基于A(yíng)RM7的軌道檢測儀的嵌入式系統設計

　　摘要：描述了一種以軌道檢測儀的為應用目標的ARM7嵌入式系統的設計過(guò)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建了系統的硬件平臺，運用ARM特有的中斷處理機制實(shí)現了數據采集、數據處理和人機互交對軟件的實(shí)時(shí)性要求，該設計已成功的用于軌道檢測儀樣機。

　　關(guān)鍵詞：ARM7;S3C44B0;快速中斷;軌道檢測儀

　　1 引言

　　對鐵路軌道進(jìn)行靜態(tài)幾何參數的檢測是鐵路部門(mén)的一項常規工作，使用便攜式軌道檢測儀能大幅降低檢測人員的工作量。這種智能測量技術(shù)不僅可以提高測量的精度和可信度，還能提供現場(chǎng)的和后續的軌道數據分析，極大的提高了軌道檢測工作的質(zhì)量和效率。便攜式軌道測試儀對嵌入式計算機系統的功能和性能提出了許多新的需求：高實(shí)時(shí)性、高運算性能、高集成度、低功耗、低成本。傳統單片機系統雖然能完成一般的控制任務(wù)，但其運算能力太低，不足以滿(mǎn)足現場(chǎng)數據處理的要求，由基于SoC思想設計的ARM系列微處理器構成的嵌入式系統便能良好的滿(mǎn)足上述要求。ARM核以高性能低功耗著(zhù)稱(chēng)，再配以IC制造廠(chǎng)商提供的大量片上外設，使得ARM系列處理器擁有非常優(yōu)良的嵌入式應用性能。本設計中采用了三星公司制造的ARM7TDMI核處理器S3C44B0完成控制和運算工作，12位高性能AD轉換器MAX197完成傳感器信號的轉換，USB主控制器CH375完成數據到U盤(pán)的轉存，系統也包含了液晶屏、鍵盤(pán)、微型打印機等其他必要的外設。

　　2 系統設計要求

　　2.1 測量原理

　　軌道檢測儀的測量原理如圖1所示，傳感器由一個(gè)裝有滾輪的機械支架固定，操作人員在軌道上推行該檢測儀。位移傳感器測量軌道AB之間的間距d，傾角傳感器測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)滾輪上用于記錄當前的里程L。軌道檢測儀可以設置采樣間隔，范圍0.5m-1m。當里程達到采樣間隔時(shí)，將當前里程L、軌距d、超高h和三角坑t作為一條記錄保存起來(lái)。

　　機械支架在推行過(guò)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)，因此需要對傾角信號進(jìn)行濾波處理才能減小測量誤差。

　　圖1軌道測量原理圖　Fig. 1 Principle of track measure

　　2.2 性能需求

　　軌道檢測儀的工作流程如下：使用AD轉換器以33Hz的采樣頻率對位移和傾角傳感器的信號進(jìn)行采樣，然后對前80個(gè)傾角采樣值進(jìn)行一次濾波運算，當里程每增加5cm時(shí)，將當前的軌距和超高保存至隊列，當里程達到采樣間隔時(shí)，則根據隊列里的數據算出三角坑，然后與軌距和超高作為最終數據一并保存起來(lái)。因此系統需要一個(gè)定時(shí)器，并且能在30ms內完成一次濾波運算。位移傳感器量程為5cm，轉換關(guān)系為1V/1cm，傾角傳感器量程為±10º，轉換關(guān)系為1V/1º，軌距、超高和三角坑的顯示分辨率要求達到0.1mm。因此AD轉換器需要擁有12位的精度。此外還需要實(shí)現U盤(pán)存儲、現場(chǎng)打印、時(shí)鐘、液晶顯示、鍵盤(pán)輸入等功能。

　　3 硬件設計

　　3.1 硬件整體設計

　　ARM7系列的處理器的型號較多，設計使用了較為常見(jiàn)的三星公司生產(chǎn)的S3C44B0，它包含了一個(gè)運算能力強大的ARM7TDMI核和大量實(shí)用的外設[1]。根據應用的實(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轉換器，采樣速率可達100ksps，完全滿(mǎn)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)生器和基準電路，數據接口也可與通用控制器直接連接。MAX197以簡(jiǎn)潔的電路提供了相當高的性能，是嵌入式應用的理想選擇[2]。

　　CH375是一個(gè)USB總線(xiàn)的通用接口芯片，支持主從兩種方式，主機方式支持常用的USB全速設備。它內置了處理Mass-Storage海量存儲設備的專(zhuān)用通訊協(xié)議的固件，外部控制器可以直接以扇區為基本單位讀寫(xiě)常用的USB存儲設備[3]，提供了一個(gè)實(shí)用的嵌入式設備的U盤(pán)存儲方案。

　　圖2硬件結構框圖　Fig. 2 Picture of hardware structure

　　系統的框圖如圖2所示。其中S3C44B0的IO引腳由3.3V的LVCMOS驅動(dòng)，最高輸入電壓為4.6V[1]，因此總線(xiàn)在掛接MAX197和液晶屏等5V邏輯電平的外設時(shí)應該加上總線(xiàn)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。