,郭生练,盛东,等.土壤墒情自动测报系统在绿洲农业区的应用[J].农业工程学报,2007(8):170-175.

[2]赵丽,刘兵.土壤墒情监测预报技术研究进展[J].现代农业装备,2007(11):38-41.

[3]李春杰,刘瑞霞.基于一种新型嵌入式系统级芯片的无线数据采集系统的设计[J].现代电子技术,2006(3):36-38.

[4]黄伟锋,俞龙,孙道宗.基于S3C44B0X和M12模块的GPS简易接收机的设计[J].现代电子技术,2007,30(21):22-24.

[5]田泽.嵌入式系统开发与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.

[6]Motorola.G20 cellular engine description[M].Aviv:Mo-torola Commun ications Israel Ltd.,2003.

[7]Motorola.Motorola GPS product-oncore user's guide[M].USA:Motorola Inc,2002.

嵌入式监测论文 第5篇

随着三网融合的不断推进, 广播电视新业务迅猛发展, 高清电视、视频点播、IPTV、手机电视等层出不穷, 电视台也从全模拟时代进入了数字压缩播出时代。特别是随着数字化网络化建设的不断深入, 基于流格式的数字电视信号在播控传输分发中的应用环节越来越多, 系统流程也越来越复杂, 而流格式的信号在系统中不再像原来模拟信号那样直观, 对其质量的控制也不能采用传统的手段。本系统以台内数字电视信号质量监控为例, 以硬件板卡为核心, 通过嵌入式系统架构对台内流格式的数字电视信号节点进行实时采样和分析, 提供相关的监测结果, 从而实现全面的节目质量监管自动化。

1 多层次监测的需求分析

1.码流层。对于数字电视信号的码流层, 主要是检查信号是否符合相关的协议和标准。如果信号不符合相关数字电视码流的各种协议和标准的要求, 那么在后续的节点上可能都会受到相应的影响, 甚至引起系统的不稳定, 对节目质量带来较大的危害。

2.内容层。内容层质量分析最接近于信号的最终表现分析, 目前这方面可以监测的主要包括黑场、静帧、单色、无声、台标错误等等。这些分析通常有两种方法:一是在流中直接检查相关的矢量、编码、变换系数等;二是将流格式信号还原成基带信号后再进一步分析。

3.高频/线路层。主要是对最终调制的高频或射频信号/线路信号技术参数进行分析, 通过信号的电平、信噪比、误码率、频偏等参数对比, 了解信号是否保持正常、质量是否有保障。

2 技术路线选择

目前常用的广播电视监测系统绝大部分基于PC机模式, 即由工控机、通用Windows操作系统、I/O板卡、专业测量板卡组成;或者以接收机堆叠方式, 即在各监测节点将信号引出, 通过接收机报警或输出图像的监看来获取监测信息。此类传统监测系统冗余庞大, 安全、有效性都存在隐患, 受限于PC机本身的不稳定性, 软件和系统的漏洞易受物理攻击和病毒入侵, 特别是设备板卡主要采用PCI、ISA、PC104等接口方式, 不支持热插拔, 而且报警信息需要通过SNMP协议巡检其他主机来获取, 有些设备甚至只能通过串口访问, 延时较大。

针对传统监测系统存在的种种缺陷, 我们采用嵌入式系统来实现对广播电视信号进行监测的方案。嵌入式系统以应用为中心, 以计算机技术为基础, 软硬件可裁剪, 适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用系统。

该嵌入式系统采用嵌入式处理器作为主处理设备, 采用嵌入式Linux操作系统, 用FPGA (现场可编程门阵列, Field Programmable Gate Array) 做码流缓冲与处理器的接口。监测设备中的监测处理和网络通信部分采用嵌入式软件实现。网络客户端的软件开发采用标准库屏蔽网络接口细节。

以电视台内应用为例, 系统采用嵌入式架构实现对台内各种流格式信号的质量监测, 可在数字电视中心、数字电视发射系统、数字电视有线传输系统和数字电视卫星传输系统等各个环节加入监测点, 包括基带信号、射频信号、中频信号, 如ASI信号以及CTTB、DVB-C、DVB-S、DVB-S2、ABS-S、CMMB信号等等。各监测点与多画面服务器、数据库服务器之间采用广播级数字化的Stream Net协议进行通信。同时嵌入板卡内置温、湿度监测模块, 可对工作环境参数进行实时监测和报警。通过对信号之间、设备之间、信号与设备之间、环境与设备之间的相互关系进行系统性的分析, 全面掌控系统运行状态。

如图1所示, 监测系统的核心是各种嵌入式板卡。根据需要监测的信号类型的不同, 选择不同类型的嵌入式监测模块。监测板卡分布在各个监测点机房内, 对各种监测信号进行采集、收录和实时分析。一方面, 将监测数据通过千兆网络传到数据库服务器中, 进行数据汇总、统计分析。另一方面, 监测板卡将数字电视信号进行TS over IP, 将打包后的电视节目信号通过网络传到多画面服务器以及存储服务器上进行画面内容监测以及存储。网络客户端是普通的PC机, 运行与数字电视监测设备相配套的软件包, 它从网络上得到各监测信号的情况, 还可以远程管理监测板卡, 实现更改监测频点、节目或对差错信号监测灵敏度调整等功能。工作人员可通过多画面、客户端实时掌握各监测点情况, 还可以通过客户端远程管理板卡。

3 硬件设计

数字电视信号如ASI信号是270Mbps, 采用LVDS电平。由于数据速率高, ASI信号的接收一般采用ASIC (专用集成电路, Application Specific Integrated Circuits) 芯片, 但这种专用芯片功耗大、功能单一、提供的信息不全面。随着FPGA技术的发展, 实现高速数据流的直接输入处理成为可能。通过数据缓冲接口, 实现数据恢复、解码和缓冲, 确保不丢数据的同时保证CPU资源的合理利用。

自动监测设备硬件电路设计如图2所示。

硬件系统采用嵌入式处理器+FPGA的方法, 即由嵌入式处理器完成操作系统、各模块控制、广播电视信号解调、CA接口、码流信号的分析处理等核心任务, 用FPGA完成信号输入处理、实时码流缓存、码流输出驱动等。

为了缓解CPU总线操作上的负担, 让CPU资源充分用于码流分析运算上, 保证监测信号输入不丢包, 采用在FPGA中加入一块实时码流缓存模块的方法来确保数据不丢失。实时码流数据最后经总线传到嵌入式处理器进行处理。

4 软件实现方案

嵌入式监测卡的软件主要由嵌入式操作系统、嵌入式驱动程序、测试分析处理、码流合成处理、嵌入式网络接口组成。其中操作系统和驱动程序属于操作系统层, 测试分析处理和码流合成处理属于应用层, 客户端网络接口和客户端监测接口库运行于客户端。参见图3。

基于Linux操作系统的开放性、稳定性和安全性, 监测板卡考虑到数字电视质量监测的实时性、可靠性要求, 采用嵌入式Linux内核设计。Linux采用单内核体系结构, 通过精细定制, 内核的所有部分都集中在一起, 这样能使系统的各部分直接沟通, 有效缩短任务之间的切换时间, 提高系统响应速度, 实时性好并提高了CPU的利用率。

嵌入式驱动程序作为硬件和系统之间的桥梁, 需要为各种监测模块板定制对应的驱动程序, 实现数据的正常输入输出和分析监测。监测点内数据流向如图4所示。

硬件接口读取FPGA缓存数据后交给CPU处理, CPU对数据进行高频分析、码流分析后, 监测数据和TS流通过网络发送到服务器。

高频分析和码流分析是监测点的核心部分, 按照相应的数字电视信号协议分析监测解调后的高频信息、码流数据。

CPU还可通过网络接口接收设置数据, 通过控制接口控制模块板。监测数据和TS流可根据用户设定的要求进行显示、报警等, 也可根据要求通过网络接口模块发向规定的网络。嵌入式监测设备允许通过网络连接客户端完成远程测试, 客户端网络接口一方面接收测试结果, 另一方面对嵌入端发送控制与请求, 实现交互。客户端监测接口库是一个标准C库, 可以方便地兼容各种测试平台, 与系统其它部分融合, 实现网络控制台集中管理, 形成完整的数字电视监测系统 (图5) 。

5 实现对流格式数字电视信号的多层次质量分析

1.数字电视信号传输过程中, 码流层各项指标的好坏直接反映了信号质量。嵌入式监测设备独立地对各设备的输入信号进行码流层的质量监测, 主要包括各个PID占用带宽监测、PCR分析、PSI/SI分析、TR101290监测等。

2.与传统的模拟电视相比较, 数字电视信号容易受到线路中噪声、畸变和干扰的影响。数字电视高频信息是反映数字电视信号质量的关键指标。高频信号一旦不正常, 需要及时报警并采取相应的措施, 因此需要对高频信号直接处理和分析, 认真研究各种状态下的高频信号的特性, 提高检测反应速度。

数字电视质量监测包括信号的频谱监测、功率监测、调制质量监测、误码率监测和基带监测。调制质量监测要求对数字电视信号进行解调, 分析其MER质量和信道估计质量等, 其中的难度在于精确解调各种数字电视信号, 输出星座图和MER等关键指标。

当监测射频信号时, 首先要经过高频调谐电路混频、锁相、滤波和放大, 这其中就要对输入信号的电平、频率偏移等指标进行相关的测试。射频信号经处理后成中频信号, 中频信号再经高速A/D处理, 进行数字信号的分析和解调。这里除按要求的信道编码标准解出码流外, 还要对信号的信噪比、误码率等参数进行测试分析, 从而得到信号传输的劣化情况。

系统在嵌入式监测设备中集成各种数字电视信号的解调电路, 对高频或射频信号/线路信号技术参数进行分析, 得到信号的电平、信噪比、误码率、频偏等参数。

3.在节目编辑制作过程中, 由于编辑人员疏忽, 可能会在节目中夹杂肉眼难以检查到的少量不正常画面。另外, 如卫星信号遭受非法信号攻击时, 由于TS流参数发生突变, 会导致数字卫星接收机解压缩输出的信号有静帧、黑场、台标丢失、视音频丢失等现象, 这些故障会一直持续到卫星接收机锁定到非法信号为止。因此通过监测信号的异常状态来抵制非法信号的攻击是一个非常可靠并行之有效的手段。

通过在嵌入式监测设备的视频检测模块中采用特殊的图像识别算法, 使得视频检测能够达到帧精度。检测模块中还采用独特的数学算法对被监测信号进行降噪处理, 使黑场、彩场等故障的漏报率大大降低, 提高系统检测的灵敏度和可靠度。同时设置台标屏蔽区域, 即使发生黑场、彩场、彩条等故障时有台标叠加其上, 故障也依然会被检测出来。

6 应用与实践

嵌入式监测系统以电视台内部局域网为依托, 共同协作, 可以为台内数字电视信号提供实时监测与报警, 以及故障的录制、回放、查询统计等功能。另外需要说明的是, 监测系统所使用的网络不需要与电视台的播出网络、非编制作网等连接, 所以不会对制播系统造成任何影响。

监测系统采用工业级控制的CPI架构设计, 与传统PC软件为核心的监测系统相比, 具有高兼容性、安全可靠、易扩展、易维护等优势。系统可实现多种实时信号的分析, 这种兼容只需要简单地在机箱中增加各类接口板卡即可, 系统结构和系统软件无需大的改变, 真正实现无缝升级, 最大化的满足监测需求。嵌入式平台多格式信号监测板卡采用高性能嵌入式设计, 支持热插拔, 板卡设置参数记忆在板卡的芯片上, 更换板卡不需手动重新设置任何参数 (如IP地址等) , 只需更换记忆芯片即可。

嵌入式监测论文 第6篇

1系统总体设计

无线心电监测系统的总体结构如图1所示。 人体心电信号通过2片银-氯化银电极采集后, 经高通滤波器送入BMD101采集器,经芯片内部放大、滤波、计算等处理后,输出心电数字信号并通过串口送入MCU。 MCU对BMD101输出的心率数据进行保存并转发至SPI口, 利用无线射频芯片nRF24L01将原始心电数据传输到接收端。 接收端nRF24LU1接收到数据后,通过USB与PC机通信,将数据传输至上位机软件进行滤波处理并显示和保存。

2系统硬件设计

2.1采集模块设计

BMD101是NeuroSky的第三代生物信号检测和处理片上设备。 它具有先进的模拟前端电路和灵活强大的数字信号处理结构。 模拟前端电路由低噪音放大器、感应器脱落电路以及ADC组成[2]。 BMD101具有极低的系统噪声和可控增益, 可以采集微伏到毫伏的生物信号,然后经NeuroSky的专利算法处理后利用16 bit高精度ADC转化为数字信号,以方便用户处理。 BMD101无需外围电路, 但为了达到最好的采集效果,本文对供电部分设计了额外的Pi型滤波电路, 使得电源纹波减小以抑制共模干扰,电路如图2所示。

2.2无线模块

nRF超低功耗系列是Nordic Semiconductor公司2.4 GHz低成本、 高性能的无线射频芯片方案, 传输速率可达2 Mb/s, 但功耗却非常低, 是传输速率和功耗的折中结合。 该系列nRF24LU1模块带有USB接口, 可方便地与PC机通信, 无需另外设计接收端。 故无线心电监测系统采用了Nordic nRF无线方案[3,4,5]。

发射端采用无线射频芯片nRF24L01, 利用ARM内核的低功耗处理器STM32L152RD将BMD101输出的心电数据从串口读出, 并转发至SPI口由无线射频芯片nRF24L01进行无线发射。 无线接收选择nRF24LU1模块作为接收端,该模块集成了无线射频芯片,增强型8051内核, 具有USB2.0接口以及PCB天线的单片SoC。 nRF24LU1接收nRF24L01发射的数据并转发到USB口传输给PC。 将nRF24LU1配置为HID设备[6,7]无需再开发额外的驱动程序,只需使用上位机程序调用API函数即可访问USB中的数据。 无线收发过程如图3所示。

3系统软件设计

3.1滤波处理

将提取出来的每个心电原始数据按时间进行描点, 即可绘制心电波形,纵坐标为相对幅值,单位设为1。 为优化心电波形显示效果,需对数据进行中值滤波抑制基线漂移和平滑滤波消除毛刺。 中值滤波和平滑滤波原理简单,计算量小,易于在单片机上实现。

3.1.1中值滤波

中值滤波是一种非线性平滑信号处理技术,它把数字序列中一点的值用邻域中各点的中值来代替,可以有效抑制心电信号中的基线漂移噪声。 中值滤波原理为: 设有一个一维序列x(1),x(2),…,x(m),取窗口长度为n, 序列以外的值皆当作0,则:

式中,MEDIAN取中值操作,即当n为奇数时,对窗口中n个数进行排序, 并取第(n +1)/2个数做为输出; 当n为偶数时,对窗口中n个数进行排序,并取第n/2与第n/ 2+1个数的平均值做为输出。

3.1.2平滑滤波

实际采集到的心电信号中通常存在不规则的随机干扰,绘制成的心电曲线毛刺较多,呈折线状。为了消除或减弱这些随机干扰,需对数据进行平滑处理。 移动平均法原理为:设有一个一维序列x(1),x(2),…,x(m),按数据点的顺序逐点推移求出N个数的平均数, 即可得到移动平均数:

式中y(k)为第k个移动平均数,x(k)为第k个观测值,N为移动平均的期数,即求每一移动平均数使用的观察值的个数。 移动平均法随着移动平均法的期数(即加大N值)以及次数的增高会使曲线平滑效果更好,但过高的期数和次数会使得预测值对数据的实际变动更不敏感。 综合考虑平滑强度和波形保真效果,本文设计的系统采用2次5点移动平均来平滑波形,即连续进行2次N=5的移动平均。

中值滤波和平滑滤波效果如图4所示,图4(a)为原始信号,图4(b)为中值滤波后信号,图4(c)为平滑滤波后信号。 可以看到心电信号中的基线漂移噪声已被有效滤除,而随机干扰毛刺也得到了较好地抑制。

3.2上位机应用程序

上位机软件在Microsoft Visual Studio 2010开发环境下编程, 其丰富的控件和函数库使软件设计更为简单。 通过Windows的API函数即可方便地访问USB设备,大大缩短了程序开发周期。 通过与Matlab混合编程,简化了程序中滤波处理的代码。 系统设计了一个友好的图形化人机交互界面, 功能包括控制USB设备的打开与关闭、 心电数据的接收、数据包的解析提取、ECG波形绘制、 实时显示心率以及ECG数据存储和心电波形保存等。 应用程序界面如图5所示。

基于BMD101采集芯片和Nordic nRF超低功耗无线方案的无线心电监测系统,实现了低功耗下的嵌入式实时心电监测。系统运行稳定,功耗较低,且具有良好的可扩展性。采用的滤波处理算法效果好,原理简单,计算量小,易于移植在单片机上处理并显示。 随着人类在健康和娱乐方面需求的不断增加,本文设计的无线心电监测系统在便携式健康监测、智能设备娱乐以及运动和训练等方面具有广阔的应用前景。

摘要：设计并实现了一种基于采集芯片BMD101的嵌入式实时无线心电监测系统。系统针对易携带,体积小,重量轻,功耗低的特殊应用需求而设计,用户只需2根手指即可实现心电数据的无线采集并实时显示,所采用的心电滤波及抗干扰措施有效提高了心电波形的准确度。系统运行稳定、扩展性好,可满足便携式心电监测,运动训练,娱乐等需求。

嵌入式监测论文 第7篇

物联网就是利用局部网络或互联网等通信技术把传感器、控制器、机器、人员和物等通过新的方式联系在一起,形成人与物、物与物相联,实现信息化、远程管理控制和智能化的网络[1⁃3]。大型物联网设备涉及的数据量较多,易受到恶意节点入侵,因此,需设计一种有效的监测系统,以保证大型物联网设备的安全性[4⁃6]。

目前,有关智能监测系统的研究有很多,相关研究也取得了一定的成果。文献[7]提出一种模拟信号监测系统,该系统主要包括摄像机、监视器、视频矩阵等,以模拟信号的形式对图像信息进行输送,通常应用于小区域内的监测;但该系统受到传输距离的限制,不能入网,监测方式过于单一。文献[8]提出一种基于PC的监测系统,该系统在监控终端安装若干个摄像机和视频采集设备,通过视频压缩卡对采集到的图像信息进行处理后,传输至监测中心;该系统功能较多,适用于现场操作,然而其稳定性较低,视频前端较为复杂,可靠性不高。文献[9]分析了一种阈值监测方法,将随机采集的数据点作为基本单位完成对事件的监测,依据监测数据之间的关系对容错进行检测,避免错误数据产生的负面影响;但该方法需要监测对象的先验知识,且无法根据实际情况自适应调整检测状态。针对上述方法的弊端,设计了一种智能嵌入式监测系统,给出了系统的总体结构,详细介绍了S3C2440处理器、RS 232串口、蜂鸣器、SD卡、NAND FLASH存储器和传感器的硬件结构。软件设计时,给出了系统的程序开发流程和建立Qt/Embedded项目文件的详细代码。实验结果表明,所设计系统整体性能优越。

1 智能嵌入式监测系统总体设计

本设计将S3C2440处理器作为核心控制器,在嵌入式平台上,依据传感器采集的监测数据对大型物联网设备的异常进行监测。当传感器向处理器传输的数据值高于报警阈值时,处理器将利用LCD液晶屏对结果进行显示,同时发出蜂鸣报警,把高于阈值的数据保存至嵌入式数据库中。系统总体结构如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 S3C2440处理器设计

S3C2440处理器是整个系统的核心,系统主要通过S3C2440处理器对大型物联网设备中的数据进行接收、显示与处理,以达到实时监测的目的。S3C2440处理器的硬件结构如图2所示。

S3C2440是一种性能非常高的32位微控制器,外围设备接口充分,能够使系统能耗达到最低。S3C2440处理器外扩FLASH和64 MB存储芯片,通过I/O接口扩展LCD屏、蜂鸣器和存储卡等设备,和JNS121模块共同完成无线通信。

2.2 RS 232串口设计

为了提供一个良好的硬件平台,本文选用由三星公司提供的YC2440开发板。通过YC2440开发板的扩展串口,利用S3C2440处理器的内部寄存器与UART接口有效实现RS 232串口功能,RS 232串口电路图如图3所示。

图3中,S3C2440芯片的管脚电平C401是1.8 V,因此,I/O口的逻辑电平C402最大只能达到3.3 V。为了使RS 232串口实现通信,还需在硬件上添加TTL电平至RS 232电平的转换电路,YC2440开发板焊接了SP323EEN芯片以实现转换电路的添加。

2.3 蜂鸣器硬件设计

本设计采用YC2440开发板上的蜂鸣器进行蜂鸣报警,蜂鸣器电路如图4所示。

当传感器向处理器传输的数据值高于报警阈值时,蜂鸣器被开启,通过BUZZER发出各种频率的声音,实现蜂鸣器报警。

2.4 SD卡电路设计

S3C2440处理器带有一个SD主机控制器,其兼容了SD协会(SDA)的标准规范,能够将外部存储设备直接和主机相连。SD卡电路图如图5所示。

SD卡的接口性能很强,访问速率可达50 MHz,具有8位数据引脚,其外部存储功能主要是通过YC2440开发板焊接的SDMMC芯片实现的,有助于应用程序的开发。

2.5 存储电路设计

所设计的大型物联网设备中智能嵌入式监测系统的内部存储器选用FLASH存储器。FLASH主要用于对操作系统与应用程序进行保存,包括NAND FLASH与NOR FLASH两种。NAND FLASH不仅存储空间大,且所需费用较低,所以本系统选用K9F2G08U0A型号的NAND FLASH芯片,其电路图如图6所示。

K9F2G08U0A的存储容量是2 GB,能够满足系统要求,存储功能主要通过K9F2G08芯片实现。存储器输入电压为1.5~1.8 V。I/O0~3是芯片的数据输入/输出端,如果将其看作写入端,可输入数据与命令,如果将其看作输出端,可读取数据。CLE与ALE主要用于命令锁存使能端与地址锁存使能端。

2.6 传感器模块

传感器主要用于对大型物联网设备中的数据进行采集,选用SHT11传感器,其是一种单芯片传感器模块,具有很高的可靠性与稳定性,且抗干扰性强,成本较低。将传感器无缝耦合至一个14位模/数转换器中,发送至S3C2440处理器上的串行接口电路。SHT11具有2线串行接口与内部电压调节功能,对数据的变化敏感,采集精度为±0.4,完全满足系统要求。图7描述的是S3C2440和SHT11的接口电路,S3C2440利用I2C总线对SHT11进行管理。

3 系统软件设计

3.1 程序开发流程

Qt是一种依据C++的跨平台GUI系统,可为用户提供建立图形界面的强大功能。Qt/Embedded为Qt的嵌入式版本,更加适合嵌入式环境。建立Qt/Embedded开发环境后,需对其程序进行设计,所设计系统的程序开发流程如图8所示。

3.2 建立Qt/Embedded项目文件代码设计

分析上述系统程序开发流程可知,建立Qt/Embed⁃ded项目文件代码是整个软件设计的基础和核心,因此,对其实现代码进行设计:

4 实验结果分析

4.1 实验环境

为了验证本文设计系统的有效性,需要进行相关的实验分析。实验将模拟信号监测系统作为对比,在表1描述的环境下进行实验。

PC机配置如下:Window 8.0,CPU为Intel Pentium Dual Core。

4.2 监测精度测试

分别采用本文系统与模拟信号监测系统对大型物联网设备进行智能监测,对两种系统的查全率与查准率进行比较,结果如表2所示。

%

分析表2可知,随着监测数据量的逐渐增加,本文系统和模拟信号监测系统的查全率与查准率均逐渐降低,但和模拟信号监测系统相比,本文系统的查全率与查准率下降幅度较小,说明本文系统具有更高的监测精度。

4.3 监测实时性测试

为了验证本文系统的监测实时性,对本文系统与模拟信号监测系统的最大响应时间和最小输出延迟时间进行比较分析,结果如表3所示。分析表3可知,和模拟信号监测系统相比,本文系统的最大响应时间与最小输出延时均较优,说明本文系统不仅监测精度高,而且实时性较强。

s

为了进一步验证本文系统的有效性,对本文系统和模拟信号监测系统的运行数据进行比较分析,结果如表4所示。

分析表4可知,当监测数据量相同时,本文系统的CPU使用率、服务器响应时间、磁盘使用率和服务器响应均明显优于模拟信号监测系统,进一步验证了本文系统的有效性。

5 结论

本文设计了一种智能嵌入式监测系统,给出了系统的总体结构,将S3C2440处理器作为核心控制器,依据传感器采集的监测数据对大型物联网设备进行异常检测,当传感器向处理器传输的数据值高于报警阈值时,处理器将利用LCD液晶屏对结果进行显示,发出蜂鸣报警,把高于阈值的数据保存至嵌入式数据库中。详细介绍了S3C2440处理器、RS 232串口、蜂鸣器、SD卡、NAND FLASH存储器和传感器的硬件结构。软件设计时,给出了系统的程序开发流程和建立Qt/Embedded项目文件的详细代码。实验结果表明,所设计系统不仅监测精度高,且实时性强,整体性能优越。

参考文献

[1]刘佳.物联网技术的嵌入式矿下环境监测系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2015,15(9):73-76.

嵌入式监测论文 第8篇

1 系统组成

本系统主要完成对GSM-R信号的受干扰情况进行实时监测，一旦发现信号受到干扰，则实时上报数据处理中心并进行监测结果的显示和数据的存储，为确保GSM-R系统的通信质量和铁路运行安全提供保障。同时，数据处理中心能够通过网络向监测终端下达指令实现对监测终端的远程控制操作，以及监测终端的复位、自检和时间统一，确保监测终端能够长时间正常运行。

如图1所示，GSM-R监测系统所采用的硬件平台由一个数据处理中心及若干个监测终端组成。监测终端利用GSM-R网络与数据处理中心进行数据通信。其中监测终端由数据采集模块、双核处理器以及4个调制解调器(MODEM)(GSM移动、GSM联通、CDMA、GSM-R)等部分组成。

双核处理器采用TI公司的OMAP-L138，集成了300 MHz ARM926EJ-S内核及300 MHz C6748VLIW DSP核，借助于双核处理器的高速运算来对GSM-R数据进行接收解析操作，效率较高。

4个MODEM通过串口服务器与双核处理器相连。系统在监测到GSM-R信号受到干扰时，会根据所受干扰类型的不同，通过Linux操作系统下发AT指令到相应的MODEM以获取受干扰小区和干扰源小区的配置信息。

2 关键技术设计

2.1 硬件数据采集结构设计

硬件数据采集结构设计如图2所示。

本系统监测GSM-R的频率范围是上行885～889 MHz频段，GSM-R下行930～934 MHz频段，GSM-R频率信号通过高频接收模块，变频后输出70 MHz中频信号，中频信号经过数字下变频的A/D采样、变频、滤波和速率转化处理后输出I&Q数字中频信号，然后通过PCIe送入计算处理模块中进行处理，直接上传到双核处理器中。双核处理器把接收到的GSM-R数据进行干扰监测处理后，上传处理结果到数据处理中心。

2.2 软件系统结构设计

监测系统软件在嵌有OMAP-L138双核处理器的平台上开发，交叉编译器为Sourcery G++Lite 2009q1-203for ARM GNU/Linux。本系统软件流程：双核处理器首先开机自检，设备初始化成功后与数字处理中心建立连接，接收指令操作。首先监测终端对接收的网络数据包进行长度、数据校验位、标识位的判定，如果发现其中一个不正确，则双核处理器向数据处理中心发送错误警告信息，要求数据处理中心重新发送指令并清除刚刚接收的错误网络数据包，等待下一个网络数据包的到来，直到判定无误后再进行功能模块判定。

如图3所示，本系统软件主要分为3大功能模块：监测控制模块、数据处理模块、数据解析模块。如果为远程控制监测终端指令，则进入监测控制模块进行监测终端的管理操作;如果为干扰监测指令，则进入数据处理模块进行干扰分析，并利用数据解析模块确定受到干扰的GSM-R基站ID和对GSM-R信号造成干扰的基站ID，其中3个功能模块利用多个线程协同工作，共同完成GSM-R监测功能，为铁路人员排除干扰提供依据。

2.2.1 监测控制模块设计

监测控制模块主要完成数据处理中心对监测终端的管理功能，完成远程复位、自检、时间同步等功能。双核处理器作为客户端和数据处理中心，在建立TCP/IP连接之后，不断接收数据处理中心发送的网络数据包。自定义传输网络数据包格式如表1所示。

信息类别码：由信息种类和信息内容组成，信息种类用以说明监测站编号，0～20可选择。信息内容分为两部分：一部分是数据处理中心发送的内容，包括自检操作、复位操作、时间同步操作;另一部分为双核处理器发送的内容，主要包括干扰内容。

2.2.2 数据处理模块设计

通过硬件数据采集模块可以得到GSM-R上下行信道的通信频段数据，通过数据处理模块进行GSM-R信号数据分析，如有干扰，则将数据按照自定义协议打包存储，通过网络发送至数据处理中心。

如图4所示，数据分析主要包括：(1)通过信噪分离算法，分离出异常信号和通信信号。(2)通过GSM-R干扰判定算法，判断出当前GSM-R上、下行通信频段底部噪声和通信信号的受干扰情况。(3)通过数学方法，实时显示当前信号的统计学特性。

信噪分离算法是通过判定GSM-R通信系统中通信信号与底部噪声的门限来区分是否为正常信号，即大于门限值的，认为是通信信号;小于门限值且已经影响到正常的GSM-R通信的，则认为是底部噪声。GSM-R干扰判定是在发生干扰时，通过比对受干扰的通信信号和底部噪声的频点模板，判定出干扰类型。根据自定义双核处理器和数据处理中心传输的网络数据包格式，自定义干扰类型如图5所示。

图5中，GSM-R同频干扰是指所有落到GSM-R通带内的与有用信号频率相同的无用信号的干扰，即指无用信号的载频与有用信号的载频相同，并对同频有用信号的接收造成影响的干扰。当GSM-R基站布网不合理、频率复用不当、频率规划或频点设定不正确时，可能会引起同频干扰。通过当前通信链路状态模块获取GSM-R频段的参数进行比对，若为GSM-R同频干扰，则将数据按照自定义协议打包，迅速发出告警信息，通过网络发送至数据处理中心。

GSM基站干扰是指GSM和GSM-R按地域共用一小段频率。在直辖市和省会城市，GSM-R的覆盖范围小于铁路两侧各2 km，其他地区小于铁路两侧各6 km，如果这两个网络布局不理想就会产生干扰。通过当前通信链路状态模块获取GSM频段的参数进行比对，若为GSM基站干扰，则将数据按照自定义协议打包，迅速发出告警信息，通过网络发送至数据处理中心。

CDMA带外干扰是指CDMA使用频率范围下行为870 MHz～880 MHz，与GSM-R的频域范围只有5 MHz的保护带，且CDMA采用扩频技术进行数据通信，所以只要CDMA系统的带外信号落在GSM-R通带范围内且幅度达到一定值，就会对GSM-R信号产生干扰。通过参数比对，若为CDMA带外干扰，则迅速发出告警信息并上传数据处理中心。

噪声干扰和不明干扰也是不可避免的干扰。双核处理器通过与预处理的模板参数比对确定干扰类型之后，将执行结果按照协议打包，通过网络发送至数据处理中心;同时数据处理中心将收到的数据进行解析，汇总监测终端的实时监测结果，在电脑上显示并存储到数据库，以便工作人员进行综合处理，完成对监测终端的状态和实时数据的监控。

2.2.3 数据解析模块设计

通过数据处理模块可以判别出GSM-R同频干扰、GSM干扰、CDMA带外干扰、噪声干扰和不明干扰。数据解析模块的功能是根据干扰类型的不同，使用不同的MODEM来对小区信息进行解析，分析出受干扰小区和干扰源小区的配置参数。

(1)受干扰小区参数解析

利用GSM-R MODEM和数据处理模块所得结果进行分析。首先，数据处理模块返回GSM-R受到干扰的频点，应用GSM-R基站发射信号中心频率转换公式求出该频点对应的广播控制信道号。具体转换公式如下：

启动GSM-R MODEM执行小区信号强度扫描指令，求出该广播控制信道号对应的载波配置，即确定对应的小区。接着执行小区扫描指令，求出监测终端所在服务小区和邻近小区的信息，进行广播控制信道号比对，进而确定受干扰小区的ID。

(2)干扰源小区参数解析

如图6，双核处理器通过控制各个MODEM进行串口操作来获取干扰源基站的配置情况(包括基站ID、运营商编号、载波配置、BCCH载波信号强度等)。用户可以根据监测终端报告的干扰类型、信号强度及信号解码结果初步定位干扰源。同时将解析数据上传数据处理中心。

3 结论

对数据采集模块采集的GSM-R频段数据用软件Cool Edit Pro V2.1观察接收的数据波形情况，得到I/Q两路数字中频信号。图7显示了通过数据采集模块接收的GSM-R时序的I/Q数字中频信号。

数据采集模块接收GSM-R信号之后，监测终端能自动对GSM-R频段进行实时监测，发现异常信号时上传至数据处理中心。同时还能接收数据处理中心的远程控制指令，完成远程复位、自检、时间同步等操作，方便数据处理中心对监测小站的管理。

数据处理模块通过简单方便的判定方法完成对接收的GSM-R信号的监测和干扰分析判别，有效地提高了干扰识别的实时性。数据解析模块通过4种MODEM完成对受干扰小区ID和干扰源小区ID的解析，可降低成本。

本系统可以完成对GSM-R实时监测和干扰类型的预处理分类，以及解析出基站配置信息，使得分析干扰识别更具有针对性，能够改善和优化GSM-R通信性能和质量，对于开发其他监测GSM-R系统有一定的参考价值。

摘要：目前绝大多数GSM-R数据监测装置是以PC机为控制器,通过移动监测车辆搭载复杂的设备对铁路沿线的GSM-R信号进行监测。针对此状提出了一种以OMAP-L138作为嵌入式微处理器的GSM-R便携式数据监测系统。本系统利用GSM-R网络,通过监测终端的数据采集模块接收GSM-R数字中频信号,数据处理模块完成GSM-R数字中频信号的监测和干扰分析。若存在干扰,数据解析模块则解析出受干扰小区ID和干扰源小区ID,使分析干扰更具有针对性。该系统体积小,功能丰富,操作控制方便,具有广阔的前景。

关键词：嵌入式Linux,GSM-R,监测系统,CDMA,GSM

参考文献

[1]刘涛,吴江涛,王强.GSM-R动态监测系统[J].铁道通信信号,2011,47(1):55-56.

[2]龙腾.GSM-R网络中同频干扰检测与分析[J].铁道通信信号,2008,44(2):48-50.

[3]尹福康.GSM-R在铁路通信中的作用[J].中国铁路,2006(6):12-14.

[4]陈嵩,沙斐,周克生.基于嵌入式以太网技术的便携式数据采集系统[J].电子测量与仪器学报,2007,21(6):62-66.

[5]戴美泰.GSM移动通信网络优化[M].北京:人民邮电出版社,2003.

[6]钟章队.铁路综合数字移动通信系统(GSM-R)[M].北京:中国铁道出版社,2003.

[7]孙宝臣,杜彦良,李剑芝,等.基于GSM-R的青藏铁路冻土地温自动监测系统[J].铁道学报,2009,31(5):125-129.