楊存祥，楊慧娟，牛云龍

(鄭州輕工業(yè)學院電氣信息工程學院，河南鄭州 450002)

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RT-Thread及Cortex-M4在智能氣密性檢測儀上的應用

楊存祥，楊慧娟，牛云龍

(鄭州輕工業(yè)學院電氣信息工程學院，河南鄭州 450002)

通過對現(xiàn)有氣密性檢測儀進行分析，結(jié)合其優(yōu)缺點，設計出一種基于RT-Thread及Cortex-M4處理器的智能化方案。使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡建立各個因素之間的模型，處理檢測數(shù)據(jù)，彌補了直壓法在精度上的不足；使用Cortex-M4作為硬件核心，完成氣路、數(shù)據(jù)采集及輸出等模塊的硬件設計；移植RT-Thread作為軟件平臺，使用多線程技術完成系統(tǒng)應用軟件的開發(fā)。該設計方案和數(shù)據(jù)處理算法使該設計具有智能化、穩(wěn)定可靠、精度高、人機接口良好、成本低等特點。

RT-Thread；Cortex-M4；實時操作系統(tǒng)；氣密性；BP神經(jīng)網(wǎng)絡；智能檢測

0 引言

在日常的生產(chǎn)與生活中，很多領域需要對設備的密封性進行檢測，這不僅僅關乎設備的性能能否滿足要求，有的時候更涉及到人身安全。氣密性檢測是設備密封性能的重要檢查手段，肥皂膜法、差壓法、直壓法等是目前常用的氣密性檢測手段。肥皂膜法是一種完全依靠人工的方法，效率低且可靠性差。壓差檢測法是目前比較成熟的一種氣密性檢測方法，但是其設計比較復雜，故障率較高[1]。所以通過對直壓法的改進，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)處理，使直壓法不但設計簡單，并且能夠滿足對性能的要求。

現(xiàn)有的氣密性檢測儀大多是基于8位單片機或者利用Linux平臺，前者已經(jīng)遠不能滿足智能儀器的要求，而基于Linux的設備又過于復雜，開發(fā)難度大。所以文中提出了一種基于實時操作系統(tǒng)RT-thread和新型數(shù)字信號控制器Cortex-M4的方案。

1 檢測原理

直壓法是一種通過給被測容器通入壓縮氣體，利用壓力傳感器檢測被測容器在一定環(huán)境下，內(nèi)部壓力的變化情況，從而推算出被測容器密封狀況及泄漏量的方法。理想氣體狀態(tài)方程式見式(1)。

pV=nRT

(1)

式中:p為壓強，Pa；V為體積，m3；n為摩爾質(zhì)量，mol；R為理想氣體常數(shù)；T為溫度，K。

在檢測過程中，在T1時刻容積為V的初始態(tài)為p1；在T2時刻的終止態(tài)壓強為p2，Δp為壓力差。從而可以推算出泄漏的氣體量Q為

(2)

待測容器內(nèi)氣體運動狀況十分復雜，是一個動態(tài)的非線性過程。容器體積、環(huán)境溫度、測試壓強和測試時間等都會對最終的泄漏量測算產(chǎn)生影響，所以很難建立一個精確的物理模型。BP神經(jīng)網(wǎng)絡有很強的非線性映射能力，被應用在數(shù)學建模以及函數(shù)逼近等眾多領域，所以本文利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡來建立待測容器泄漏量與各個相關變量間的數(shù)學模型，該網(wǎng)絡形成了一個從系統(tǒng)輸入到系統(tǒng)輸出的非線性映射。用于氣密性檢測的BP神經(jīng)網(wǎng)絡的系統(tǒng)結(jié)構，包含輸入層、隱含層和輸出層。輸入層包含測試壓力、環(huán)境溫度、保壓時間和容器體積這4個節(jié)點。在儀器的適用范圍內(nèi)，選取具有不同輸入變量的訓練樣本對該網(wǎng)絡進行訓練[2]。神經(jīng)網(wǎng)絡的系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示。

圖1 神經(jīng)網(wǎng)絡的系統(tǒng)結(jié)構

改進直壓法的整個檢測過程分為充氣階段、檢測階段和平衡階段這3個階段。首先電磁閥導通為待測容器充氣，待容器內(nèi)壓力達到設定值時關閉電磁閥，進入檢測階段。在檢測階段記錄待測容器內(nèi)氣壓及溫度隨時間的變化情況，然后推算出最終測試結(jié)果。在完成上述過程后，打開排氣閥為待測容器排氣，一個測試周期結(jié)束。改進直壓法的氣路原理如圖2所示。

圖2 改進直壓法的氣路原理

2 硬件設計

依據(jù)系統(tǒng)的檢測原理及目的，系統(tǒng)硬件構成主要有數(shù)字信號控制器、傳感器、顯示模塊、存儲模塊、通信模塊和電源模塊等幾部分。系統(tǒng)的硬件結(jié)構設計如圖3所示。

圖3 硬件系統(tǒng)框圖

處理器選用STM32F373，這是一款基于Cortex-M4內(nèi)核的嵌入式處理器。Cortex-M4在要求易于使用的數(shù)字信號處理及控制功能混合的數(shù)字信號控制領域適用，它擁有擴展的單周期乘法累加(MAC) 指令、優(yōu)化的 SIMD 運算、單精度浮點單元(FPU)等DSP擴展，因而被稱為數(shù)字信號控制器。STM32F373集成了豐富的片上外設，如16ADC、CAN、SPI、I2C等模塊[3]。

氣壓傳感器選用GB-3000A(G)型擴散硅壓力變送器，其量程為0～600 kPa，輸出信號范圍為4～20 mA，輸出信號經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換電路調(diào)理后，由STM32F373自帶的16位高速A/D轉(zhuǎn)換器進行采樣。溫度傳感器使用DS18B20，是一款高精度的單總線數(shù)字溫度傳感器，通過處理器的I/O口模擬時序來讀取溫度值。

系統(tǒng)的人機接口部分使用4.3″(1″=2.54 cm)的四線電阻式TFT觸摸屏，此觸摸屏的液晶屏控制器為ILI9320，采用26萬色，分辨率為480×272，使用16位并行接口。觸摸屏控制芯片為XPT2046,這是一款4線電阻式觸摸屏控制器，內(nèi)含12位分辨率125 kHz轉(zhuǎn)換速率逐步逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，使用SPI接口與控制器通信。

數(shù)據(jù)存儲部分使用1片W25X16來存儲系統(tǒng)的配置信息及字庫，是一款具有SPI接口的Flash芯片。SD卡接口用來方便使用SD卡來存儲測試數(shù)據(jù)，此接口使用的是SD卡的SPI通信模式。

USB接口和以太網(wǎng)接口用來和上位機通信。STM32F373自帶USB2．0接口，因為數(shù)據(jù)量不大，所以被枚舉為HID設備，不但避免了上位機中USB設備驅(qū)動的開發(fā)，還獲得了在不同操作系統(tǒng)中較好的兼容性。以太網(wǎng)接口芯片使用的是DM9000AE，為16接口模式，此外還使用了一個串口以方便調(diào)試。

傳感器、數(shù)字系統(tǒng)、繼電器等需要的電源各不相同，PCB設計中使用電源分割技術分別供電。為了提高信號質(zhì)量，分開數(shù)字地和模擬地，可以將各個不同電平的電源通過去耦磁環(huán)接地。繼電器線圈側(cè)使用1N4148作為續(xù)流二極管來保護電路。使用GPIO來控制各個繼電器、電磁閥。

3 軟件設計

3．1 RTOS平臺的選擇

RT-Thread是一款穩(wěn)定的開源實時操作系統(tǒng)，采用面向?qū)ο蟮脑O計思想，內(nèi)建有對象管理系統(tǒng)，以線程為基本調(diào)度單位，使用基于優(yōu)先級的可搶占的調(diào)度算法。調(diào)度器采用位圖算法，可以在恒定的時間內(nèi)找到具有最高優(yōu)先級的就緒線程，也就是說其時間復雜度為0(1)。RT-Thread支持互斥鎖和信號量進行線程間同步，擁有郵箱、消息隊列和事件等進程間通信機制。RT-Thread采用模塊化設計，不僅包含1個穩(wěn)定高效的實時內(nèi)核，更是一套完備的嵌入式系統(tǒng)軟件平臺，包含F(xiàn)inSH、RTGUI、輕型的TCP/IP協(xié)議棧和文件系統(tǒng)等組件，是為中小型嵌入式應用專門設計的實時操作系統(tǒng)[4]。

3．2 線程設計

采用多線程技術可以減小系統(tǒng)開銷，降低應用程序開發(fā)的復雜度，提高系統(tǒng)的可靠性和效率。RT-Thread以線程為最小的調(diào)度單位，采用基于優(yōu)先級的全搶占式調(diào)度算法。針對本應用，設計了守護線程、數(shù)據(jù)處理線程和數(shù)據(jù)輸出線程這3條主要線程，它們之間利用RT-Thread提供的線程間通信手段進行通信，這幾條主要線程間的相互關系如圖4所示。

圖4 線程交互示意圖

守護線程負責處理對實時性要求較高的任務，負責各個軟件模塊間的協(xié)調(diào)，具有最高的優(yōu)先級。當A/D、觸摸屏、USB和網(wǎng)絡等硬件模塊需要與處理器通信時，會通過中斷發(fā)送消息來喚醒并通知守護線程。守護線程是系統(tǒng)啟動后調(diào)度的第1個線程，在它的初始化部分，會根據(jù)存儲在SPI FLASH中的系統(tǒng)參數(shù)，完成測試系統(tǒng)的初始化。接著系統(tǒng)守護線程開始進入事件循環(huán)，處理來自觸摸屏、USB接口、A/D或者網(wǎng)絡的輸入中斷，根據(jù)輸入來重新配置系統(tǒng)參數(shù)或開啟1個測試流程。守護線程還負責在A/D中斷到來時采集數(shù)據(jù)，并通過郵箱將數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理線程，在得到數(shù)據(jù)處理線程的處理結(jié)果后，根據(jù)配置發(fā)送消息到數(shù)據(jù)輸出線程。此外，這個線程還負責測試的流程控制，通過GPIO控制各個電磁閥和繼電器，并在適當?shù)臅r機激活其他線程[5]。

數(shù)據(jù)處理線程在接收到守護線程的郵箱通知后，會進入就緒狀態(tài)，在適當?shù)臅r機被內(nèi)核調(diào)度。該線程負責從緩沖區(qū)內(nèi)讀取采集到的數(shù)據(jù)，依據(jù)設計好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法對數(shù)據(jù)進行處理，并將處理好的數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)中，然后通過郵箱將處理后數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)地址發(fā)送給數(shù)據(jù)輸出線程，并使用消息機制通知守護線程執(zhí)行結(jié)果。

數(shù)據(jù)輸出線程在接收到數(shù)據(jù)處理線程的郵件以及守護線程通過消息發(fā)送過來的配置信息和命令后，負責將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)顯示在觸摸屏上，并根據(jù)配置向USB接口和以太網(wǎng)接口發(fā)送數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)保存到SD卡中。這些都是比較耗時且對實時性要求不高的工作，所以該線程的優(yōu)先級較低，在系統(tǒng)較空閑的時候得到調(diào)度。在完成相應工作后，數(shù)據(jù)輸出線程會發(fā)出消息通知守護線程各項工作的執(zhí)行結(jié)果，然后放棄CPU使用權，守護線程得到調(diào)度，至此完成一個測試流程。

3．3 USB接口設計

USB接口負責與上位機進行通信，因為數(shù)據(jù)量不大，所以將系統(tǒng)枚舉為自定義HID設備，因為上位機操作系統(tǒng)一般自帶HID驅(qū)動，從而免去了上位機中設備驅(qū)動的開發(fā)，簡化了設備的開發(fā)和使用。接口使用兩個中斷端點，輸出端點的緩沖區(qū)長度定義為16 Byte，用于接收上位機命令，輸入端點的緩沖區(qū)長度定義為64 Byte，用于向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)[6]。

3．4 網(wǎng)絡接口設計

網(wǎng)絡接口的軟件開發(fā)主要是完成了網(wǎng)卡驅(qū)動程序的設計，采用LwIP這一輕量級的TCP/IP協(xié)議棧為系統(tǒng)提供網(wǎng)絡服務。在需要的時候，系統(tǒng)會使用TCP協(xié)議將測得的數(shù)據(jù)可靠地上傳到上位機中。

3．5 文件系統(tǒng)設計

RT-Thread的文件系統(tǒng)采用3層結(jié)構，最底層的是各類存儲設備的驅(qū)動，使用SPI接口訪問SD卡，由驅(qū)動程序向上層提供相應的SD卡訪問接口。接下來是具體文件系統(tǒng)的實現(xiàn)層，這里利用FATFS在SD中實現(xiàn)了FAT32這種常用于PC中的文件系統(tǒng)，方便在PC中分析采集的數(shù)據(jù)。最上層利用中間層提供的文件系統(tǒng)訪問接口，向系統(tǒng)提供統(tǒng)一設備虛擬文件系統(tǒng)POSIX標準接口。

4 結(jié)束語

文中討論了一種智能化的氣密性測試系統(tǒng)，它利用經(jīng)過大量樣本訓練過的BP神經(jīng)網(wǎng)絡對傳統(tǒng)的直壓法進行改進，提高了測試精度。先進的Cortex-M4內(nèi)核的數(shù)字信號控制器提供了系統(tǒng)運行實時操作系統(tǒng)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法所需要的運算可控制能力。新型的實時操作系統(tǒng)RT-Thread在降低系統(tǒng)軟件開發(fā)復雜度的同時保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時性。該氣密檢測儀具有結(jié)構簡單、快捷、準確、高效等特點，并且基于Cortex-M4及RT-thread的設計思想還可方便的移植到其它智能儀器的設計中。

[1] 朱正德．科學完善的泄漏計量體系的建立與實踐．組合機床與自動化加工技術，2002(11):4-6．

[2] 趙勇．基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的溫度預測在高壓氣密性檢測中的應用研究：[學位論文]．合肥：中國科學技術大學，2009．

[3] 邱祎．嵌入式實時操作系統(tǒng)RT-Thread的設計與實現(xiàn)：[學位論文]．西安：電子科技大學，2007．

[4] 熊譜翔．RT-Thread實時操作系統(tǒng)編程指南．上海: RT-Thread工作室，2010．

[5] 劉軍．例說STM32．北京：北京航空航天大學出版社，2011．

[6] 熊譜翔．RT-Thread源碼及簡介[EB/OL]．(2012-11-14) [2013-12-10]．http://www．rt-thread．org．

Application of RT-Thread and Cortex-M4 for Intelligent and Airtight Detecting Device

YANG Cun-xiang,YANG Hui-juan,NIU Yun-long

(School of Electric and Information Engineering,Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou 450002,China)

Through the analysis of the existing air leakage detector,combined with its advantages and disadvantages,an intelligent solution based on RT-Thread and Cortex-M4 processor was designed,BP neural network was used to establish a model between various factors,process data and make up for the deficiency of the direct pressure method in accuracy．Cortex-M4,as the hardware core,was used to control the gas path,acquisition and output data．RT-Thread was transplanted as the software platform and the system application software development was developed using multi thread technology．Advanced design and data processing algorithms enable the design intelligent,reliable,of high accuracy,good man-machine interfaces,low cost,and so on．

RT-Thread;Cortex-M4;RTOS;air tightness;BP neural network;intelligent test

2013-12-17 收修改稿日期：2014-10-02

TP216

A

1002-1841(2015)03-0019-03

楊存祥(1966—)教授，博士，主要從事電氣測量與故障診斷技術的教學與研究工作。E-mail:yangzzha@126．com 楊慧娟(1990—)碩士研究生，從事電氣檢測與微網(wǎng)方面的研究。E-mail:yanghj90@126．com