嵌入式仪器仪表平台化硬件系统设计研究

周彤

（天津市天大天发科技有限公司，天津，300000）

1 嵌入式机电仪器仪表硬件平台设计原理

电器设备的硬件一般由四个部分构成。信号输入处理模块。中央控制模块信号输出模块、能源模块。信号输入处理模块负责输入开关量和模拟值，中央控制模块负责信号控制和计算算法、信号输出模块和外围通信，以适应不同情况基于平台的设计需要提取CPU资源来扩展硬件平台的功能，并且考虑到规模和能量消耗，处理器在多个性能室中包括多个功能模块。通常，I/O接口被配置为用于管脚R10、三星ARM处理器S3C 6410、集成I/O功能、SPI等不同功能。因此，中央处理器需要使用复用功能来执行所有I/O接口图1是基于平台设计思想的硬件结构图。

图1 嵌入式机电仪表平台设计结构示意图

硬件的总体工作流程如下：数字和模拟输入处理电路转换、形成和处理输入信号，然后，资源管理模块将处理后的信号发送给中央处理模块，中央处理模块处理输入数据并执行一系列任务，最后，信号输出模块将数据发送给显示设备或保存。

2 机电仪器仪表硬件平台的详细设计

2.1 机电仪器仪表主板硬件平台设计

电路变换电压，A/D转换输入信号，然后资源管理模块将处理后的信号发送给中央处理模块。中央处理模块处理输入数据并执行一系列任务。最后，信号输出模块将数据发送至显示设备或保存数据。

CPU模块设计。内置BOM处理器必须具有更高的计算速度、更丰富的功能接口、更低的能耗，支持不同的通信协议，促进与外围设备的在线通信，并提供更好的人机交互界面和BOM性能。处理器应便于操作系统设计人员开发和调试软硬件集成。考虑到上述特点，以下将比较业界三种主要嵌入式处理器，并选择系统中的最佳解决方案。三种处理器均为RMI 的 au1250，PXA270 Da Intel 和 PXA270 Da Samsung.S3C6410 PRECISA。

信号输出模块设计。在这一块涉及到众多的部分，例如常见的通信接口、数据传输的USB接口，还有触摸屏和人机交互界面。S3C6410处理器也是该部分的关键，其所起到的作用就是集成，BEM可以支持本方案的设计。在人机界面中，最重要的是显示屏，在机电仪器设备中，液晶屏用于显示测量和控制数据以及实时电磁参数曲线，为了给用户提供最直观的监控方式，触摸屏是一种简单方便的输入设备，它可以取代鼠标或键盘，根据联系人位置定位和选择信息条目。触摸屏可以为AOS用户提供所见即所得操作，节省鼠标和键盘的使用，方便用户操作，使系统更小、更简洁。

USB是一种通用串行总线（USB），它已成为当前计算机标准的总线扩展总线接口。USB USA标准插头为4英寸插件。它可以将美国外围设备连接到margarita，最多可以连接127个外部设备，其能够获取外部电源、总线电源的持续帮助。USB其自身还具备传输速度超快的特征，从标准USB4.0中就可以看出。USB1.0的传输速度能够达到13mbps，USB3.0的传输速度能够达到500mbps，USB4.0的传输速度能够达到6Gbps。USB易于USAR和TEM，USB具有灵活的连接优势、热插拔支持、热插拔支持、电源管理等。它可以连接到几乎所有的外部设备，如鼠标、键盘、打印设备、闪存驱动器、移动硬盘、USB网卡等。它是存储设备的一个方便接口。本项目使用10uF和0.01uF电容器进行滤波，0.5A保险丝用于限制电流，以避免烧坏USB设备造成电流过载。

能量模块设计。能量模块一直是电子产品的核心模块，就像人体的心脏一样，它的作用是显而易见的，能够做到能源的持续供应，使得整个系统收益。在许多情况下，机电仪器的工作环境相对较差，如何通过一定的改进使得能量模块能够稳定作业，这已经是一个很值得关注的问题。对于便携式仪器，通常使用电池供电，内置系统的 IC电源电压不同，且同一IC不同功能模块的电源电压与同一IC不同功能模块的电源电压不同。S3C6410处理器算术核的电源电压为1.2V，DDR内存控制器SDRAM的电源电压为2.5V，外围SPI、I2C等通信接口的电源电压为3.3V。因此，需要充分转换外部电源电压，以满足不同集成电路的馈电需求。

能源可靠性项目。仪表和电器柜台在粉尘、振动、油雾和雾的工作环境中。这对电源系统的可靠性提出了更高的要求。BOM电源系统必须具有一定的保护和自动恢复功能，以防止意外高压、大电流进入和人为不良操作，确保处理器，内存和其他主要系统模块不受损坏，减少设备损坏，降低维护成本。系统为能量模块提供欠压、断电保护、过压保护、逆流保护和反向保护。

资源管理模块项目。可编程逻辑装置是数字集成电路，用户可以根据需要构建逻辑功能，并且用户可以使用特定硬件描述语言来定义逻辑功能。可编程将数字系统集成到芯片中，改变了传统数字系统的设计方法，改变了美国数字系统的传统设计，固定功能设备，需要大量芯片和芯片连接，能耗高，后来的ASIC还具有设计和生产成本高、生产设计和周期长的特点，在可编程逻辑器件中，最初由电路板项目完成的大部分工作都放在芯片设计中，定义设备上输入和输出的逻辑和端子。

2.2 仪表机电功能扩展面板的硬件设计

系统扩展板主要完成对传感器输入的不同类型信号的处理，并通过扩展板和CPLD接口向CPU传输功能，扩展板根据不同的应用需求设计不同的信号输入处理模块，并配合主板完成特定的测量和控制功能。设计了一个具有一般应用意义的扩展板，以满足大多数应用。用户和设计师可以在主板上设计不同结构和功能的扩展板，以满足需要。

当仪器和机电仪表测量多个物理量时，首先，必须通过传感器将物理量转换为电信号。这种电信号通常是微弱的模拟信号，不能传输到CPU进行信号处理。因此，需要A/D（模数转换）电路来执行模数转换。因此，扩展板硬件应设计为模拟转换处理电路。随着传感器测量技术的发展，许多传感器建立了A/D转换电路并输出开关信号，此外，扩展板硬件还应包括开关信号通道。此外，扩展框架还集成了SPI、I2C、UART等通信接口，以方便系统与主机之间的通信。信号一般需要经过放大、滤波、采样/保留和A/D转换后输入CPU进行处理。此外，还将根据具体应用要求设计一些辅助电路。例如，对于输入信号切换，振幅在从微伏到伏特的不同场合可能有不同的值。放大电路传感器输出的微弱电信号的振幅被放大以进行后续处理，滤波电路用于过滤聚集并感知电信号的完整性和可靠性。样品保持接收输入电压一段时间，并在输出端保持电压值；当信号变化率过快且A/D转换率不能满足信号变化率时，需要采样电路/保持器来拾取和保持信号。

2.3 硬件可靠性设计

电磁兼容性一直是一个不可低估的基本问题。仪器和机电仪表必须在不同的环境中承受各种冲击和干扰，包括静电放电干扰、射线波干扰，来自高速脉冲群的干扰，来自通信设备的射频干扰，设备中电路板对电磁干扰的抗干扰能力对系统的电磁兼容性影响很大，BOM孔级设计可以有效消除或减少电磁干扰对整机的影响。电磁是硬件可靠性设计中的两个关键问题，在项目中必须采取某些措施来消除或减少两者对最终产品造成的干扰。在边界电路级的PCB设计中采取某些措施并遵循某些标准可以消除或减少电磁干扰同时，整个TEM工作台的良好设计对提高产品的电磁兼容性也具有一定的意义和积极作用。

3 机电仪器仪表硬件平台测试与应用

3.1 硬件平台的测试

一般系统间隙分为硬件间隙和软件间隙，具有强大SOC处理器的硬件平台一般需要采用软硬件联合间隙，通过软件配合测试各种硬件功能。采用交叉编译的方法不断完善软件，测试功能硬件模块，最终完成整个系统的调试目的，用于调试硬件平台的硬件设备包括：PC机、JTAG调试框架、示波器、逻辑分析仪、万用表、+12V直流电源适配器、SD卡、触摸屏等。使用的调试软件包括SecureCRT 5.0、sjf6410编程工具、串行DNW端口调试工具、OTG ActiveSync连接工具。

3.2 硬件平台的应用

在机床的加工过程中，由于驱动发动机的加热，VAI驱动轴相对于壳体膨胀，导致径向偏差和“节轴”现象，影响机床的正常工作。为了保证机床的正常安全运行，需要测量旋转轴的膨胀，调整轴承位置，以减少或消除EM轴与壳体的偏差。EM重庆机床制造商提出实时测量，并显示轴径向偏差的输出，方便操作员监控和调整。可使用多种传感器测量位移，如电容传感器和霍尔效应传感器。一般情况下，位移转换为电压输出，根据用户需要，采用本方案进行设计，主框架配合功能扩展板搭建测试系统，主板上配备网络接口等通信接口，串行接口和USB接口，可向中央服务器等上位机发送数据。综合12位A/D采集接口和VGA显示接口。