基于嵌入式Linux的汽车车身参数测量系统设计与实现

汪婷 邵淦 万侃然

【摘要】基于能够在汽车生产制造中实时有效地测量汽车车身的各项尺寸参数，对汽车全程生产过程进行实时的控制和监督，设计了一种专用于汽车的，车身尺寸参数测量的便携式电子测量系统。系统以S3C2410控制器为核心控制模块，以嵌入式Linux作为操作系统，并以液晶触摸屏为输入输出设备，完成了测量系统软硬件系方案设计与搭建，构建了一个高性能 、低成本的汽车车身参数测量的专用电子系统。

【关键词】汽车;S3C2410;Linux;电子测量系统

Abstract：In order to measure the dimensions of the automobile body data real-time and effectively in automobile production ，thencontrol and supervise the entire process，the article developed an portable electronic system which was used for measuring the critical dimensions of automobile body structure.The core of the system hardware used S3C2410 microprocessor and based on embedded Linux operating system，then with LCD touch screen as input and output devices，which completed the measurement system software and hardware system design and build，constructed a high-performance and low-cost automobile body parameters measurement of special electronic system.

Keywords： Auto;S3C2410;Linux;Electronic measurement system

面对竞争日益激烈的汽车市场，汽车车身的生产周期的缩短就意味着竞争实力的增强，由此汽车车身关键位置控制点的在线检测速度或是售后维修越来越受到国内外汽车生产厂家的重视[1]。汽车零部件的尺寸形状和位置误差是汽车生产过程中的重要检测内容，生产制造时不仅需要保证关键质量控制点的三维位置尺寸准确度，还要求其功能尺寸的精确性，它对汽车及总成的性能质量和使用寿命有着重要的影响[2]。然而目前在国内用于汽车生产中的电子测量设备大多是简单的尺寸测量工具，在智能化和系统化上还远达不到目前的竞争要求。这些测量工具使用不方便，对人员的素质要求比较高，而且并没有针对于汽车车身特定参数的测量系统，降低了产品的测量速率，因此现代测量迫切需要一种更加便携的计算系统，来完成实时的测量要求。

基于此本文设计了一种以S3C2410处理器为控制核心，专用于汽车车身关键尺寸参数测量的电子系统。该测量设备是由电子测量系统与机械测量结构共同组成，系统内部通过SD卡存储有原始汽车车身生产尺寸的参数数据库，测量结果与此作参照，并且通过液晶触摸屏来直接控制测量过程与测量结果的显示输出，构建了一个高性能低成本的人机界面系统。

一、系统测量机机械构成与测量原理

测量机在机械结构上同工业中的机械臂相似[3]。图1即为测量机机械结构示意图，它包括有一个基座，四个不同长度的连杆，五个关节，一个测量头。在每一个关节内都安装有高精度的角度编码器，通过五个关节内的角度编码器角度传感值与已知的四个连杆长度，在以基座为坐标原点的坐标系中，根据建立好的数学模型就可以计算出的测头的三维空间坐标值。

图1 测量机结构示意图

采用D-H 方法（机器人研究中运用成熟），便可建立起该测量机的测量方程。在测量机械部分中，需要说明的是：关节2的轴线与关节3的轴线呈近乎于平行的关系，由于D-H 方法中相邻关节轴线相互平行或者几近平行的情况下将导致 D-H 数学模型矩阵的病态，所以这部分采用MDH建模的方法，即D-H方法的改进 [4]。而测头、杆件4与关节5共同构成了一个圆柱型坐标模型。由此测量机构的数学模型分别以三个部分各自来建模，然后整合在一起就得到了整个运转机构部分的运动学方程。最后结合已知的杆件长度，便可测算出测头的空间坐标值。

二、系统硬件总体方案设计

本系统硬件方案设计为以S3C2410控制器为核心的嵌入式平台，具有多种通讯方式，數据采集系统角度传感器采用光学角度编码器，同时采用友好的LCD触摸屏作为人机界面。能够获取测量位置的空间坐标值，进而通过算法子程序计算得出车身的尺寸参数，并与SD卡存储设备中的汽车生产原始数据进行对比，测量人员直接通过人机界面获取所需信息。图2即为此硬件系统方案设计。

图2 硬件方案设计图

（一）微控制器模块

本系统所选用的微控制器为S3C2410，它是三星公司生产的ARM9系列芯片。S3C2410微控制器基本工作频率为400MHz，并且支持Linux操作系统的移植嵌入，主要是应用于一些低功耗，高性价比的电子产品。除此之外，该处理器还拥有：独立的16KB的指令Cache和16KB数据Cache、NAND闪存控制器、支持TFT的LCD控制器、三路UART、四路带PWM的Timer、四路DMA、I/O口、RTC、Touch screen接口、USB接口、SD卡、MMC接口和两路SPIO接口。微控制器是测量系统的核心部分，负责任务包括采集角度传感器信号，捕捉外部中断，控制各种通讯过程以及计算测量的数学模型等。

（二）SD卡选用与连接方式

基于成本低、体积小但容量大等特征考虑，本测量系统选择采用SD卡作为数据存储设备。SD卡是一种基于半导体flash的新一代存储产品，它被广泛运用于各种手持装置上，具有高的存储容量、数据快速传输速率、良好的安全性能以及移动的小巧性。SD卡是该测量系统的数据存储部分，承担着两类数据的存储。其一，是汽车生产的原始数据资料，例如汽车的车型，汽车关键尺寸参数以及各测量位置之间的距离等重要信息;其二，存储测量人员的测量结果及比对信息。由于S3C2410微处理器内部集成了 SPI 模块，本设计选择采用 SPI 连接模式与SD卡进行连接。数据的通讯需要三条线路连接：SPI_MISO引脚为主设备输入、从设备输出引脚;SPI_MOSI 引脚为主设备输出、从设备输入引脚;SPI_SCK 为时钟线。系统以S3C240处理器为主设备，SD 卡为从设备来进行配置。最后需要将片选引脚CS连至S3C2410的 I/O 口，以对 SD 卡存储器进行片选控制。

（三）触摸屏选用及通讯方式

触摸屏采用迪文DMT80480C050_02WT 串口屏 [5]作为本系统的显示及输出部分，该终端内核为K600+、内部集成了字库、所要求供电范围为 3.3V-6V、还包含有内部时钟，触摸屏为四线式电阻串口屏，可以通过下载触摸控制文件进行坐标解析，从而直接取得触摸键值，使用统一的指令集，并且液晶屏内嵌入与微处理器相连的液晶屏驱动模组。通讯控制接口采用全双工的异步串口通讯模式，将微处理器的串口与触摸屏通讯控制接口连接起来，通过解析触摸键值发送指令来控制显示的内容，从而进入各种功能模块处理分析。

三、系统软件设计

测量系统采用嵌入式Linux操作系统[6]并且配合相应的应用程序来搭建软件系统。使用操作系统可以简单实现多任务的调度，系统设计人员只需专注于设计所需功能任务，然后通过操作系统本身的调度方法，便可以完成多任务的处理调度。由于其源代码的开放性，在网上下载后可通过重编译内核来定制自己要需的服务。

（一）Linux操作系统

在使用嵌入式Linux操作系统时，用户需要对其内核进行修改剪切和添加功能模块才能实现功能要求。主要的操作有移植内核使之能够在特定的软硬件条件下运行，然后是添加所需的驱动模块。

在Linux操作系统中，把所有的外部设备设都看成是一种特殊的文件，称之为设备文件[7]。系统需要调用驱动程序来调用外部各硬件设备。其中设备的驱动程序来完成各设备的释放和初始化，为应用程序的运行忽略掉各外部设备硬件的详细信息，使得应用程序使用各外部设备像对普通文件操作一样简便易行。由此，只需要调用相应设备的驱动程序就能够对该设备进行访问，这给应用程序的编写带来了极大的方便。

这里以SD卡的运用来做简要说明，该系统SD卡上存储有汽车生产的原始数据资料和测量结果数据，通过数据的读出与写入命令即可调用所需信息，完成通讯。在内核目录下输入生成的make menu config 命令，就可进入内核去配置各文件，然后在主菜单中配置好SD卡的驱动信息，在Device drivers菜单中，选择进入MMC/SD Card support一>，执行make zImage命令，编译内核后，系统就加载上了SD卡的驱动程序。在系统加载了SD卡的驱动以后，要执行SD卡的挂载命令，即把SD卡挂载到Linux操作系统中，命令编写如下：

#mount/dev/mmc/blk0/disc/mnt

这样SD卡就可以在经过移植剪裁的Linux系统下开始正常工作了，如此就可以进行测量数据的存储了。

（二）系统软件任务划分

根据测量系统的功能需求，将程序划分为不同的任务模块，各模块之间的关系如图3所示。

图3 系统任务关联图

测量系统采用触摸屏作為输入输出设备，通过按下采样按钮开始采集数据，其余所有操作指令的输入是通过液晶触摸屏来完成。触摸屏任务的主要功能就是获取并解析触摸屏当前时刻触摸的键值，从而解析测量人员的操作意图，完成所要求功能的创建。坐标实时监控任务是由触摸屏来任务创建，当测量人员触摸液晶屏上“测量”的标识时，便进入了测量子任务。该操作功能是不断获取角度传感器当前的角度值并通过所编写的应用程序计算出测头空间坐标值，在通过各项尺寸算法程序计算后将数据结果显示输出在触摸屏上。

四、结束语

本汽车车身参数电子测量系统采用S3C240芯片作为微处理器，并将嵌入式Linux操作系统移植到测量系统中，构建了一个高性能、低成本的汽车车身参数测量的专用电子系统。而且以液晶触摸屏作为输入输出设备，使整个检测系统更加简单便携，很大程度的提高了检测的质量和效率。对我国汽车生产领域提高汽车生产质量具有重要意义。

参考文献

[1]王林超.汽车构造[M].北京：中国水利水电出版社，2010：

481-489.

[2]张玉书.汽车维修工具与检测设备.汽车实用技术[M].北京：科学出版社，2009：53-76.

[3]程文涛，于连栋，费业泰等.平行双关节坐标测量机建模[J].应用科学学报，2009，27（4）：431.

[4]程文涛.关节式坐标测量机标定技术研究[D].2011：16-21.

[5]北京迪文科技有限公司.智能显示终端开发指南_V21.2009.

[6]周航慈.基于嵌入式实时操作系统的程序设计技术（第二版）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.

[7]王学龙.嵌入式Linux 系统设计与应用[M].北京：清华大学出版社，2002.

作者简介：

汪婷（1989—），合肥工业大学2012级在读研究生。

邵淦，合肥工业大学2012级在读研究生，研究方向：在线检测及仪器智能化。

万侃然，合肥工业大学2012级在读研究生，研究方向：在线检测及仪器智能化。