【文章內(nèi)容簡介】 于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計算機系統(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)用程序等四個部分組成，用于實現(xiàn)對其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能 [1]。嵌入式系統(tǒng)的特點：嵌入式系統(tǒng)功耗低、體積小、專用性強。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器芯片或單片機本身中，而不是存儲于磁盤等載體中。嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計，系統(tǒng)要精簡。操作系統(tǒng)一般和應(yīng)用軟件集成在一起。對軟件代碼質(zhì)量要求很高，應(yīng)該盡最大可能避免“死機”的發(fā)生。嵌入式系統(tǒng)開始需要專門的開發(fā)工具和開發(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） （要求實時和多任務(wù)操作）和應(yīng)用程序編程。有時設(shè)計人員把這兩種軟件組合在一起。應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運作和行為；而操作系統(tǒng)控制東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 1 章 引言 2 著應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用 [5]。嵌入式控制器的應(yīng)用幾乎無處不在:移動電話、家用電器、汽車……無不有它的蹤影。嵌入式控制器因其體積小、可靠性高、功能強、靈活方便等許多優(yōu)點,其應(yīng)用已深入到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、教育、國防、科研以及日常生活等各個領(lǐng)域,對各行各業(yè)的技術(shù)改造、產(chǎn)品更新?lián)Q代、加速自動化化進(jìn)程、提高生產(chǎn)率等方面起到了極其重要的推動作用。嵌入式計算機在應(yīng)用數(shù)量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了各種通用計算機,一臺通用計算機的外部設(shè)備中就包含了 5 10 個嵌入式微處理器。在制造工業(yè)、過程控制、網(wǎng)絡(luò)、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費類產(chǎn)品等方面均是嵌入式計算機的應(yīng)用領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)工業(yè)是專用計算機工業(yè),其目的就是要把一切變得更簡單、更方便、更普遍、更適用。通用計算機的發(fā)展變?yōu)楣δ茈娔X,普遍進(jìn)入社會,嵌入式計算機發(fā)展的目標(biāo)是專用電腦,實現(xiàn)“普遍化計算”,因此可以稱嵌入式智能芯片是構(gòu)成未來世界的“數(shù)字基因” [7]。 課題研究成果應(yīng)用的實際意義鐵路行車安全是鐵路運輸工作的重中之重。鐵路部門將防止貨物三重一超兩脫一開(超重，偏重,集重。超限。貨物脫落,蓬布脫落。車門開放)作為確保行車安全的重要工作常抓不懈,通過明確崗位責(zé)任制,強化作業(yè)現(xiàn)場管理等方法,但是由于歷史原因,鐵路現(xiàn)有的貨運貨物計量一直采用比較原始的計量方式:整車貨物以件計算,散裝貨物通過測定其密度來確定裝載高度,這些辦法非常不準(zhǔn)確,因而,貨運列車因為超重、偏載而引起斷軸、切軸、爬軌和列車顛覆事故時有發(fā)生,引起的事故駭人聽聞,極大地影響著鐵路運輸?shù)陌踩丸F路的整體形象，超偏超載近年來成為影響鐵路行車安全的重要因素，如果能方便,準(zhǔn)確,有效,及時地檢測列車超偏超重問題,便可極大限度地預(yù)防此類事故的發(fā)生,因此鐵路車輛超偏超載檢測對鐵路運輸有著極其重大的意義。由于鐵路車輛檢測具有重大意義，在超偏超重檢測方面有很多方法，最常見的有軌道衡方法。固定式軌道衡測量方法只具有簡單的靜態(tài)稱重功能,投資大且需要專門的稱重地點,不能檢測出偏載,而且由于安裝要求和成本較高,無法大量采用,使應(yīng)用受到很大的局限性。嵌入式的發(fā)展極大推動了計算機技術(shù)和計算機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使計算機與各個領(lǐng)域完美結(jié)合，所以將計算機技術(shù)與鐵路檢測結(jié)合起來，將檢測算法以計算機軟件形式經(jīng)過嵌入式開發(fā)應(yīng)用到現(xiàn)在鐵路檢測當(dāng)中。東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 1 章 引言 3 本課題研究的系統(tǒng)，是通過嵌入式系統(tǒng)，將超偏超生檢測算法通過程序移植到 ARM 機上，系統(tǒng)通過檢測人員的信息選擇及數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的計算、保存、打印，將計算得到的結(jié)果與車廂標(biāo)重比較，實現(xiàn)對車廂超偏超重的檢測。 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)，基于鐵路檢測系統(tǒng)的需求特點，完成嵌入式檢測系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)對車廂超偏超重的檢測。各章的內(nèi)容組織如下：第 2 章介紹了嵌入式 Linux 開發(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)實際情況補充了部分需求，提出了非功能性需求。第 4 章對系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計，對檢測系統(tǒng)的各個窗口進(jìn)行設(shè)計，包括login、mainDlg、measure 、myquery、disquery、browse4print、print、upload、key，并畫出個別窗口的類圖。第 5 章通過流程圖介紹了開始檢測、計算打印、查詢修改、聯(lián)機上傳四個模塊的實現(xiàn)，并簡單系統(tǒng)的工作流程。第 6 章介紹了利用工具進(jìn)行測試的情況，并對出現(xiàn)的錯誤進(jìn)行了分析解決。第 7 章結(jié)論部分是對整個論文工作的總結(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，同時指明了下一步的研究方向。東北大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 1 章 引言 4 東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 2 章 相關(guān)技術(shù)簡介 5 第 2 章 相關(guān)技術(shù)簡介 嵌入式 Linux 開發(fā)環(huán)境由于嵌入式系統(tǒng)本身相對于 PC 來說資源的缺乏，可能嵌入式設(shè)備上根本沒有標(biāo)準(zhǔn)顯示終端或者標(biāo)準(zhǔn)鍵盤，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)本身不具備自舉開發(fā)能力，只能先在 PC 上完成程序編寫、編譯、鏈接，之后把可執(zhí)行程序下載到嵌入式設(shè)備上運行。通常采用宿主機+目標(biāo)機的交叉調(diào)試方式。宿主機就是安裝有嵌入式 linux 開發(fā)環(huán)境的 PC 機，可以利用它強大的功能資源高效地完成目標(biāo)系統(tǒng)的開發(fā)。嵌入式開發(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)處理器及平臺的整個內(nèi)核源碼樹等?？梢宰约喝ソM建、移植所有的一切 [8]。 QT 系統(tǒng)QT 是一個支持多操作系統(tǒng)平臺的應(yīng)用程序開發(fā)框架，它的開發(fā)語言是C++。QT 最初主要是為跨平臺的軟件開發(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)庫操作的編程接口 [12,13,14]。QT 是以工具開發(fā)包的形式提供給開發(fā)者的，這些工具開發(fā)包包括了圖形設(shè)計器、Makefile 制作工具、字體國際化工具和 QT 的 C++類庫等。談到 C++類庫我們自然會想到 MFC。QT 的類庫等價于 MFC 的開發(fā)庫，但是 QT 的類庫是支持跨平臺的類庫，也就是說 QT 類庫封裝了適應(yīng)不同操作系統(tǒng)的訪問細(xì)節(jié)，這是 QT 的魅力所在。目前 QT 支持的操作系統(tǒng)平臺包括：MS/Windows 9 9 202 XP 和 VistaUnix/Linux 和很多其他 X11 平臺； Macintosh Mac OS X；Embedded 有 幀 緩 沖 (framebuffer)支 持 的 Linux 平 臺 ， Windows CE[10]。 QT/Embedded 開發(fā)環(huán)境QT/Embedded 是一個為嵌入式設(shè)備上的圖形用戶接口和應(yīng)用開發(fā)而定制的C++工具開發(fā)包。通?？梢赃\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 還包括了幾個提高開發(fā)速度的工具。一般來說，屬于 QT/Embedded 開發(fā)的應(yīng)用程序最終會發(fā)布到安裝有嵌入式東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 2 章 相關(guān)技術(shù)簡介 6 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 或者工作站來完成 QT/Embedded 開發(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QT 同 X Window 上的 Motif，Openwin，GTK 等圖形界面庫和 Windows 平臺上的 MFC，OWL，VCL，ATL 是同類型的東西，但是 QT 具有下列優(yōu)點: (1)優(yōu)良的跨平臺特性: 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螅篞T 的良好封裝機制使得 QT 的模塊化程度非常高，可重用性較好，對于用戶開發(fā)來說是非常方便的。QT 提供了一種稱為 signals/slots 的安全類型來替代 callback，這使得各個元件之間的協(xié)同工作變得十分簡單。 　　(3)豐富的 API ：QT 包括多達(dá) 250 個以上的 C++ 類，還提供基于模板的 collections，serialization，file，I/O device，directory management，date/time 類,甚至還包括正則表達(dá)式的處理功能。 QtopiaQtopia 是為采用嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)的消費電子設(shè)備而開發(fā)的綜合應(yīng)用平臺, 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)用程序啟動程序以及開發(fā)框架。 交叉編譯開發(fā)環(huán)境程序設(shè)計需要開發(fā)環(huán)境的支持。根據(jù)運行平臺的不同，開發(fā)環(huán)境分為本地開發(fā)環(huán)境和交叉開發(fā)環(huán)境，交叉開發(fā)環(huán)境又可分為開放型以及商業(yè)型兩大類。需要交叉開發(fā)環(huán)境的支持是嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)的一個顯著特點，交叉開發(fā)環(huán)境是指編譯、鏈接、和調(diào)試嵌入式應(yīng)用軟件的開發(fā)環(huán)境，與運行嵌入式應(yīng)用軟件的環(huán)境有所不同，通常采用宿主機+目標(biāo)機 [6]。高級語言編寫的源文件主機系統(tǒng)目標(biāo)處理器匯編語言編寫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)東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 2 章 相關(guān)技術(shù)簡介 7 圖 交叉編譯過程 本章小結(jié)本章等待先對嵌入式 Linux 開發(fā)環(huán)境進(jìn)行了簡單介紹，以及當(dāng)今嵌入式開發(fā)流行的原因；介紹了 QT 系統(tǒng)、如何建立 QT/Embedded 開發(fā)環(huán)境、QT 的優(yōu)勢以及 Qtopia 開發(fā)平臺；同時介紹了交叉編譯開發(fā)環(huán)境。東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 2 章 相關(guān)技術(shù)簡介 8 東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（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，是用戶和開發(fā)人員之間進(jìn)行討論的基礎(chǔ)，并作為系統(tǒng)設(shè)計、實現(xiàn)以及測試的依據(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、系統(tǒng)實現(xiàn)的順利進(jìn)行，為后期測試提供必要的支持。 系統(tǒng)實現(xiàn)目標(biāo)在火車載重檢測過程中，首先分別在空/重（K/Z）情況下，對火車車廂四軸彈簧壓縮情況進(jìn)行測量，數(shù)據(jù)采集、錄入、保存，通過系統(tǒng)計算，將計算結(jié)果與標(biāo)重（BZ）比較，檢測車輛是否超偏超重。為保證檢測系統(tǒng)能夠有效地為車輛超偏超重檢測人員服務(wù)，從功能上必須達(dá)到以下目標(biāo)：必須實現(xiàn)在車輛超偏超重檢測過程中的所有必需功能。作為超偏超重檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)必須能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集、錄入，保存，查找、打印等功能，保證系統(tǒng)實現(xiàn)的功能的有效性。必須保證檢測人員得到數(shù)據(jù)的及時性和可靠性。檢測人員作為整個系統(tǒng)的操作者，系統(tǒng)的信息通過檢測人員的采集和錄入，通過卡尺采集到的數(shù)據(jù)也必須快速傳達(dá)給系統(tǒng)，同時，要保證得到的數(shù)據(jù)的可靠性。必須保證檢測人員和系統(tǒng)之間進(jìn)行有效地通信。對于檢測系統(tǒng)而言，通過系統(tǒng)計算得到的數(shù)據(jù)，對車輛是否進(jìn)行調(diào)整尤其重要，所以，要保證檢測人員和系統(tǒng)通信的通暢性、有效性，提高系統(tǒng)檢測的效率。 系統(tǒng)運行環(huán)境硬件環(huán)境：嵌入式開發(fā)板 FriendlyARM，數(shù)據(jù)采集卡尺，熱敏打印機，軟件環(huán)境：VMware 下的 LinuxRedHat 操作系統(tǒng)，采用 QT 系統(tǒng)的 C++程序開發(fā)。 功能性需求描述在面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)分析中，獲取功能需求的最常用的技術(shù)就是用例建模技術(shù)。它能夠直觀地向客戶展示系統(tǒng)的功能，方便技術(shù)人員準(zhǔn)確地獲取需求。在項目開發(fā)的前期，它幫助開發(fā)人員理解系統(tǒng)的需求而不考慮具體的實現(xiàn)方法。東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 3 章 需求分析 10 用例，表示系統(tǒng)的一種行為或者某個功能。它是在特定條件下，為了達(dá)到某種目的，系統(tǒng)和用戶之間進(jìn)行交互的一個序列。用例模型由參與者和用例組成，參與者是與系統(tǒng)進(jìn)行交互的外部實體，可能是某個人或者是某個事物。下圖顯示的就是本系統(tǒng)的用例圖。本系統(tǒng)中，參與者是檢測人員，對于用例分析來說，只有用例圖和用例描述相結(jié)合才能表示系統(tǒng)的需求，相關(guān)的用例描述如下：系 統(tǒng)檢測人員登錄退出 u s e s 開始檢測計算打印查詢修改聯(lián)機上傳 u s e s u s e s u s e s u