基于PC104的工程机械前端监控系统的研究与开发
|
摘要
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+嵌入式Linux的机载前端监控系统的解决方案;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,也表明了本文所研发的成果的有效性和实用价值。
Because of the low technological content, traditional construction machinery products that were designed by general electronic control techniques gradually loses the market competition force. With the advancement of technology and the demand of the modern construction project, the new generation construction machinery not only need integrating operation and intelligent control, but also need they build the intelligent machinery group cooperating control system based on internet, to get the high efficiency and low consumption of the building project, meanwhile, finish the project as soon as possible. So, developing a new construction machinery monitoring system which can take the local centralized control, supervision and maintenance, at the same time, can remote monitor, diagnose, and attemper, has become a hot problem in our country.
Based on the functions of moved construction machinery remote monitoring system, aiming at machine-used forepart monitoring system,the paper has done some research and development works.Firstly, this thesis brings out the three-layer model of construction machinery monitoring system, and put forward a PC104 motherboard and embedded Linux scheme of machine-used forepart monitoring system. Secondly, the paper deeply analyzes and studies Linux kernel reduce, filesystem reduce and the choice of bootloader etc , to transplant embedded Linux operating system on PC104. Thirdly, the paper researches the programming method of char device driver on linux, and finishes CAN device driver. Fourthly, features of some typical embedded GUIs are compared, and the works-to-be-done on transplanting MiniGUI to PC104 under embedded Linux are summarized.A technology of development embedded GUI on MiniGUI in embedded system is given. Finally, the paper researches the technology of serial communicantion on Linux, at same time, has realized video monitoring system based on VC312 image collection card, and has resolved the problem of remote wireless internet of moved construction machinery.
The system has been experimented with other subsystems and long-distance monitoring center. The result testified that the system has friendly man-machine conversation interface,easily using,reliable communication,high reliability etc. The communications speed can achieve the requirement of applications. This also indicates the validity and application value of the research result.
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+嵌入式Linux的机载前端监控系统的解决方案;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,也表明了本文所研发的成果的有效性和实用价值。
Because of the low technological content, traditional construction machinery products that were designed by general electronic control techniques gradually loses the market competition force. With the advancement of technology and the demand of the modern construction project, the new generation construction machinery not only need integrating operation and intelligent control, but also need they build the intelligent machinery group cooperating control system based on internet, to get the high efficiency and low consumption of the building project, meanwhile, finish the project as soon as possible. So, developing a new construction machinery monitoring system which can take the local centralized control, supervision and maintenance, at the same time, can remote monitor, diagnose, and attemper, has become a hot problem in our country.
Based on the functions of moved construction machinery remote monitoring system, aiming at machine-used forepart monitoring system,the paper has done some research and development works.Firstly, this thesis brings out the three-layer model of construction machinery monitoring system, and put forward a PC104 motherboard and embedded Linux scheme of machine-used forepart monitoring system. Secondly, the paper deeply analyzes and studies Linux kernel reduce, filesystem reduce and the choice of bootloader etc , to transplant embedded Linux operating system on PC104. Thirdly, the paper researches the programming method of char device driver on linux, and finishes CAN device driver. Fourthly, features of some typical embedded GUIs are compared, and the works-to-be-done on transplanting MiniGUI to PC104 under embedded Linux are summarized.A technology of development embedded GUI on MiniGUI in embedded system is given. Finally, the paper researches the technology of serial communicantion on Linux, at same time, has realized video monitoring system based on VC312 image collection card, and has resolved the problem of remote wireless internet of moved construction machinery.
The system has been experimented with other subsystems and long-distance monitoring center. The result testified that the system has friendly man-machine conversation interface,easily using,reliable communication,high reliability etc. The communications speed can achieve the requirement of applications. This also indicates the validity and application value of the research result.
引文
[1] 王世明,杨为民,李天石等. 国外工程机械新技术新结构和发展趋势. 工程机械,2004(1):61-66
[2] 朱剑英. 机械工程智能化的发展趋势. 航空制造技术,2003(5):17-20
[3] 陈继文,范文利,李彦凤等. 工程机械新技术和发展趋势. 现代制造工程,2006(4):144-146
[4] 杨立春. 软件工程方法在嵌入式系统开发中的应用. 福建电脑,2006(6):60-61
[5] 张晓斌,叶建峰,弓振宇. 基于 PC104 的机载设备用试验电源的研制. 电力电子技术,2006(3):91-93
[6] 思泰基( SeaTech)电脑有限公司 . SX-340 用户手册 .pdf. 上海:思泰基(SeaTech)电脑有限公司,3-4
[7] 胡小龙. Linux 操作系统启动过程的分析. 长沙铁道学院学报,2006(9): 29-32
[8] Lennon A. Embedding Linux. IEE Review,2001,47(3):33-37
[9] Terrasa Andres, Garcia-Fornes Ana, J.Botti Vicente. Flexible Real-Time Linux:A Flexible Hard Real-Time Environment. Real-Time Systems,2002,22(1):151-173
[10] DANIEL P.BOVET,MARCO CESATI.深入理解 Linux 内核.北京:中国电力出版社,2004,50-53
[11] 蔡勇,战兴群.基于 PC104 主板的嵌入式 Linux 的实现. 计算机工程与应用,2004(27):109-110
[12] 孙海彬,傅谦,徐良贤. Linux 内核模块的实现机制. 微电子学与计算机,2001(3):29-32
[13] 李善平等.Linux 与嵌入式系统.北京:清华大学出版社,2003,40-56
[14] 顾咏枫,陈章龙. 嵌入式 Linux 裁剪方法. 小型微型计算机系统,2003(9):1697-1700
[15] WANG Ya-jun , LIU Jin-gang. Research and realization of covering page-swapping mechanism by cutting Linux core. Computer Applications,2005(9):2165-2168
[16] 雷鸿,熊文龙,杨单.基于 Frame buffer 的 LCD 驱动程序的实现. 武汉理工大学学报,2006(1):106-109
[17] 张勇,裘雪红.嵌入式 Linux 下 JFFS2 文件系统的实现.计算机技术与发展,2006(4):29-31
[18] ZOU Miao,BAO Qi-liang. Optimal scheme of embedded Linux operating system for PC/104. Opto-electronic Engineering,2004(S1):152-155
[19] busybox 主页.http://www.busybox.net/
[20] 刘志勇 . 基于 PC/104 平台 Linux 内核启动过程分析 . 海洋技术, 2003(3):85-90
[21] 何先波,唐宁九,吕方等. ELF 文件格式及应用. 计算机应用研究,2001(11):144-150
[22] 刘宝祥. 谈谈动态链接与动态链接库. 科技信息(学术版),2006(7):347
[23] 饶运涛,邹继军,郑勇芸. 现场总线 CAN 原理与应用技术. 北京:北京航空航天大学出版社,2003.6 ,14-20
[24] 邹益仁,马增良,蒲维. 现场总线控制系统的设计和开发. 北京:国防工业出版社,2003.1,25-34
[25] 思泰基(SeaTech)电脑有限公司. CAN-bus 规范 V2.0 版本.pdf. 上海:思泰基(SeaTech)电脑有限公司.
[26] Cena, G., Valenzano, A. A protocol for automatic node discovery in CANopen networks. Industrial Electronics,2003,50(3):419-430
[27] 广州周立功单片机有限公司. PC104-CANuser.pdf. 广州:广州周立功单片机有限公司.
[28] 郭玉东. Linux 操作系统结构分析. 西安:西安电子科技大学出版社. 2002.1,406-423
[29] 王永杰,刘京菊,孙乐昌. Linux 可装载模块的开发与应用. 计算机应用研究,2002(7):143-146
[30] ALESSANDRO RUBINI,JONATHAN CORBET. LINUX DEVICE DRIVERS. USA: O’REILLY,2002,40-72
[31] 黄涛,周德恒. 基于 μClinux 嵌入式车载网络系统的 CAN 总线设备驱动程序设计. 计算机应用,2005(S1):415-420
[32] 兰晓红 . 嵌入式 Linux 中断设备驱动程序设计 . 计算机应用研究, 2003(5):96-98
[33] Robert Love. Linux 内核设计与实现. 北京:机械工业出版社. 2004.11 ,53-70
[34] 刘峥嵘,张智超,许振山等. 嵌入式 Linux 应用开发详解. 北京:机械工业出版社. 2004.6,250-255
[35] minigui 主页.http://minigui.org/
[36] 宋立新. 面向嵌入式操作系统的图形用户界面:[浙江大学硕士学位论文]. 浙江:浙江大学计算机系,2001,12-18
[37] 北京飞漫软件技术有限公司 . MINIGUI-USER-MANUAL-V1.3-1-C.pdf. 北京:北京飞漫软件技术有限公司.
[38] 杨丰萍; 卢伟海; 邢剑. MiniGUI 在真空断路器特性测试仪中的应用. 华东交通大学学报,2006(4):75-78
[39] 于孝辉,陈秋艳,李国义.嵌入式 Linux 下 MiniGUI 的移植及软件开发.辽宁工学院学报,2006(2):90-92
[40] 胡湘华.嵌入式 Linux 中图形用户界面的研究与实现:[国防科学技术大学硕士学位论文]. 浙江:国防科学技术大学计算机科学与技术,2002,15-16
[41] 张棣. 基于嵌入式 Linux 的 PDA 及其功能扩展研究:[西北工业大学硕士学位论文]. 陕西:西北工业大学控制理论与控制工程,2005,31-38
[42] 北京飞漫软件技术有限公司.MINIGUI-PROG-GUIDE-V1.3-C.pdf. 北京:北京飞漫软件技术有限公司.
[43] LI Zhiyu, XIAO Qiangui, SHEN Chunlin. The Expending Design of Multi-serial Ports Communication Based on PC/104Modules. Electronic Engineering & ProductWorld, 2005, 3: 75277.
[44] 程晓宇,毕笃彦,王浩学. Linux 下串行通信的实现及其在机载视频记录系统中的应用. 计算机应用与软件,2005(11):62-63
[45] Michael R. Sweet. Serial Programming Guide for POSIX Operating Syste. http://digilander.libero.it/robang/rubrica/serial.htm
[46] WANG Haixia, SHANG Fengjun, ZHOU Rongsheng. The Application of PC104 Serial Communication.Computing Techniques for Giophysical and Geochenical Exploration, 2001, 23 (2) : 1872191.
[47] MA Wenhui, LI Lanyou. The Serial Communication in Linux. Electronics Instrumentation Customer, 2005,12 (1) : 39241.
[48] Philip Koopman. Embedded System Design Issues ( the Rest of theStory). Proceedings of the IEEE International Conference onComputerDesign, 1996. 3102317.
[49] 武汉万德数码技术有限公司. VC312 嵌入式视频压缩卡用户手册. 武汉:武汉万德数码技术有限公司,2004,2-3
[50] 姚继锋. Linux 下的多线程编程. http:// www.chi2na2pub.com/ ,2005
[51] Gunnar Heine. GPRS: Gateway to Third-Generation Mobile Networks - [Book Review]. IEEE Communications Magazine, 2004, 42(7): 12
[52] Samjani A A. General Packet Radio Service [GPRS]. Potentials, 2002, 21(2): 12-15
[53] Yan Zhang, Boon-Hee Soong. Performance evaluation of GSM/GPRS networks with channel re-allocation scheme. IEEE Communications Letters, 2004, 8(5): 280 -282
[54] 深圳市宏电技术开发有限公司. 无线 DDN 通信系统 H7118 GPRS DTU 使用说明书. 深圳:深圳市宏电技术开发有限公司,2004,1-2
[55] 杨进勇. 基于 GPRS 网络的嵌入式手持终端设计与研究:[武汉理工大学硕士学位论文]. 武汉:武汉理工大学计算机应用技术,2005,11-17
[56] 李捍东,张晓勇,陈璇等.基于 Linux 的 GPRS 远程数据通信系统的研究与实现. 测控技术,2006(7),18-23
[2] 朱剑英. 机械工程智能化的发展趋势. 航空制造技术,2003(5):17-20
[3] 陈继文,范文利,李彦凤等. 工程机械新技术和发展趋势. 现代制造工程,2006(4):144-146
[4] 杨立春. 软件工程方法在嵌入式系统开发中的应用. 福建电脑,2006(6):60-61
[5] 张晓斌,叶建峰,弓振宇. 基于 PC104 的机载设备用试验电源的研制. 电力电子技术,2006(3):91-93
[6] 思泰基( SeaTech)电脑有限公司 . SX-340 用户手册 .pdf. 上海:思泰基(SeaTech)电脑有限公司,3-4
[7] 胡小龙. Linux 操作系统启动过程的分析. 长沙铁道学院学报,2006(9): 29-32
[8] Lennon A. Embedding Linux. IEE Review,2001,47(3):33-37
[9] Terrasa Andres, Garcia-Fornes Ana, J.Botti Vicente. Flexible Real-Time Linux:A Flexible Hard Real-Time Environment. Real-Time Systems,2002,22(1):151-173
[10] DANIEL P.BOVET,MARCO CESATI.深入理解 Linux 内核.北京:中国电力出版社,2004,50-53
[11] 蔡勇,战兴群.基于 PC104 主板的嵌入式 Linux 的实现. 计算机工程与应用,2004(27):109-110
[12] 孙海彬,傅谦,徐良贤. Linux 内核模块的实现机制. 微电子学与计算机,2001(3):29-32
[13] 李善平等.Linux 与嵌入式系统.北京:清华大学出版社,2003,40-56
[14] 顾咏枫,陈章龙. 嵌入式 Linux 裁剪方法. 小型微型计算机系统,2003(9):1697-1700
[15] WANG Ya-jun , LIU Jin-gang. Research and realization of covering page-swapping mechanism by cutting Linux core. Computer Applications,2005(9):2165-2168
[16] 雷鸿,熊文龙,杨单.基于 Frame buffer 的 LCD 驱动程序的实现. 武汉理工大学学报,2006(1):106-109
[17] 张勇,裘雪红.嵌入式 Linux 下 JFFS2 文件系统的实现.计算机技术与发展,2006(4):29-31
[18] ZOU Miao,BAO Qi-liang. Optimal scheme of embedded Linux operating system for PC/104. Opto-electronic Engineering,2004(S1):152-155
[19] busybox 主页.http://www.busybox.net/
[20] 刘志勇 . 基于 PC/104 平台 Linux 内核启动过程分析 . 海洋技术, 2003(3):85-90
[21] 何先波,唐宁九,吕方等. ELF 文件格式及应用. 计算机应用研究,2001(11):144-150
[22] 刘宝祥. 谈谈动态链接与动态链接库. 科技信息(学术版),2006(7):347
[23] 饶运涛,邹继军,郑勇芸. 现场总线 CAN 原理与应用技术. 北京:北京航空航天大学出版社,2003.6 ,14-20
[24] 邹益仁,马增良,蒲维. 现场总线控制系统的设计和开发. 北京:国防工业出版社,2003.1,25-34
[25] 思泰基(SeaTech)电脑有限公司. CAN-bus 规范 V2.0 版本.pdf. 上海:思泰基(SeaTech)电脑有限公司.
[26] Cena, G., Valenzano, A. A protocol for automatic node discovery in CANopen networks. Industrial Electronics,2003,50(3):419-430
[27] 广州周立功单片机有限公司. PC104-CANuser.pdf. 广州:广州周立功单片机有限公司.
[28] 郭玉东. Linux 操作系统结构分析. 西安:西安电子科技大学出版社. 2002.1,406-423
[29] 王永杰,刘京菊,孙乐昌. Linux 可装载模块的开发与应用. 计算机应用研究,2002(7):143-146
[30] ALESSANDRO RUBINI,JONATHAN CORBET. LINUX DEVICE DRIVERS. USA: O’REILLY,2002,40-72
[31] 黄涛,周德恒. 基于 μClinux 嵌入式车载网络系统的 CAN 总线设备驱动程序设计. 计算机应用,2005(S1):415-420
[32] 兰晓红 . 嵌入式 Linux 中断设备驱动程序设计 . 计算机应用研究, 2003(5):96-98
[33] Robert Love. Linux 内核设计与实现. 北京:机械工业出版社. 2004.11 ,53-70
[34] 刘峥嵘,张智超,许振山等. 嵌入式 Linux 应用开发详解. 北京:机械工业出版社. 2004.6,250-255
[35] minigui 主页.http://minigui.org/
[36] 宋立新. 面向嵌入式操作系统的图形用户界面:[浙江大学硕士学位论文]. 浙江:浙江大学计算机系,2001,12-18
[37] 北京飞漫软件技术有限公司 . MINIGUI-USER-MANUAL-V1.3-1-C.pdf. 北京:北京飞漫软件技术有限公司.
[38] 杨丰萍; 卢伟海; 邢剑. MiniGUI 在真空断路器特性测试仪中的应用. 华东交通大学学报,2006(4):75-78
[39] 于孝辉,陈秋艳,李国义.嵌入式 Linux 下 MiniGUI 的移植及软件开发.辽宁工学院学报,2006(2):90-92
[40] 胡湘华.嵌入式 Linux 中图形用户界面的研究与实现:[国防科学技术大学硕士学位论文]. 浙江:国防科学技术大学计算机科学与技术,2002,15-16
[41] 张棣. 基于嵌入式 Linux 的 PDA 及其功能扩展研究:[西北工业大学硕士学位论文]. 陕西:西北工业大学控制理论与控制工程,2005,31-38
[42] 北京飞漫软件技术有限公司.MINIGUI-PROG-GUIDE-V1.3-C.pdf. 北京:北京飞漫软件技术有限公司.
[43] LI Zhiyu, XIAO Qiangui, SHEN Chunlin. The Expending Design of Multi-serial Ports Communication Based on PC/104Modules. Electronic Engineering & ProductWorld, 2005, 3: 75277.
[44] 程晓宇,毕笃彦,王浩学. Linux 下串行通信的实现及其在机载视频记录系统中的应用. 计算机应用与软件,2005(11):62-63
[45] Michael R. Sweet. Serial Programming Guide for POSIX Operating Syste. http://digilander.libero.it/robang/rubrica/serial.htm
[46] WANG Haixia, SHANG Fengjun, ZHOU Rongsheng. The Application of PC104 Serial Communication.Computing Techniques for Giophysical and Geochenical Exploration, 2001, 23 (2) : 1872191.
[47] MA Wenhui, LI Lanyou. The Serial Communication in Linux. Electronics Instrumentation Customer, 2005,12 (1) : 39241.
[48] Philip Koopman. Embedded System Design Issues ( the Rest of theStory). Proceedings of the IEEE International Conference onComputerDesign, 1996. 3102317.
[49] 武汉万德数码技术有限公司. VC312 嵌入式视频压缩卡用户手册. 武汉:武汉万德数码技术有限公司,2004,2-3
[50] 姚继锋. Linux 下的多线程编程. http:// www.chi2na2pub.com/ ,2005
[51] Gunnar Heine. GPRS: Gateway to Third-Generation Mobile Networks - [Book Review]. IEEE Communications Magazine, 2004, 42(7): 12
[52] Samjani A A. General Packet Radio Service [GPRS]. Potentials, 2002, 21(2): 12-15
[53] Yan Zhang, Boon-Hee Soong. Performance evaluation of GSM/GPRS networks with channel re-allocation scheme. IEEE Communications Letters, 2004, 8(5): 280 -282
[54] 深圳市宏电技术开发有限公司. 无线 DDN 通信系统 H7118 GPRS DTU 使用说明书. 深圳:深圳市宏电技术开发有限公司,2004,1-2
[55] 杨进勇. 基于 GPRS 网络的嵌入式手持终端设计与研究:[武汉理工大学硕士学位论文]. 武汉:武汉理工大学计算机应用技术,2005,11-17
[56] 李捍东,张晓勇,陈璇等.基于 Linux 的 GPRS 远程数据通信系统的研究与实现. 测控技术,2006(7),18-23