基于pc104主板的工程机械前端监控系统的研究与开发-凯发线上官网

传统的采用一般电控技术的工程机械产品，由于技术含量较低、逐渐失去市 场竞争力。随着科技的进步和现代施工项目大型化的要求，新一代工程机械不仅 需要实现集成化操作和智能控制，而且需要它们能够组成基于网络的智能化机群 协同控制系统，以获得施工项目的高效、低耗，并在尽可能短的时间内完成施工 项目。因此，开发出一套既能实现本地的集中控制、监视与维护，同时还可以通 过现有的无线网络和 internet 实现远程的监控、诊断以及调度的工程机械监控系 统已成为国内一项热门课题。 本文针对移动式工程机械远程监控系统的功能需求，重点围绕其中的机载前 端监控系统进行研究与开发，构建了一种实现远程监控系统的三层结构模型，提 出了基于 pc104 嵌式 linux 的机载前端监控系统的凯发线上官网的解决方案；为了解决嵌入式 linux 操作系统在 pc104 上的实现问题，深入分析与研究了其内核裁减、文件系 统裁减、引导选择等技术；研究了 linux 下字符设备的驱动程序开发方法，并完 成了 can 驱动程序的设计工作；比较了几种常见嵌入式 gui 的特点，通过对在 linux 下将minigui 移植到pc104 的嵌入式系统中所要做的工作进行研究和总结， 提供了一种利用 minigui 实现嵌入式系统中图形用户界面的开发技术；研究了 linux 下的串行通信技术，基于 vc312 图像采集卡构建的图像采集系统实现了对 工程机械工况的四路视频监视，采用 gprs dtu 模块，解决了移动式工程机械的 远程无线上网问题。 本文研发的机载前端监控系统已经与工程机械远程监控系统的底层的安全监 控装置和模拟的远程监控中心进行了联调，实验结果表明，该系统人机界面友好， 使用操作方便，且具有通信正确、稳定可靠、速度可以达到实际应用的要求等特 点，

随着世界工程机械的蓬勃发展，中国的工程机械行业也同样面临着良好的发 展前景，为了实现 2010 年国民生产总值比 2000 年翻一番的经济发展目标，基础 工业必须与国民经济的发展相适应，今后一段时期内中国将在水利、能源、交通、 通信和重要原材料工业及城乡建设方面兴建许多大型工程。十五期间全国水利建 设总投资约 5300 亿元，公路方面兴建包括五纵七横的内地国道主干线。铁路方面 京泸高速铁路等重大工程建设，五年内新建铁路 5340 公里。城市公共建设方面今 后 10 年内将新增住宅面积 100 亿平方米，仅北京为了迎接 2008 年奥运会就将投 入 1800 亿元进行城市基础建设，这些工程预计土石方总量 400 亿立方米以上，年 混凝土达 3 亿立方米以上。据统计，对工程机械的总需求量在“十五”期间预计将 比“九五”期间增加 40%左右，到 2005 年对推土机、装载机、工程起重机械、叉机、 筑路机械、挖掘机械、混凝土机械等主要机种的年需要量约在 16 万台以上，仅仅 2001 年国内工程机械销售额达到约 550 亿元。 国内工程机械行业日益快速的发展，随着市场的进一步扩大，在未来几年内， 传统的采用一般电控技术的工程机械由于价格因素，仍然会是市场的主流。但由 于这类产品技术含量较低，厂商竞争激励，市场必然会很快趋于饱和。在这种情 况下，企业的竞争力就只能依靠高端的先进产品带动，因此开发智能化、微型化、 网络化的工程机械监控设备对于国家的工程机械行业发展和企业的发展就显得尤 为必要。基于上述考虑，开发一套实现本地的集中控制、监视与维护，同时还可 以通过现有的无线网络和 internet 实现远程的监测、控制、诊断与维护以及调度 与管理的工程机械监控系统是非常有必要的。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外新技术发展现状与趋势 近年来，随着建筑施工和资源开发规模的扩大，对工程机械需求量迅速增加， 因而对其可靠性、维修性、安全性和燃油经济性也提出了更高的要求 [1] 。随着微 电子技术向工程机械的渗透，现代推土机日益向智能化和机电一体化方向发展。 自 20 世纪 90 年代以来，国外工程机械进入了一个新的发展时期，在广泛应用新 技术的同时，不断涌现出新结构和新产品。继完成提高整机可靠性任务之后，技 术发展的重点在于增加产品的电子信息技术含量和智能化程度，努力完善产品的基于pc104 的工程机械前端监控系统的研究与开发 2 标准化、系列化和通用化，改善驾驶人员的工作条件，向节能、环保方向发展 。 

国内相关产品现状 目前国内的的工程机械监测系统的比较具有代表性的水平，一种是以 mcs-51 系列的单片机作为主要逻辑部件，另一种以 plc 为主，辅以其它外围电路进行逻 辑控制。从目前的发展看，国内常规的工程机械依旧存在着控制能力弱、维护成 本高、设备功能少等不足之处。具体表现在如下几个方面： 1.目前在我国工程机械中，各种前端单元控制和管理都是独立的，即为每个 单独子系统配一套管理控制器、显示板、开关、功率切换元件、连接器，及大量 的导线。随着独立配置的子系统增多，系统电、液、气布线出现复杂、乱、多的 现象更加严重，一方面硬件利用率低，操作人员要同时面对许多不同的仪表信息 状态来控制操纵执行机构，负担重，容易出错；另一方面导致整个系统的可靠性 变差、工作效率低。 2.每个单元控制子系统都是一个独立的信息孤岛，系统中存在不同的控制信 息，控制系统中具有不同的厂家的设备，信号模式各不相同，难以实现有效的信 息交换和资源共享，无法获得整个系统的全面运行状况 。 3.人机界面往往只是简单显示和开关等，对操作复杂、参数多的工程机械的 操作人来说操作不便，负担重，而且这样对操作人员的熟练程度要求就比较高。 基于pc104 的工程机械前端监控系统的研究与开发 4 4.由于工程机械施工的机群化需求日益显现，而现有工程机械只是单一集中 控制，彼此孤立，想要对恶劣的施工现场的工程机械群实施调度相当困难，很难 全面有效的协调完成各种工程机械共同作业和运动路径规划。并且如果工程机械 出现突发性故障，维护成本增加，甚至在出现故障时无法及时得到凯发线上官网的技术支持而产 生停机，使施工进程受阻 。 嵌入式 linux 在pc104 工控板上的实现 目标是要在一块配置为集成有 386cpu、4m 内存、vga 显示卡、串口、8mdoc、 ide 接口、键盘接口、crt 接口的 pc104 主板上实现一个能从 doc （disk-on-chips）启动并能运行 linux 的 shell 的嵌入式 linux。 3. 基于 linux 操作系统的硬件驱动开发 重点是 can 驱动的开发。 4. 基于 linux 操作系统的 gui（graphical user interface，图形用户界面）开 发 5. can 现场总线在机械监控系统中的研究与应用 6. gprs（general packet radio service，通用无线分组业务）的研究与应用  2.2.2 软硬件划分问题 在本系统中，存在着以下几个软硬件划分的问题： 1.主板实现问题 由于本系统功能相对复杂，简单的单片机无法实现。所以硬件选项有两种方 案，一种是选用 arm，来自己制板；另一种是选用合适的 pc104 工控板。若选 用 arm 制板，势必增加开发的工作量，影响整个项目进度。而采用 pc104 工控 基于pc104 的工程机械前端监控系统的研究与开发 8 板，明显加快项目的开发进度，而且系统可靠性也得以保证 [5] 。所以本系统选择 了思泰基的 sx-340 工控板。 各集团用户监控 调度中心 网络服务中心 远程遥控 遥测终端 服务或用户移动 监管站点 现场遥控作业台 gsm/ gprs网络 机载前端监控主机 无线传输装置 人机交互装置 机载视频模块 can 总线接口 安全 控制 系统 电液 比例 控制 系统 电子 节能 控制 系统 发动 机 ecu 系统 其他 控制 系统 …… 机载传感器接口 远 程 监 控 中 心 机 载 前 端 监 控 系 统 前 端 各 单 元 控 制 系 统 图 操作系统选型问题 操作系统可供选择的方案很多，比如 vxworks、wince、psos、嵌入式 linux 等操作系统。由于嵌入式 linux 完全开放源代码，使得修改、裁剪 linux 成为可 能；而且是自有软件，无需购买操作系统；拥有丰富的实用软件支持，所以可以 极大地减少嵌入式系统软件开发的时间和费用，提高系统的可靠性。基于开发成 本、开发进度和系统的稳定性等因素的考虑，我们选择了嵌入式 linux 操作系统。 3.gprs 通信协议实现问题 本系统通过 gprs 网络传递数据，必须实现 tcp/ip 协议，以进行 socket 通 信。可供选择的方案有两个，一种是在硬件模块 gprs dtu 中实现 tcp/ip 协议， 另一种是在前端监控系统软件层，也就是 os 中实现。若选用硬件模块 gprs dtu 来实现，降低了开发难度，但是也增加了开发成本。考虑到整个项目进度问题， 硕士学位论文 9 我们选择了采用现成的 gprs dtu（深圳宏电公司的 h7118c gprs dtu 无线数 据终端单元）。而若在 os 中实现 tcp/ip 协议栈，可以利用目前一些成熟的嵌入 式 tcp/ip 协议模块，所作工作可能仅是移植，所以此方法也是不错的选择，不 过考虑到项目的进度问题，所以暂时放弃此方案，以后升级时可考虑采用此方案。 4. can 通信实现问题 在本系统中，can 通信的实现一般有三种方案：一种是利用带有 linux 驱动 的 can 模块；另一种是利用现成的 can 模块，但是自己编写 linux 下的驱动； 另外一种是完全自己开发包括硬件和软件。若购买已实现了 linux 驱动的 can 模 块，一般费用较高，造成整个系统的生产成本过高。若整个模块完全自己开发的 话，势必增加开发的工作量，影响整个项目进度。由于我们使用的嵌入式处理器 的功能比较强大，所以完全可以自己开发驱动，即购买 can 模块，自己编写驱 动。不仅成本可以接收，而且开发进度也明显加快，系统稳定性也得以保证。所 以我们选择周立功的 pc104-can 接口卡，自己开发驱动程序。 5. 视频处理的实现问题 在本系统中，视频处理有两种方案：一种是购买视频压缩卡，另一种是完全 软件实现。若完全软件实现，需将模拟视频信号转换为数字视频信号，再压缩为 标准的 jpg 图像文件，工作量非常大，势必影响整个项目的开发进度。为了充分 利用工控板上的硬件资源，我们选用了武汉万德数码技术有限公司的 vc312 嵌入 式视频采集压缩卡，该卡与工控板是串口 rs-232 接口，从而大大减轻了开发工 作量，加快了整个项目的开发进度。 6. 显示屏的选型问题 本系统中，显示屏的选型有两种方案：选用触摸屏，选用 vga 接口的工业液 晶屏。若选用触摸屏，需要自己开发液晶屏的驱动程序，明显影响整个项目的开 发进度。由于我们选用的 pc104 工控板功能比较强大，所以我们充分利用工控板 提供的硬件资源，选用 vga 接口的工业液晶屏。 2.2.3 系统硬件结构 本系统采用基于 pc104 工控板（sx-340 工控板）作为主板，sx-340 可在 -20°~ 70°温度范围内正常工作，并将其与其他功能组件集成在 90mm×96mm 的主 板上 [6] ，板上资源主要包括以下几个部分： 1. 处理速度为 25mhz~40mhz 的 alim6117c cpi 2. 4m 的 dram 3. 支持 svga 显示模式的 crt 接口 4. doc 插座 5. 串行口：两个 rs232 接口 基于pc104 的工程机械前端监控系统的研究与开发 10 6. 并行口 7. utility 接口：包括键盘接口、复位键、蜂鸣器和一个 ttl 串口 整个硬件体系主要包括以下几个部分： 1. pc104 工控板。 2. h7118c gprs dtu 无线数据终端单元 3. vc312 嵌入式视频采集压缩卡 4. pc104-can 接口卡 5. 人机接口——工业液晶屏、键盘 6. 系统电源 整个硬件结构框图如图 2.3 所示。 机载前端监控系统 grps dtu rs-232 键盘 指示灯、 蜂鸣器等 键盘接口 数字i/o pc104总线接口 rs-232 显示接口 图像采集卡 工业液晶屏 x86处理器 安全 控制 系统 电液 比例 控制 系统 can总线 机载前端监控系统 电子 节能 控制 系统 发动 机 ecu 控制 系统 其他 控制 系统 …… sx-340 pc104工控板 pc104-can接口卡 图 2.3 系统硬件结构框图 2.2.4 系统软件结构 从一定意义上来讲，软件的作用是对硬件功能的扩充。在传统的单片机系统 设计中，对于软件系统常采用称之为前后台系统或超循环系统的设计方法。在这 样的软件系统中，应用程序是一个无限的循环，循环中调用相应的函数完成相应 的操作，这部分可以看成后台行为。中断服务程序处理异步事件，这部分可以看 成前台行为。这样的前后台系统有以下几个缺点： 1. 处理信息的及时性比较差。因为中断服务程序提供的信息一直要等到后台 程序运行到处理这个信息时，才能得到处理。 2. 应用软件直接作用于硬件层上，软件系统结构性比较差，不便于应用软件 硕士学位论文 11 的扩展。 3. 编写出来的软件不具备复用性。 4. 当应用比较复杂，不利于把应用分解成若干个独立的子任务。 5. 应用复杂时，给编程增加了难度，而且难以胜任。 由于以上原因，我们采取了基于嵌入式操作系统 linux 的设计。操作系统为 上层软件提供一个功能强大的虚拟机，给用户一个方便、高效、安全的工作环境。 在操作系统的支持下，可以将复杂的应用程序分解成若干个独立的任务，使应用 程序结构清晰，便于扩展，具有良好的可复用性。当然，使用操作系统必定会增 加系统额外的开销，这些额外的开销是 rom/ram 的增加及 2%~4%的 cpu 开销， 然而，我们的硬件资源足够丰富，对于整个系统来讲，使用操作系统肯定大于弊。 结合我们的硬件系统结构， 用户任务1 用户任务2 …… 用户任务n gui linux内核 pc104-can接口卡、图像采集卡、grps dtu、工业液晶屏、键盘 适用工具程序 连接库 root文件系统 api函数集 设备驱动程序 硬 件 层 应 用 层 操 作 系 统 层 图 2.4 软件系统结构框图 应用层由若干个独立的、并发执行的用户任务构成，这些任务通过使用操作 系统提供的服务，相互协作来完成复杂的应用。 linux 内核完成任务的调度和同步，并为设备驱动提供中断机制和信号量、自 旋锁等服务。gui 在 linux 操作系统的支持下工作，并向应用层提供服务。设备 驱动程序是连接底层的硬件和上层的 api 函数的纽带，有了驱动程序模块，就可 以把操作系统的 api 函数和底层的硬件分离开来。任何一个硬件的改动、删除或 者添加，只需要随之改变、删除或者添加给操作系统的相应驱动程序就可以了， 并不会影响到 api 函数的功能，更不会影响到用户的应用程序。

深蓝宇（http://www.lanrry.com/）专注于嵌入式主板及嵌入式工控机的开发与销售，提供嵌入式主板定制、pc104主板、arm模块定制、嵌入式工控机定制服务；在养殖物联网、电梯物联网、通讯管理机等行业应用方面独树一帜。