嵌入式Linux连续数据采集

基于嵌入式Linux系统的连续数据采集设备

关键词

连续数据采集；嵌入式Linux；环形缓冲区

摘要

本设计系统采用嵌入式Linux操作系统实现所需的嵌入式特性，并提出环形缓冲区技术，以实现无采样数据丢失的连续数据采集。通过监测轮毂运行状态（用于评估汽车性能），该系统被证明能够为设备提供可靠且连续的数据。

引言

设备故障诊断是确保生产安全和系统自动化管理的关键[1-4]。因此，现代化生产不再满足于传统的定期维护和故障后维修机制。科学、及时的预测性维护技术需要设备监测和故障诊断的支持，这能有效防止意外事故，提供明确的事故数据和原因，并克服现有机制中的过度维护和维护不足问题。

项目团队致力于设备安全的嵌入式监控系统研究 [5, 6]。系统硬件基于ARM，采用嵌入式 Linux操作系统来定制操作系统。在系统软件方面，提出了环形缓冲区的存储结构，以实现不丢失采样数据的监测。

系统结构

工况监测设备是否运行良好。故障诊断判断故障的原因、位置和程度，然后制定维修方案。本文提出了一种结合故障诊断与嵌入式技术的故障诊断系统实现方案，采用双CPU硬件，将数据采集、存储、分析和通信等多种功能集成于一个单元中。

硬件结构和软件结构

硬件结构

根据主从式的设计理念，系统通过信号预处理、数据采集（DAQ）、人机界面和双端口缓冲存储器进行模块化。每个模块实现不同的功能。所有模块由MIPS CPU控制，在单个模块运行正常后，可在系统级别上进行联合调试。

信号经过接口卡放大和滤波后，信噪比得到提升，然后送入数据采集设备进行模数转换。转换结果可以实时保存和处理。数据临时存储在双端口RAM中。当存储区域满时，双端口 RAM通过握手信号与主板通信，通知CPU可以取走数据。

经过抗混叠滤波器滤波并由放大芯片放大后，输入信号进入核信号采集。模数转换后的数字量送入高速 FIFO芯片。在此芯片中读写指针取代了复杂的地址发生器。当FIFO芯片的存储区域一半满时，半满标志HF会输出至数字信号处理器，以通知数字信号处理器从FIFO芯片中读取数据。无需实时查询模数转换结果，避免了资源浪费。可执行程序固化在闪存中。电源开启后，数字信号处理器通过引导加载程序将程序加载到内存，使系统运行更快。

软件结构

系统软件遵循模块化程序设计、独立性以及各模块之间无交叉功能的原则，仅通过专用的接口功能实现通信，因此该设计易于维护和改进，我们采用嵌入式Linux操作系统。

不丢失采样数据的高速数据采集是关键技术。在内存中，数据传输和数据处理相互独立。即在Linux系统空间中设置一个64K字节的环形缓冲区，该环形缓冲区与用户数据缓冲区相互独立。设备对象后台负责数据采集和数据传输，将数据放入环形缓冲区，并更新始终指向最新数据的指针。

设备对象负责采集和传输数据；同时应用程序可以处理数据。当用户处理完一批数据时，另一批数据已经被存入环形缓冲区。通过应用程序接口（API）函数，可以从环形缓冲区将数据送入用户空间，从而使用户能够处理新的一批数据。因此，该并行系统运行良好。设备对象在环形缓冲区与数据采集卡之间不间断地传输数据，以避免采样数据丢失。

为了避免在数据传输到用户空间之前丢失数据，环形缓冲区被分为多个部分，并且每个部分的数据被交替处理。当数据采集开始时，设备对象操作第一部分，动态指针始终指向当前的位置。当第一部分填满后，新数据开始保存到第二部分。同时，第一部分中的数据被传送到用户空间并进行处理。如此循环往复，所有采样数据都不会丢失。

实验

用于分析轮毂异常噪声以测试汽车性能的设备安全连续监控系统。在发电机轴承上布置了6个测点，每个测点测量垂直方向和水平方向的振动。图1左上方显示了44.7m/s（100英里/小时）时3号测点的时域脉冲信号。对其频谱分析中的脉冲部分信号进行滤波后（图1左下方），可得到脉冲信号的包络谱（图1右上方）。该包络谱中脉冲成分非常明显。其频谱分析如图1右下方所示，经计算脉冲成分的频率约为5Hz。

其中，fi 为内圈相对于轴线的旋转频率，r 为轮毂半径（r=0.6m），iw 为内圈相对于轴线的角速度，v 为内圈相对于轴线的线速度，d 为滚子直径，D 为节圆直径，α 为接触角。

在此示例中，轮毂的轴承型号为B22459‐464。通过查询轴承数据库可获得滚子直径、节圆直径和接触角，即d=0.0224m，D=0.1401m，α=0.235 rad。在不同速度下轴承保持架的频率通过计算得出，见表1。

实验（续）

根据上述数据，脉冲成分的频率接近轴承保持架的特征频率。因此主要结论是轴承保持架存在磨损。设备拆解后已证实了这一结论。尽管六个测点的轴承保持架均存在不同程度的磨损，但3号测点的轴承保持架磨耗最为严重。由于设备故障被及时发现，影响汽车性能的隐患已被消除，交通的安全系数得到了显著提高。

结论

本文成功将嵌入式Linux操作系统应用于连续数据采集系统中的嵌入式操作系统定制，并提出了环形缓冲区以确保连续数据采集和数据存储。该系统通过双CPU架构实现了数据采集、存储、分析与通信的一体化集成，结合环形缓冲区技术有效避免了采样过程中的数据丢失问题。实验结果表明，该系统能够稳定、可靠地实现对轮毂运行状态的连续监测，具备良好的工程应用价值。未来可进一步优化环形缓冲区调度策略，并拓展至多通道高精度传感器网络的数据采集场景。