【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ....................................................................................... 45 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1章 引言 1 第 1章 引 言 課題研究的背景和來(lái)源 鐵路作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，鐵路貨運(yùn)在現(xiàn)代物流體系中發(fā)揮著重要作用，為了能更好的為國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速的發(fā)展提供運(yùn)力，保證鐵路貨運(yùn)的安全，對(duì)火車(chē)安全系數(shù)的檢測(cè)顯得尤為重要。 隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，特別是大規(guī)模集成電路的產(chǎn)生而出現(xiàn)的微型機(jī)，使現(xiàn)代 科學(xué)研究得到了質(zhì)的飛躍，而嵌入式微控制器技術(shù)的出現(xiàn)則是給現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域帶來(lái)了一次新的技術(shù)革命。超偏超重檢測(cè)系統(tǒng)就是基于嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，滿足現(xiàn)代鐵路貨運(yùn)檢測(cè)的嵌入式新產(chǎn)品。 同其他計(jì)算機(jī)技術(shù)一樣，嵌入式也是在硬件和軟件交替發(fā)展的雙螺旋支撐下逐漸趨于穩(wěn)定和成熟的。 嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等四個(gè)部分組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控 制、監(jiān)視或管理等功能 [1]。 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)：嵌入式系統(tǒng)功耗低、體積小、專(zhuān)用性強(qiáng)。嵌入式系統(tǒng)與PC的最大不同就是嵌入式 CPU 大多工作在為特定用戶群的系統(tǒng)中，能夠把 PC 中許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨于小型化。 為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲(chǔ)器芯片或單片機(jī)本身中，而不是存儲(chǔ)于磁盤(pán)等載體中。 嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計(jì)，系統(tǒng)要精簡(jiǎn)。操作系統(tǒng)一般和應(yīng)用軟件集成在一起。 對(duì)軟件代碼質(zhì)量要求很高，應(yīng)該盡最大可能避免“死機(jī)”的發(fā)生。 嵌 入式系統(tǒng)開(kāi)始需要專(zhuān)門(mén)的開(kāi)發(fā)工具和開(kāi)發(fā)環(huán)境。 嵌入式系統(tǒng)一般指非 PC 系統(tǒng)，它包括硬件和軟件兩部分。硬件包括處理器／微處理器、存儲(chǔ)器及外設(shè)器件和 I／ O端口、圖形控制器等。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件（ OS）（要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)操作）和應(yīng)用程序編程。有時(shí)設(shè)計(jì)人員把這兩種軟件組合在一起。應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運(yùn)作和行為；而操作系統(tǒng)控制著應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用 [5]。 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1章 引言 2 嵌入式控制器的應(yīng)用幾乎無(wú)處不在 :移動(dòng)電話、家用電器、汽車(chē) ?? 無(wú)不有它的蹤影。嵌入 式 控制器因其體積小、可靠性高、功能強(qiáng)、靈活方便等許多優(yōu)點(diǎn) ,其應(yīng)用已深入到 工業(yè)、農(nóng)業(yè)、教育、國(guó)防、科研以及日常生活等各個(gè)領(lǐng)域 ,對(duì)各行各業(yè)的技術(shù)改造、產(chǎn)品更新?lián)Q代、加速自動(dòng)化化進(jìn)程、提高生產(chǎn)率等方面起到了極其重要的推動(dòng)作用。 嵌入式計(jì)算機(jī)在應(yīng)用數(shù)量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了各種通用計(jì)算機(jī) ,一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備中就包含了 5 10 個(gè)嵌入式微處理器。在制造工業(yè)、過(guò)程控制、網(wǎng)絡(luò)、通訊、儀器、儀表、汽車(chē)、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品等方面均是嵌入式計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。 嵌入式系統(tǒng)工業(yè)是專(zhuān)用計(jì)算機(jī)工業(yè) ,其目的就是要把一切變得更簡(jiǎn)單、更方便、更普遍、更適用 。通用計(jì)算機(jī)的發(fā)展變?yōu)楣δ茈娔X ,普遍 進(jìn)入社會(huì) ,嵌入式計(jì)算機(jī)發(fā)展的目標(biāo)是專(zhuān)用電腦 ,實(shí)現(xiàn) “ 普遍化計(jì)算 ”, 因此可以稱(chēng)嵌入式智能芯片是構(gòu)成未來(lái)世界的 “ 數(shù)字基因 ” [7]。 課題研究成果應(yīng)用的實(shí)際意義 鐵路行車(chē)安全是鐵路運(yùn)輸工作的重中之重 。 鐵路部門(mén)將防止貨物 三重一超兩脫一開(kāi) (超重， 偏重 ,集重 。超限 。貨物脫落 ,蓬布脫落 。車(chē)門(mén)開(kāi)放 )作為確保行車(chē)安全的重要工作常抓不懈 ,通過(guò)明確崗位責(zé)任制 ,強(qiáng)化作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)管理等方法 ,但是由于歷史原因 ,鐵路現(xiàn)有的貨運(yùn)貨物計(jì)量一直采用比較原始的計(jì)量方式 :整車(chē)貨物以件計(jì)算 ,散裝貨物通過(guò)測(cè)定其密度來(lái)確定裝載高度 ,這些辦法非常不準(zhǔn)確 ,因而 ,貨運(yùn)列車(chē)因?yàn)槌?重、 偏載而引起斷軸 、 切軸 、 爬軌和列車(chē)顛覆事故時(shí)有發(fā)生 ,引起的事故駭人聽(tīng)聞 ,極大地影響著鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩丸F路的整體形象 ，超偏超載近年來(lái)成為影響鐵路行車(chē)安全的重要因素 ， 如果能方便 ,準(zhǔn)確 ,有效 ,及時(shí)地檢測(cè)列車(chē) 超偏超重 問(wèn)題 ,便可極大限度地預(yù)防此類(lèi)事故的發(fā)生 ,因此鐵路車(chē)輛超偏超 載檢測(cè) 對(duì) 鐵路運(yùn)輸有著極其重大的意義 。 由于鐵路車(chē)輛檢測(cè)具有重大意義，在超偏超重檢測(cè)方面有很多方法，最常見(jiàn)的有 軌道衡方法 。 固定式軌道衡測(cè)量方法只具有簡(jiǎn)單的靜態(tài)稱(chēng)重功能 ,投資大且需要專(zhuān)門(mén)的稱(chēng)重地點(diǎn) ,不能檢測(cè)出偏載 ,而且 由 于安裝要求 和成本較高 ,無(wú)法大量采用 ,使應(yīng)用受到很大的局限性 。嵌入式的發(fā)展極大推動(dòng)了計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使計(jì)算機(jī)與各個(gè)領(lǐng)域完美結(jié)合，所以將計(jì)算機(jī)技術(shù)與鐵路檢測(cè)結(jié)合起來(lái)，將檢測(cè)算法以計(jì)算機(jī)軟件形式經(jīng)過(guò)嵌入式開(kāi)發(fā)應(yīng)用到現(xiàn)在鐵路檢測(cè)當(dāng)中。 本課題研究的系統(tǒng)，是通過(guò)嵌入式系統(tǒng)，將超偏超生檢測(cè)算法通過(guò)程序移植到 ARM 機(jī)上，系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)人員的信息選擇及數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算、保東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1章 引言 3 存、打印，將計(jì)算得到的結(jié)果與車(chē)廂標(biāo)重比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)廂超偏超重的檢測(cè)。 本文的內(nèi)容及主要工作 本文在分析介紹了嵌入式系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)，基于鐵 路檢測(cè)系統(tǒng)的需求特點(diǎn)，完成嵌入式檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)廂超偏超重的檢測(cè)。 各章的內(nèi)容組織如下： 第 2章介紹了 嵌入式 Linux 開(kāi)發(fā)環(huán)境 、 QT系統(tǒng) 、 交叉編譯 技術(shù) 。 第 3章分析了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境，利用用例建模分析系統(tǒng)的功能需求， 并且根據(jù)實(shí)際情況補(bǔ)充了部分需求，提出了非功能性需求。 第 4章 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行 總體設(shè)計(jì)， 對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的各個(gè)窗口進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括 login、mainDlg、 measure 、 myquery、 disquery、 browse4print、 print、 upload、 key，并畫(huà)出個(gè)別窗口的類(lèi)圖。 第 5章 通過(guò)流 程圖介紹了開(kāi)始檢測(cè)、計(jì)算打印、查詢修改、聯(lián)機(jī)上傳四個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)，并簡(jiǎn)單系統(tǒng)的工作流程。 第 6章介紹了利用工具進(jìn)行測(cè)試的情況，并對(duì)出現(xiàn)的錯(cuò)誤進(jìn)行了分析解決 。 第 7 章結(jié)論部分是對(duì)整個(gè)論文工作的總結(jié)以及下一步工作的展望，指出我們工作中有待改進(jìn)的地方，同時(shí)指明了下一步的研究方向。 東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1章 引言 4 東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 章 相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)介 5 第 2章 相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)介 嵌入式 Linux 開(kāi)發(fā)環(huán)境 由于嵌入式系統(tǒng)本身相對(duì)于 PC 來(lái)說(shuō)資源的缺乏，可能嵌入式設(shè)備上根本沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)顯示終端或者標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)，因此也就不可能在嵌入式設(shè)備上直接進(jìn)行程序編制，即嵌入式系統(tǒng)本身不具備自舉開(kāi)發(fā)能力，只能先在 PC 上完成 程序編寫(xiě)、編譯、鏈接，之后把可執(zhí)行程序下載到嵌入式設(shè)備上運(yùn)行。通常采用宿主機(jī) +目標(biāo)機(jī)的交叉調(diào)試方式。宿主機(jī)就是安裝有嵌入式 linux 開(kāi)發(fā)環(huán)境的 PC 機(jī)，可以利用它強(qiáng)大的功能資源高效地完成目標(biāo)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。嵌入式開(kāi)發(fā)通常需要有交叉編譯、調(diào)試等系列工具、目標(biāo)板的編程下載工具、目標(biāo)處理器及平臺(tái)的整個(gè)內(nèi)核源碼樹(shù)等?？梢宰约喝ソM建、移植所有的一切 [8]。 QT 系統(tǒng) QT 是一個(gè)支持多操作系統(tǒng)平臺(tái)的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)框架，它的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言是 C++。QT最初主要是為跨平臺(tái)的軟件開(kāi)發(fā)者提供統(tǒng)一的、精美的圖形用戶編程接口，但是現(xiàn)在它也提供了 統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)操作的編程接口 [12,13,14]。 QT 是以工具開(kāi)發(fā)包的形式提供給開(kāi)發(fā)者的，這些工具開(kāi)發(fā)包包括了圖形設(shè)計(jì)器、 Makefile 制作工具、字體國(guó)際化工具和 QT 的 C++類(lèi)庫(kù)等。談到 C++類(lèi)庫(kù)我們自然會(huì)想到 MFC。 QT 的類(lèi)庫(kù)等價(jià)于 MFC 的開(kāi)發(fā)庫(kù)，但是 QT 的類(lèi)庫(kù)是支持跨平臺(tái)的類(lèi)庫(kù)，也就是說(shuō) QT 類(lèi)庫(kù)封裝了適應(yīng)不同操作系統(tǒng)的訪問(wèn)細(xì)節(jié)，這是 QT 的魅力所在。目前 QT 支持的操作系統(tǒng)平臺(tái)包括： MS/Windows 9 9 20 XP 和 Vista Unix/Linux 和很多其他 X11 平臺(tái)； Macintosh Mac OS X； Embedded 有幀緩沖 (framebuffer)支持的 Linux 平 臺(tái)， Windows CE[10]。 QT/Embedded 開(kāi)發(fā)環(huán)境 QT/Embedded 是一個(gè)為嵌入式設(shè)備上的圖形用戶接口和應(yīng)用 開(kāi)發(fā)而定制的C++工具開(kāi)發(fā)包。通?？梢赃\(yùn)行在多種不同的處理器上部署的嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)上。此外， QT/Embedded 還包括了幾個(gè)提高開(kāi)發(fā)速度的工具。 一般來(lái)說(shuō)，屬于 QT/Embedded 開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序最終會(huì)發(fā)布到安裝有嵌入式Linux 操作系統(tǒng)的小型設(shè)備上，所以使用裝有 Linux 操作系統(tǒng)的 PC 或者工作站東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 章 相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)介 6 來(lái)完成 QT/Embedded 開(kāi)發(fā)當(dāng)然是最理想的環(huán)境，盡管 QT/Embedded 也可以安裝在UNIX 和 Windows 系統(tǒng)上 [13]。 QT 的優(yōu)勢(shì) QT 同 X Window 上的 Motif， Openwin， GTK 等圖形界面庫(kù)和 Windows 平臺(tái)上的 MFC， OWL， VCL， ATL 是同類(lèi)型的東西，但是 QT 具有下列優(yōu)點(diǎn) : (1)優(yōu)良的跨平臺(tái)特性 : QT 支持下列操作系統(tǒng) : Microsoft Windows 95/98，Microsoft Windows NT， Linux， Sun OS， HPUX，等等。 (2)面向?qū)ο螅?QT的良好封裝機(jī)制使得 QT的模塊化程度非常高，可重用性較好，對(duì)于用戶開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)是非常方便的。 QT 提供了一種稱(chēng)為 signals/slots 的安全類(lèi)型來(lái)替代 callback，這使得各個(gè)元件 之間的協(xié)同工作變得十分簡(jiǎn)單。 (3)豐富的 API ： QT 包括多達(dá) 250 個(gè)以上的 C++ 類(lèi)，還提供基于模板的 collections， serialization， file， I/O device， directory management，date/time 類(lèi) ,甚至還包括正則表達(dá)式的處理功能。 Qtopia Qtopia 是為采用嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)的消費(fèi)電子設(shè)備而開(kāi)發(fā)的綜合應(yīng)用平臺(tái) , Qtopia 包含完整的應(yīng)用層、靈活的用戶界面、窗口操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序啟動(dòng)程序以及開(kāi)發(fā)框架。 交叉編譯開(kāi)發(fā)環(huán)境 程序設(shè)計(jì)需要開(kāi)發(fā)環(huán)境的支持。根據(jù)運(yùn)行平臺(tái)的不同，開(kāi)發(fā)環(huán)境分為本地開(kāi)發(fā)環(huán)境和交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境，交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境又可分為開(kāi)放型以及商業(yè)型兩大類(lèi)。需要交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境的支持是嵌入式應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)的一個(gè)顯著特點(diǎn)，交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境是指編譯、鏈接、和調(diào)試嵌入式應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境，與運(yùn)行嵌入式應(yīng)用軟件的環(huán)境有所不同，通常采用宿主機(jī) +目標(biāo)機(jī) [6]。 高 級(jí) 語(yǔ) 言 編 寫(xiě) 的源 文 件主 機(jī) 系 統(tǒng)目 標(biāo) 處 理 器 匯 編語(yǔ) 言 編 寫(xiě) 的 源 文件交 叉 編 譯 器交 叉 匯 編 器目 標(biāo) 文 件目 標(biāo) 文 件鏈 接 器二 進(jìn) 制 可 執(zhí)行 文 件目標(biāo)系統(tǒng) 圖 交叉編譯過(guò)程 東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 章 相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)介 7 本章小結(jié) 本章等待先對(duì)嵌入式 Linux 開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，以及當(dāng)今嵌入式開(kāi)發(fā)流行的原因；介紹了 QT 系統(tǒng)、如何建立 QT/Embedded 開(kāi)發(fā)環(huán)境、 QT 的優(yōu)勢(shì)以及Qtopia 開(kāi)發(fā)平臺(tái)；同時(shí)介紹了交叉編譯開(kāi)發(fā)環(huán)境。 東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 章 相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)介 8 東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 章 需求分析 9 第 3章 需求分析 軟件 需求分析 所要做的工作是深入描述軟件的功能和性能，確定 軟件設(shè)計(jì) 的限制和軟件同其它系統(tǒng)元素的接口細(xì)節(jié)，定義軟件的其它有效性需求。 它的主要用途是明確系統(tǒng)需求，是用戶和開(kāi)發(fā)人員之間進(jìn)行討論的基礎(chǔ)，并作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)以及測(cè)試的依據(jù)。只有準(zhǔn)確全面的需求獲取與分析才能保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的順利進(jìn)行，為后期測(cè)試提供必要的支持。 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo) 在火車(chē)載重檢測(cè)過(guò)程中，首先分別在空 /重（ K/Z）情況下，對(duì)火車(chē)車(chē)廂四軸彈簧壓縮情況進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)采集、錄入、保存 ，通過(guò)系統(tǒng)計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與標(biāo)重（ BZ）比較，檢測(cè)車(chē)輛是否超偏超重。