?    1 引言

　　對鐵路軌道進行靜態幾何參數的檢測是鐵路部門的一項常規工作，使用便攜式軌道檢測儀能大幅降低檢測人員的工作量。這種智能測量技術不僅可以提高測量的精度和可信度，還能提供現場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：高實時性、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，但其運算能力太低，不足以滿足現場數據處理的要求，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足上述要求。ARM核以高性能低功耗著稱，再配以IC制造廠商提供的大量片上外設，使得ARM系列處理器擁有非常優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盤的轉存，系統也包含了液晶屏、鍵盤、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，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。

　　機械支架在推行過程中會產生頻率較軌道傾角變化頻率高很多的振動，因此需要對傾角信號進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行采樣，然后對前80個傾角采樣值進行一次濾波運算，當里程每增加5cm時，將當前的軌距和超高保存至隊列，當里程達到采樣間隔時，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。因此系統需要一個定時器，并且能在30ms內完成一次濾波運算。位移傳感器量程為5cm，轉換關系為1V/1cm，傾角傳感器量程為±10o，轉換關系為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。此外還需要實現U盤存儲、現場打印、時鐘、液晶顯示、鍵盤輸入等功能。

    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的三星公司生產的S3C44B0，它包含了一個運算能力強大的ARM7TDMI核和大量實用的外設[1]。根據應用的實際需要，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四個量程，同時集成了時鐘發生器和基準電路，數據接口也可與通用控制器直接連接。MAX197以簡潔的電路提供了相當高的性能，是嵌入式應用的理想選擇。

　　CH375是一個USB總線的通用接口芯片，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海量存儲設備的專用通訊協議的固件，外部控制器可以直接以扇區為基本單位讀寫常用的USB存儲設備，提供了一個實用的嵌入式設備的U盤存儲方案。

　　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，最高輸入電壓為4.6V，因此總線在掛接MAX197和液晶屏等5V邏輯電平的外設時應該加上總線收發器以做隔離，此外部分用于輸入GPIO引腳也需要加上緩沖器。

    3.2 高效率電源管理

　　電源管理是電池供的電便攜式設備的關鍵部分，使用低功耗器件和提高電源管理效率是延長系統連續工作時間的兩個重要手段。設計中根據用電器的特征和成本上的考慮做出如圖3所示的供電方案。

　　圖3系統電源方案　Fig. 3 Scheme of power supply

　　DC-DC電源的效率雖高，但紋波系數較大，不適合模擬電路的供電；線性穩壓器雖然穩壓效果好，但是效率低，且只能降壓。AD轉換器工作電流很小且對電源穩定性要求高，故直接使用線性穩壓器給其供電，而數字部分都采用DC-DC電源，對于處理器所需的多電壓，也采用線性穩壓器，由此帶來的功率損耗還可接受。傳感器所需的正負電壓需要通過DC-DC的升壓和反轉才能得到，為了消除其紋波的影響同時使用了線性穩壓器。對于功率較大的液晶屏背光和打印機則使用單獨的DC-DC，并由處理器控制。同時DC-DC對負載大幅度波動的適應不是很好，打印機的機頭產生的功耗是間歇性的，瞬時功率很高，因此DC-DC需要有足夠的功率裕度。

　　此電源方案在實踐中取得了良好的效果，系統在關閉背光和打印機的情況下，12V蓄電池的輸出電流小于120mA。

    4 軟件設計

　　4.1 實時數據采集

　　由于數據采集對實時性的要求很高，所以軟件的設計沒有采用操作系統，而是由多個中斷服務程序和主程序組成。設計一共用到4個外部中斷和3個內部中斷，分別來自光電編碼器正反向轉動、MAX197、CH375、RTC和兩個定時器。其中比較重要的兩個中斷分別來自光電編碼器和產生采樣頻率的定時器，前者的特點是頻率較高，可達1KHz，且不能丟失，后者的特點是中斷服務程序的運行時間長，需要完成濾波運算，因此要求中斷是可嵌套的。ARM處理器在硬件上不直接支持中斷服務程序的嵌套運行，雖然可以通過軟件的方式實現，但會增加額外的運行開銷。巧妙的利用ARM的特有的中斷機制就可以解決上述問題，ARM提供FIQ和IRQ兩類中斷，FIQ中斷到來時處理器將運行狀態轉到FIQ模式下，該模式下擁有專用的寄存器以減少壓棧帶來的時間的損耗，IRQ類似，但專用寄存器沒有FIQ多。因此，當處理器在IRQ模式下運行中斷服務程序時，是可以立即響應FIQ中斷的。將光電編碼器產生的中斷作為FIQ類型，其他中斷作為IRQ類型就可以使每個中斷得到及時的響應。

　　S3C44B0的中斷控制器是可以將某個中斷設定為FIQ或IRQ類型送至ARM核的。ARM核只有FIQ和IRQ這兩個中斷信號線，因此處理器需要中斷控制器的協作才能確定某個中斷來自哪個中斷源，S3C44B0提供了兩種解決方式：VECTORED INTERRUPT MODE和NON-VECTORED INTERRUPT MODE。VECTORED INTERRUPT MODE可以像CISC處理器那樣不同的中斷執行不同的中斷處理程序，其實現原理是當中斷到來時由硬件邏輯根據具體中斷源產生一個與之相應的跳轉指令放到總線上，ARM核取得該條指令后便立即跳轉到相應的處理程序[1]。這樣可以提高中斷響應速度和簡化程序設計，但是這種模式只支持IRQ類型的中斷；NON-VECTORED INTERRUPT MODE則像其他ARM處理器一樣，由中斷服務程序去訪問中斷控制器的I_ISPR寄存器來確定中斷源。

　　設計中將光電編碼器的中斷類型設為FIQ類型，并使用NON-VECTORED方式，其他中斷設為IRQ類型，使用VECTORED方式。中斷向量表由兩部分組成，前部分為ARM核的異常跳轉指令，后部分供S3C44B0的VECTORED中斷方式使用。中斷服務程序可由匯編或者C語言編寫，對于FIQ和IRQ類型的C語言函數需要加上__irq宏，編譯器才能生成正確的返回指令。

　　4.2 軟件的整體設計

　　由于沒有操作系統，啟動代碼和應用程序是融為一體的，啟動代碼由匯編語言編寫，除前面的中斷向量表以外，還負責硬件初始化，將自己從ROM拷貝到SDRAM，初始化各個模式下的堆棧等，完成了上述工作之后程序才能跳入由C語言編寫的函數之中去。

　　數據采集之外的工作對實時性要求很低，除了鍵盤掃描和RTC使用低優先級的中斷之外，其他部分都包含在主程序循環里。特別需要注意的是，由于中斷向量表存放在Flash中，在向Flash寫數據的時候必須關閉所有中斷，所以需要保存的數據應先放到SDRAM中去，待一次測量完成之后再寫至Flash。

　　USB控制器CH375的制造商提供了U盤讀寫的庫文件，只需要外部定義讀寫CH375硬件的函數和將中斷服務程序配置到相應的中斷，就可以實現對U盤FAT文件系統的操作。

　　4.3 編譯與調試

　　設計采用的軟件開發環境是ARM公司的ADS1.2，編譯C語言程序時可能會產生用于Semihost通信的代碼，其中包含軟中斷SWI指令，但設計中并未包含SWI異常處理的程序，編譯器也沒有相應的編譯選項去掉Semihost功能，一旦遇到SWI指令便會進入軟中斷異常。因此可以反匯編機器碼，找到對應的函數將其重定義即可。

    5 結束語

　　嵌入式系統的特點就在于其應用的針對性很強，設計充分的利用了ARM7處理器的性能和資源，根據特定應用目標構建整個軟硬件平臺，實現了高性能、低功耗的目標。該系統已成功的用于軌道檢測儀樣機，對其他基于ARM處理器的嵌入式系統的開發設計具有很好的參考意義。

　　本文作者創新點：傳統的測試儀器多以單片機為核心，但是單片機速度較慢，資源較少，在許多應用環境中必須對其進行擴展，因此不利于降低系統功耗和提高集成度。將ARM7處理器應用到軌道檢測儀的設計是新的信息處理技術與傳統應用的一次創新結合，ARM7嵌入式平臺在提升系統性能和集成度的同時也改變了以往的系統設計方法，尤其是ARM處理器特有的中斷機制可以使實時數據的采集和處理實現起來更加方便和可靠。此外，高效率的供電系統也是本文的亮點。