嵌入式生产数据采集系统研究论文[合集五篇]

第一篇：嵌入式生产数据采集系统研究论文

摘要：当今社会，科学技术不断发展，不断改变，不断创新，同一个行业的企业之间的竞争也越来越激烈。在如此强烈的竞争环境下，企业如果想要获得更多的利益，想要有更好的社会地位，就必须不断改革创新，获得先进的科学技术，将先进技术应用到企业的各个方面。企业建立相应的管理部门，对技术人员进行管理，让企业的生产能够顺利开展。

关键词：RFID的嵌入式；生产数据采集；研究与设计

一、对RFID技术的理解

RFID技术就是一种自动识别技术，读写器和电子标签是基本部件，不管是好的环境还是坏的的环境都能够使用RFID技术，而且不用很多人都看着这个技术进行，甚至都不用人工操作这项技术。RFID技术的识别速度非常快，操作起来也不难，每个步骤都很容易操作，而且RFID技术的应用也越来越广泛，成本不断降低，能够被大部分人接受这个价格。RFID技术的使用寿命相对于其它的技术来讲也比较长，不仅减少了资源的浪费，而且也为企业带来了更多的利益。

二、数据采集终端硬件的主体设计

（一）电源电路。在设备运行过程中，一般情况下，工作电压是1。8伏特，和其他的设备不太一样，数字电源和模拟电源之间有什么不一样，该设备就不能准确的识别出来。在实际应用过程中，要多设计几条电路线，很有可能会出现多种应用电源的情况，也要应对一些突发事件，避免出现突发事件的时候，手忙脚乱，以至于连最基本的问题都无法顺利解决。电源电路多线路的设计特点，提高了生产的质量，也促进了企业的发展[1]。

（二）系统时钟电路。在实际应用数据采集系统的时候，要合理的利用LPC2210ARM7微控器，在使用过程中，可以通过两种不同的电路进行合理的使用，一种是外部晶振电路，还有一种是外部时钟源电路，而且内部的电路还是可以调节的，以便提高设备的运行速度，运行速度也是有限制的，最大的不能超过60赫兹。在使用系统时钟电路的时候，要严格按照要求进行生产数据的采集。

（三）建立复位电路。复位电路芯片的选择十分重要，任何的选择都可能影响企业的日常运行操作，供电电压要保持在一定的范围内，不要太低，也不要太高，保持在正常的范围内就行[2]。复位电路的电压最高是2.93伏特，如果超过2.93伏特，就不能正常进行，要是想要正常的运行设备，必须严格控制电压，只有电压低于2.93伏特的时候，设备才能正常的运行。

三、数据采集终端的外围设计

（一）图形液晶模块接口的电路设计。这类电路设计主要应用的是点阵图形，最大的优点就是可以容阔其他的模块。使用点阵图形液晶模块接口的电路设计时，如果输入正确的指令，在点阵图形模块中就可能同时出现中文和英文。而且点阵图形模块接口的电路设计可以降低设备的操作难度，符合大众的需求，让几乎每一个人都能体会到该设计的应用。

（二）键盘输入电路设计。一般的工作都会应用到电脑，用电脑就会用到键盘，每一个技术人员对于电脑键盘的操作都不陌生，可以用键盘输入数据，统计数据，制作数据报表，计算工程利益预估的价格等，这就是人和机器很好结合的表现。在设计电路的时候，键盘输入电路的设计最为普遍，很多人能够充分的了解该项设计内容，也能很好的接受键盘输入电路设计，并且应用到实际的工作生产过程中。而且现在学校中计算机的教育会先教学生使用键盘，随着人们不断的学习，键盘的使用已经扎根在人们的脑子里了。

四、结语

目前，我国的经济发展非常快，也发展的非常好，生产数据的采集还有很多不足之处，需要各个企业不断改革创新，争取建立最适合我国经济发展的生产数据采集系统。各个企业的设计部门应该在现有电路设计的基础上不断完善电路设计内容，相关技术人员对于所使用的电路设计也要熟练的掌握其基本要领。在当今社会中，通过解决工作过程中不断出现的一个又一个的问题，不断完善电路设计。企业也要经常召开会议，对于技术的改革创新进行不断探讨。在实际生产过程中，企业要建立相关的部门，专门负责生产过程中的设计问题，如果出现什么问题，要及时的解决问题，不要累积问题，让问题的危害扩大。企业的相关部门也要对技术人员进行培训，很多技术在不断改革创新，就需要专业的技术人员对新技术做到熟悉了解，能够把新技术熟练的应用到生产过程中，推动企业的发展，避免企业在社会日益发展的潮流中被淘汰下去。

参考文献

[1]张开生，石瑞华，薛杨。基于RFID技术的服装生产过程管理系统设计[J]。单片机与嵌入式系统应用，2018，18（04）：43—48。

[2]嘉丹丹，蒋高明，丛洪莲，吴志明，焦洋。应用ZigBee技术的纬编生产数据实时采集系统[J]。纺织学报，2016，37（12）：129—133。

第二篇：虚拟仪器数据采集应用论文

虚拟仪器是以一种全新的理念来设计和发展的仪器，他是90年代发展起来的一项新技术，主要用于自动测试、过程控制、仪器设计和数据分析等领域，其基本思想是在仪器设计或测试系统中尽可能用软件代替硬件，即“软件就是仪器”，他是在通用计算机平台上，根据用户需求来定义和设计仪器的测试功能，其实质是充分利用计算机的最新技术来实现和扩展传统仪器的功能。

虚拟仪器的特点和构成 1.1 虚拟仪器的特点

与传统仪器相比，虚拟仪器具有高效、开放、易用灵活、功能强大、性价比高、可操作性 好等明显优点，具体表现为：

智能化程度高，处理能力强 虚拟仪器的处理能力和智能化程度主要取决于仪器软件水平。用户完全可以根据实际应用需求，将先进的信号处理算法、人工智能技术和专家系统应用于仪器设计与集成，从而将智能仪器水平提高到一个新的层次。

复用性强，系统费用低 应用虚拟仪器思想，用相同的基本硬件可构造多种不同功能的测试分析仪器，如同一个高 速数字采样器，可设计出数字示波器、逻辑分析仪、计数器等多种仪器。这样形成的测试仪 器系统功能更灵活、更高效、更开放、系统费用更低。通过与计算机网络连接，还可实现虚 拟仪器的分布式共享，更好地发挥仪器的使用价值。

可操作性强，易用灵活 虚拟仪器面板可由用户定义，针对不同应用可以设计不同的操作显示界面。使用计算机的 多媒体处理能力可以使仪器操作变得更加直观、简便、易于理解，测量结果可以直接进入数 据库系统或通过网络发送。测量完后还可打印、显示所需的报表或曲线，这些都使得仪器的 可操作性大大提高而且易用、灵活。

1.2 虚拟仪器的构成 虚拟仪器的构建主要从硬件电路的设计、软件开发与设计2个方面考虑。

硬件电路的设计主要根据用户所面对的任务决定，其中接口设计可选用的接口总线标准包 括Gp IB总线、VXI总线等。推荐选用VXI总线。因为他具有通用性强、可扩充性好、传输速 率高、抗干扰能力强以及良好的开放性能等优点，因此自1987被首次推出后迅速得到各大仪 器生产厂家的认可，目前VXI模块化仪器被认为是虚拟仪器的最理想平台，是仪器硬件的发 展方向。由于VXI虚拟仪器的硬件平台的基本组成是一些通用模块和专用接口。因此硬件电 路的设计一般可以选择用现有的各种不同的功能模块来搭建。通用模块包括：信号调 理和高速数据采集；信号输出与控制；数据实时处理。这3部分概括了数字化仪 器的基本组成。将具有一种或多种功能的通用模块组建起来，就能构成任何一种虚拟仪器。例如使用高速数据采集模块和高速实时数据处理模块就能构成1台示波器、1台数字化仪或 1台频谱分析仪；使用信号输出与控制模块和实时数据处理模块就能构成1台函数发生器、1台信号源或1台控制器。专用接口是针对特定用途仪器需要的设计，也包括一些现场总线 接口和各类传感器接口。系统的主要硬件包括控制器、主机箱和仪器模块。常用的控制方案 有GpIB总线控制方式的硬件方案、MXI总线控制方式的硬件方案、嵌入式计算机控制方式的 硬件方案3种。VXI仪器模块又称为器件（devices）。VXI有4种器件：寄存器基器件、消 息基器件、存储器器件和扩展器件。存储器器件不过是专用寄存器基器件，用来保存和传输 大量数据。扩展器目前是备用件，为今后新型器件提供发展通道。将VXI仪器制作成寄存器 基器件，还是消息基器件是首先要做出的决策。寄存器基器件的通信情况极像VME总线器件，是在低层用二进制信息编制程序。他的明显优点在于速度寄存器基器件完全是在 直接 硬件控制这一层次上进行通信的。这种高速通信可以使测试系统吞吐量大大提高。因此，寄 存器基器件适用于虚拟仪器中信号/输出部分的模块（如开关、多路复用器、数/模转换输出 卡、模/

数转换输入卡、信号调理等）。消息基器件与寄存器基器件不同，他在高层次上用A SCII字符进行通信，与这种器件十分相似是独立HpIB仪器。消息基器件用一组意义 明确的 “字串行协议”相互进行通信，这种异步协议定义了在器件之间传送命令和数据所需的挂钩 要求。消息基器件必须有CpU（或DSp）进行管理与控制。因此，消息基器件适用于虚拟仪器 中数字信号处理部分的模块。

软件的开发与设计包括3部分：VXI总线接口软件、仪器驱动软件和应用软件（软面板）。软件结构如图1所示。

VXI总线接口软件由零槽控制器提供，包括资源管理器、资源编辑程序、交互式控制程序和 编程函数库等。该软件在编程语言和VXI总线之间建立连接，提供对VXI背板总线的控制和支 持，是实现VXI系统集成的基础。

仪器驱动程序是完成对某一特定仪器的控制与通信的软件程序，也即模块的驱动软件，他 的设计必须符合Vpp的2个规范，即Vpp3.1《仪器驱动程序结构和模型》和Vpp3.2《仪器 驱动程序设计规范》。

“软面板”设计就是设计具有可变性、多层性、自助性、人性化的面板，这个面板应不 仅同传统仪器面板一样具有显示器、LED、指针式表头、旋钮、滑动条、开关按钮、报警装 置等功能部件，而且应还具有多个连贯操作面板、在线帮助功能等。

虚拟仪器在数据采集中的应用

利用虚拟仪器制作数据采集器可以按照硬件设计、软件设计两个步骤来完成。

2.1 硬件设计

硬件设计要完成以下内容：

1)模/数转换及数据存储

设置具有通用性的数据自动采集系统，一般应满足能对多路信号尽可能同步地进行采集，为了使所采集到的数据不但能够在数据采集器上进行存储，而且还能及时地在采集过程中 将数据传送到上位机，选用存储量比较适中的先进先出存储器，这样既能满足少量数据存储 的需要，又能在需要实时传送数据时，在A/D转换的同时进行数据传送，不丢失任何数据。)VXI总线接口

VXI总线数据采集器通常可以利用两种VXI总线通用接口消息基接口和寄存器基接口。消 息基接口的作用是通过总线传送命令，从而控制仪器硬件的操作。通用寄存器基接口是由寄存器简单的读写来控制仪器硬件的操作。利用消息基接口进行设计，具体消息基接口的框图见图2。

3)采样通道控制

为了满足几种典型系统通道控制的要求，使通道的数量足够多，通道的选取比较灵活，可以利用寄存器电路、可预置计数器电路以及一些其他逻辑电路的配合，将采样通道设计成最多64路、最少2路可以任意选择，而且可以从任意一路开始采样，也可以到任意一路结束采样，只要截止通道号大于起始通道号就可以了。整个控制在虚拟仪器软面板上进行操作，通过消息基接口将命令写在这部分的控制寄存器中，从而设置计数器的初值以及采样的通道总数。

4)定时采样控制

由于不同的自动测试系统对采样时间间隔的要求不同，以及同一系统在不同的试验中 需要的采样时间间隔也不尽相同，故可以采用程控的方式将采样时间间隔设置在2 μs~13.0 ms之间任意选择，可以增加或减少的最小单位是2 μs。所有这些选择设置可以在虚拟仪器软面板上进行。

5)采样点数控制

根据不同测试系统的需求，将采样点数设计成可在一个比较大的范围中任意选择，该选择同样是在软面板上进行。

6)采样方式控制

总结各种自动测试系统的采样方式不外乎软件触发采样和硬件 触发采样。在硬件触发采样中又包括同步整周期采样和非同步整周期采样，这2种采样又可 以是定时进行的或等转速差进行的。所有这些采样方式，对于数据采集器来说都可以在软面 板上进行选择。

2.2 软件设计

软件是虚拟仪器的关键，为使VI系统结构清晰简洁，一般可采用组件化设计思想，将各部分彼此独立的软件单元分别制成标准的组件，然后按照系统的总体要求组成完整的应用系统，一个标准的组件化的虚拟仪器软件系统，如图3所示。

应用软件为用户提供了建立虚拟仪器和扩展其功能的必要工具，以及利用pC机、工作站的 强大功能。同时Vpp联盟提出了建立虚拟仪器标准结构库（VISA）的建议，为虚拟仪器的研 制与开发提供了标准。这也进一步使由通用的VXI数据采集模块、CpU/DSp模块来构成虚拟仪 器成为可能。

基于虚拟仪器的数据采集器的软件包括系统管理软件、应用程序、仪器驱动软件和I/O接 口 软件。以往这4部分需要用户自己组织或开发，往往很困难，但现在NI公司提供了所有这 四部分软件，使应用开发比以往容易得多。

下面简单介绍以NI公司的Lab Windows/CVI为开发环境，来进行VXI虚拟仪器的驱动程序开 发的方法。

第一步：生成仪器模块的用户接口资源文件（UIR）。用户接口资源、文件是仪器模块 开 发者利用Lab Windows/CVI的用户界面编辑器为仪器模块设计的一个图形用户界面（GUI）。一个Lab Windows/CVI的GUI由面板、命令按钮、图标、下拉菜单、曲线、旋钮、指示表以及 许多其他控制项和说明项构成。

第二步：Lab Windows/CVI事件驱动编程。应用程序开发环境Lab Windows/CVI中设计一个 用户接口，实际上是在用户计算机屏幕上定义一个面板，他由各种控制项（如命令按钮、菜 单、曲线等）构成。用户选中这些控制项就可以产生一系列用户接口事件（events）。例如，当用户单击一个命令按钮，这个按钮产生一个用户接口事件，并传递给开发者编写的C语 言驱动程序。这是运用了Windows编程的事件驱动机制。Lab Windows/CVI中使用不同类型的 控制项，在界面编辑器中将显示不同类型的信息，并产生不同操作的接口事件。在Lab Wind ows/CVI的开发平台中，对事件驱动进行C程序编程时可采用2种基本的方法：回调函数法和 事件循环处理法。

回调函数法是开发者为每一个用户界面的控制项写一个独立的用户界面的控制函数，当选中某个控制项，就调用相应的函数进行事件处理。在循环处理法中，只处理GUI控制 项所产生的COMMIT事件。通过Get User Event函数过滤，将所有的COMMIT事件区分开，识别 出是由哪个控制项所产生的事件，并执行相应的处理。

第三步：应用函数/VI集与应用程序软件包编写。应用函数/VI集需针对具体仪器模块 功能进行编程，应用程序软件包只是一些功能强大、需要完善的数据处理能力的模块才需要 提供，如波形分析仪模块、DSp模块等。结语

本文探讨了虚拟仪器的基本组成，以及实际的虚拟仪器软硬件设计的一般方法，这些方法经过实际设计工作运用证明是可靠的，可供系统工程技术人员在组建具体的基于VXI总线的虚拟仪器数据采集、测试时参考使用。

参考文献

1］赵勇.虚拟仪器软件平台和发展趋势［J］.国外电子测量技术,2002,(1)

2］陈光禹.VXI总线测试平台［M］.北京：电子科技大学出版社,1996

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5］汪红.基于组件的虚拟仪器软件系统［J］.微型计算机信息,2001,(1)：76-77

第三篇：ABS系统研究论文

摘要：

利用机械动力学仿真软件ADAMS 建立汽车ABS的机械动力学模型，在MATLAB/SIMULINK 环境下建立Jetta GTX 轿车的ABS 控制模型，构成了ABS 机电液一体化联合仿真的动力学控制模型。利用MATLAB确定了ABS 的控制参数的门限值，进行了仿真结果数据处理和分析，与大量的ABS 实车道路试验数据对比，改进模型准确度，获得了正确和可行的ABS 仿真控制模型，为加速开发ABS 的控制算法奠定了基础。

关键词：ABS 动力学控制模型 联合仿真 ADAMS MATLAB/SIMULINK

第一章 概述

“ABS”（Anti-lockedBrakingSystem）中文译为“防抱死刹车系统”.它是一种具有防滑、防锁死等优点的汽车安全控制系统。ABS是常规刹车装置基础上的改进型技术，可分机械式和电子式两种。

现代汽车上大量安装防抱死制动系统，ABS既有普通制动系统的制动功能，又能防止车轮锁死，使汽车在制动状态下仍能转向，保证汽车的制动方向稳定性，防止产生侧滑和跑偏，是目前汽车上最先进、制动效果最佳的制动装置。

普通制动系统在湿滑路面上制动，或在紧急制动的时候，车轮容易因制动力超过轮胎与地面的摩擦力而安全抱死。

近年来由于汽车消费者对安全的日益重视，大部分的车都已将ABS列为标准配备。如果没有ABS，紧急制动通常会造成轮胎抱死，这时，滚动摩擦变成滑动摩擦，制动力大大下降。而且如果前轮抱死，车辆就失去了转向能力；如果后轮先抱死，车辆容易产生侧滑，使车行方向变得无法控制。所以，ABS系统通过电子机械的控制，以非常快的速度精密的控制制动液压力的收放，来达到防止车轮抱死，确保轮胎的最大制动力以及制动过程中的转向能力，使车辆在紧急制动时也具有躲避障碍的能力。

随着世界汽车工业的迅猛发展，安全性日益成为人们选购汽车的重要依据。目前广泛采用的防抱制动系统（ABS）使人们对安全性要求得以充分的满足。

汽车制动防抱系统，简称为ABS，是提高汽车被动安全性的一个重要装置。有人说制动防抱系统是汽车安全措施中继安全带之后的又一重大进展。汽车制动系统是汽车上关系到乘客安全性最重要的二个系统之一。随着世界汽车工业的迅猛发展，汽车的安全性越来越为人们重视。汽车制动防抱系统，是提高汽车制动安全性的又一重大进步。

ABS防抱制动系统由汽车微电脑控制，当车辆制动时，它能使车轮保持转动，从而帮助驾驶员控制车辆达到安全的停车。这种防抱制动系统是用速度传感器检测车轮速度，然后把车轮速度信号传送到微电脑里，微电脑根据输入车轮速度，通过重复地减少或增加在轮子上的制动压力来控制车轮的打滑率，保持车轮转动。在制动过程中保持车轮转动，不但可保证控制行驶方向的能力，而且，在大部分路面情况下，与抱死〔锁死〕车轮相比，能提供更高的制动力量。

第二章 发展历程

ABS系统的发展可以追溯到本世纪初期，早在1928年制动防抱理论就被提出，在30年代机械式制动防抱系统就开始在火车和飞机上获得应用，博世（BOSCH）公司在1936年第一个获得了用电磁式车轮转速传感器获取车轮转速的制动防抱系统的专利权。

进入50年代，汽车制动防抱系统开始受到较为广泛的关注。福特（FORD）公司曾于1954年将飞机的制动防抱系统移置在林肯（LINCOIN）轿车上，凯尔塞·海伊斯（KELSEHAYES）公司在1957年对称为“AUTOMATIC”的制动防抱系统进行了试验研究，研究结果表明制动防抱系统确实可以在制动过程中防止汽车失去方向控制，并且能够缩短制动距离；克莱斯（CHRYSLER）公司在这一时期也对称为“SKIDCONTROL”的制动防抱系统进行了试验研究。由于这一时期的各种制动防抱系统采用的都是机械式车轮转速传感器的机械式制动压力调节装置，因此，获取的车轮转速信号不够精确，制动压力调节的适时性和精确性也难于保证，控制效果并不理想。

随着电子技术的发展，电子控制制动防抱系统的发展成为可能。在60年代后期和70年代初期，一些电子控制的制动防抱系统开始进入产品化阶段。凯尔塞·海伊斯公司在1968年研制生产了称为“SURETRACK”两轮制动防抱系统，该系统由电子控制装置根据电磁式转速传感器输入的后轮转速信号，对制动过程中后轮的运动状态进行判定，通过控制由真空驱动的制动压力调节装置对后制动轮缸的制动压力进行调节，并在1969年被福特公司装备在雷鸟（THUNDERBIRD）和大陆·马克III（CONTINENTALMKIII）轿车上。

克莱斯勒公司与本迪克斯（BENDIX）公司合作研制的称“SURE-TRACK”的能防止4个车轮被制动抱死的系统，在1971年开始装备帝国（IMPERIAL）轿车，其结构原理与凯尔塞·海伊斯的“SURE-TRACK”基本相同，两者不同之处，只是在于两个还是四个车轮有防抱制动。博世公司和泰威（TEVES）公司在这一时期也都研制了各自第一代电子控制制动防抱系统，这两种制动防抱系统都是由电子控制装置对设置在制动管路中的电磁阀进行控制，直接对各制动轮以电子控制压力进行调节。

别克（BUICK）公司在1971年研制了由电子控制装置自动中断发动机点火，以减小发动机输出转矩，防止驱动车轮发生滑转的驱动防抱转系统.瓦布科（WABCO）公司与奔驰（BENZ）公司合作，在1975年首次将制动防抱系统装备在气压制动的载贷汽车上。

第一台防抱死制动系统ABS(Ant-ilockBrakeSystem)，在1950年问世，首先被应用在航空领域的飞机上，1968年开始研究在汽车上应用。70年代，由于欧美七国生产的新型轿车的前轮或前后轮开始采用盘式制动器，促使了ABS在汽车上的应用。1980年后，电脑控制的ABS逐渐在欧洲、美国及亚洲日本的汽车上迅速扩大。到目前为止，一些中高级豪华轿车，如西德的奔驰、宝马、雅迪、保时捷、欧宝等系列，英国的劳斯来斯、捷达、路华、宾利等系列，意大利的法拉利、的爱快、领先、快意等系列，法国的波尔舍系列，美国福特的TX3、30X、红彗星及克莱斯勒的帝王、纽约豪客、男爵、道奇、顺风等系列，日本的思域，凌志、豪华本田、奔跃、俊朗、淑女300Z等系列，均采用了先进的ABS。到1993年，美国在轿车上安装ABS已达46%，现今在世界各国生产的轿车中有近75%的轿车应用ABS。

现今全世界已有本迪克斯、波许、摩根.戴维斯、海斯.凯尔西、苏麦汤姆、本田、日本无限等许多公司生产ABS，它们中又有整体和非整体之分。预计随着轿车的迅速发展，将会有更多的厂家生产。

这一时期的各种ABS系统都是采用模拟式电子控制装置，由于模拟式电子控制装置存在着反应速慢、控制精度低、易受干扰等缺陷，致使各种ABS系统均末达到预期的控制效果，所以，这些防抱控制系统很快就不再被采用了。

进入70年代后期，数字式电子技术和大规模集成电路的迅速发展，为ABS系统向实用化发展奠定了技术基础。博世公司在1978年首先推出了采用数字式电子控制装置的制动防泡系统--博世ABS2，并且装置在奔驰轿车上，由此揭开了现代ABS系统发展的序幕。尽管博世ABS2的电子控制装置仍然是由分离元件组成的控制装置，但由于数字式电子控制装置与模拟式电子控制装置相比，其反应速度、控制精度和可靠性都显著提高，因此，博世ABS2的控制效果己相当理想。从此之后，欧、美、日的许多制动器专业公司和汽车公司相继研制了形式多详的ABS系统。

“自动防抱死刹车”的原理并不难懂，在遭遇紧急情况时，未安装ABS系统的车辆来不及分段缓刹只能立刻踩死。由于车辆冲刺惯性，瞬间可能发生侧滑、行驶轨迹偏移与车身方向不受控制等危险状况！而装有ABS系统的车辆在车轮即将达到抱死临界点时，刹车在一秒内可作用60至120次，相当于不停地刹车、放松，即相似于机械自动化的“点刹”动作。此举可避免紧急刹车时方向失控与车轮侧滑，同时加大轮胎摩擦力，使刹车效率达到90％以上。

从微观上分析，在轮胎从滚动变为滑动的临界点时轮胎与地面的摩擦力达到最大。在汽车起步时可充分发挥引擎动力输出（缩短加速时间），如果在刹车时则减速效果最大（刹车距离最短）。ABS系统内控制器利用液压装置控制刹车压力在轮胎发生滑动的临界点反复摆动，使在刹车盘不断重复接触、离开的过程而保持轮胎抓地力最接近最大理论值，达到最佳刹车效果。

ABS的运作原理看来简单，但从无到有的过程却经历过不少挫折（中间缺乏关键技术）！1908年英国工程师J.E.Francis提出了“铁路车辆车轮抱死滑动控制器”理论，但却无法将它实用化。接下来的30年中，包括Karl Wessel的“刹车力控制器”、Werner Möhl的“液压刹车安全装置”与Richard Trappe的“车轮抱死防止器”等尝试都宣告失败。在1941年出版的《汽车科技手册》中写到：“到现在为止，任何通过机械装置防止车轮抱死危险的尝试皆尚未成功，当这项装置成功的那一天，即是交通安全史上的一个重要里程碑”，可惜该书的作者恐怕没想到这一天竟还要再等30年之久。

当时开发刹车防抱死装置的技术瓶颈是什么？首先该装置需要一套系统实时监测轮胎速度变化量并立即通过液压系统调整刹车压力大小，在那个没有集成电路与计算机的年代，没有任何机械装置能够达成如此敏捷的反应！等到ABS系统的诞生露出一线曙光时，已经是半导体技术有了初步规模的1960年代早期。

精于汽车电子系统的德国公司Bosch（博世）研发ABS系统的起源要追溯到1936年，当年Bosch申请“机动车辆防止刹车抱死装置”的专利。1964年（也是集成电路诞生的一年）Bosch公司再度开始ABS的研发计划，最后有了“通过电子装置控制来防止车轮抱死是可行的”结论，这是ABS（Antilock Braking System）名词在历史上第一次出现！世界上第一具ABS原型机于1966年出现，向世人证明“缩短刹车距离”并非不可能完成的任务。因为投入的资金过于庞大，ABS初期的应用仅限于铁路车辆或航空器。Teldix GmbH公司从1970年和奔驰车厂合作开发出第一具用于道路车辆的原型机——ABS 1，该系统已具备量产基础，但可靠性不足，而且控制单元内的组件超过1000个，不但成本过高也很容易发生故障。

1973年Bosch公司购得50％的Teldix GmbH公司股权及ABS领域的研发成果，1975年AEG、Teldix与Bosch达成协议，将ABS系统的开发计划完全委托Bosch公司整合执行。“ABS 2”在3年的努力后诞生！有别于ABS 1采用模拟式电子组件，ABS 2系统完全以数字式组件进行设计，不但控制单元内组件数目从1000个锐减到140个，而且有造价降低、可靠性大幅提升与运算速度明显加快的三大优势。两家德国车厂奔驰与宝马于1978年底决定将ABS 2这项高科技系统装置在S级及7系列车款上。

在诞生的前3年中，ABS系统都苦于成本过于高昂而无法开拓市场。从1978到1980年底，Bosch公司总共才售出24000套ABS系统。所幸第二年即成长到76000套。受到市场上的正面响应，Bosch开始TCS循迹控制系统的研发计划。1983年推出的ABS 2S系统重量由5.5公斤减轻到4.3公斤，控制组件也减少到70个。到了1985年代中期，全球新出厂车辆安装ABS系统的比例首次超过1％，通用车厂也决定把ABS列为旗下主力雪佛兰车系的标准配备。

1986年是另一个值得纪念的年份，除了Bosch公司庆祝售出第100万套ABS系统外，更重要的是Bosch推出史上第一具供民用车使用的TCS/ ASR循迹控制系统。TCS/ ASR的作用是防止汽车起步与加速过程中发生驱动轮打滑，特别是防止车辆过弯时的驱动轮空转，并将打滑控制在10％到20％范围内。由于ASR是通过调整驱动轮的扭矩来控制，因而又叫驱动力控制系统，在日本又称之为TRC或TRAC。

ASR和ABS的工作原理方面有许多共同之处，两者合并使用可形成更佳效果，构成具有防车轮抱死和驱动轮防打滑控制(ABS /ASR)系统。这套系统主要由轮速传感器、ABS/ ASR ECU控制器、ABS驱动器、ASR驱动器、副节气门控制器和主、副节气门位置传感器等组成。在汽车起步、加速及行进过程中，引擎ECU根据轮速传感器输入的信号，当判定驱动轮的打滑现象超过上限值时，就进入防空转程序。首先由引擎ECU降低副节气门以减少进油量，使引擎动力输出扭矩减小。当ECU判定需要对驱动轮进行介入时，会将信号传送到ASR驱动器对驱动轮（一般是前轮）进行控制，以防止驱动轮打滑或使驱动轮的打滑保持在安全范围内。第一款搭载ASR系统的新车型在1987年出现，奔驰S 级再度成为历史的创造者。

随着ABS系统的单价逐渐降低，搭载ABS系统的新车数目于1988年突破了爆炸性成长的临界点，开始飞快成长，当年Bosch的ABS系统销售量首次突破300万套。技术上的突破让Bosch在1989年推出的ABS 2E系统首次将原先分离于引擎室（液压驱动组件）与中控台（电子控制组件）内，必须依赖复杂线路连接的设计更改为“两组件整合为一”设计！ABS 2E系统也是历史上第一个舍弃集成电路，改以一个8 k字节运算速度的微处理器（CPU）负责所有控制工作的ABS系统，再度写下了新的里程碑。该年保时捷车厂正式宣布全车系都已安装了ABS，3年后（1992年）奔驰车厂也决定紧跟保时捷的脚步。

1990年代前半期ABS系统逐渐开始普及于量产车款。Bosch在1993年推出ABS 2E的改良版：ABS 5.0系统，除了体积更小、重量更轻外，ABS 5.0装置了运算速度加倍（16 k字节）的处理器，该公司也在同年年中庆祝售出第1000万套ABS系统。

ABS与ASR/ TCS系统已受到全世界车主的认同，但Bosch的工程团队却并不满足，反而向下一个更具挑战性的目标：ESP（Electronic Stabilty Program，行车动态稳定系统）前进！有别于ABS与TCS仅能增加刹车与加速时的稳定性，ESP在行车过程中任何时刻都能维持车辆在最佳的动态平衡与行车路线上。ESP系统包括转向传感器（监测方向盘转动角度以确定汽车行驶方向是否正确）、车轮传感器（监测每个车轮的速度以确定车轮是否打滑）、摇摆速度传感器（记录汽车绕垂直轴线的运动以确定汽车是否失去控制）与横向加速度传感器（测量过弯时的离心加速度以确定汽车是否在过弯时失去抓地力），在此同时、控制单元通过这些传感器的数据对车辆运行状态进行判断，进而指示一个或多个车轮刹车压力的建立或释放，同时对引擎扭矩作最精准的调节，某些情况下甚至以每秒150次的频率进行反应。整合ABS、EBD、EDL、ASR等系统的ESP让车主只要专注于行车，让计算机轻松应付各种突发状况。

延续过去ABS与ASR诞生时的惯例，奔驰S 级还是首先使用ESP系统的车型（1995年）。4年后奔驰公司就正式宣布全车系都将ESP列为标准配备。在此同时，Bosch于1998及2001年推出的ABS 5.7、ABS 8.0系统仍精益求精，整套系统总重由2.5公斤降至1.6公斤，处理器的运算速度从48 k字节升级到128 k字节，奔驰车厂主要竞争对手宝马与奥迪也于2001年也宣布全车系都将ESP列为标准配备。Bosch车厂于2003年庆祝售出超过一亿套ABS系统及1000万套ESP系统，根据ACEA（欧洲车辆制造协会）的调查，今天每一辆欧洲大陆境内所生产的新车都搭载了ABS系统，全世界也有超过60％的新车拥有此项装置。

“ABS系统大幅度提升刹车稳定性同时缩短刹车所需距离”Robert Bosch GmbH（Bosch公司的全名）董事会成员Wolfgang Drees说。不像安全气囊与安全带（可以透过死亡数目除以车祸数目的比例来分析），属于“防患于未然”的ABS系统较难以真实数据佐证它将多少人从鬼门关前抢回？但据德国保险业协会、汽车安全学会分析了导致严重伤亡交通事故的原因后的研究显示，60%的死亡交通事故是由于侧面撞车引起的，30%到40%是由于超速行驶、突然转向或操作不当引发的。我们有理由相信ABS及其衍生的ASR与ESP系统大幅度降低紧急状况发生车辆失去控制的机率。NHTSA（北美高速公路安全局）曾估计ABS系统拯救了14563名北美驾驶人的性命！

从ABS到ESP，汽车工程师在提升行车稳定性的努力似乎到了极限（民用型ESP系统诞生至今已近10年），不过就算计算机再先进仍须要驾驶人的适当操作才能发挥最大功效。

多数车主都没有遭遇过紧急状况（也希望永远不要），却不能不知道面临关键时刻要如何应对？在紧急情况下踩下刹车时，ABS系统制动分泵会迅速作动，刹车踏板立刻产生异常震动与显著噪音（ABS系统运作中的正常现象），这时你应毫不犹豫地用力将刹车踩死（除非车上拥有EBD刹车力辅助装置，否则大多数驾驶者的刹车力量都不足），另外ABS能防止紧急刹车时的车轮抱死现象、所以前轮仍可控制车身方向。驾驶者应边刹车边打方向进行紧急避险，以向左侧避让路中障碍物为例，应大力踏下刹车踏板、迅速向左转动方向盘90度，向右回轮180度，最后再向左回90度。最后要提的是ABS系统依赖精密的车轮速度传感器判断是否发生抱死情况？平时要经常保持在各个车轮上的传感器的清洁，防止有泥污、油污特别是磁铁性物质粘附在其表面，这些都可能导致传感器失效或输入错误信号而影响ABS系统正常运作。行车前应经常注意仪表板上的ABS故障指示灯，如发现闪烁或长亮，ABS系统可能已经故障（尤其是早期系统），应该尽快到维修厂排除故障。

要提醒的是，ABS/ ASR/ ESP系统虽然是高科技的结晶，但并不是万能的，也别因为有了这些行车主动安全系统就开快车。

第三章 工作原理

控制装置和ABS警示灯等组成，在不同的ABS系统中，制动压力调节装置的结构形式和工作原理往往不同，电子控制装置的内部结构和控制逻辑也可能ABS通常都由车轮转速传感器、制动压力调节装置、电子不尽相同。

在常见的ABS系统中，每个车轮上各安装一个转速传感器，将有关各车轮转速的信号输入电子控制装置。电子控制装置根据各车轮转速传感器输入的信号对各个车轮的运动状态进行监测和判定，并形成相应的控制指令。制动压力调节装置主要由调压电磁阀组成，电动泵组成和储液器等组成一个独立的整体，通过制动管路与制动主缸和各制动轮缸相连。制动压力调节装置受电子控制装置的控制，对各制动轮缸的制动压力进行调节。

ABS的工作过程可以分为常规制动，制动压力保持制动压力减小和制动压力增大等阶段。在常规制动阶段，ABS并不介入制动压力控制，调压电磁阀总成中的各进液电磁阀均不通电而处于开启状态，各出液电磁阀均不通电而处于关闭状态，电动泵也不通电运转，制动主缸至各制动轮缸的制动管路均处于沟通状态，而各制动轮缸至储液器的制动管路均处于封闭状态，各制动轮缸的制动压力将随制动主缸的输出压力而变化，此时的制动过程与常规制动系统的制动过程完全相同

在制动过程中，（如下图所示）电子控制装置根据车轮转速传感器输入的车轮转速信号判定有车轮趋于抱死时，ABS就进入防抱制动压力调节过程。例如，电子控制装置判定右前轮趋于抱死时，电子控制装置就使控制右前轮刮动压力的进液电磁阀通电，使右前进液电磁阀转入关闭状态，制动主缸输出的制动液不再进入右前制动轮缸，此时，右前出液电磁阀仍末通电而处于关闭状态，右前制动轮缸中的制动液也不会流出，右前制动轮缸的刮动压力就保持一定，而其它末趋于抱死车轮的制动压力仍会随制动主缸输出压力的增大而增大；如果在右前制动轮缸的制动压力保持一定时，电子控制装置判定右前轮仍然趋于抱死，电子控制装置又使右前出液电磁阀也通电而转入开启状态，右前制动轮缸中的部分制动波就会经过处于开启状态的出液电磁阀流回储液器，使右前制动轮缸的制动压力迅速减小右前轮的抱死趋势将开始消除，随着右前制动轮缸制动压力的减小，右前轮会在汽车惯性力的作用下逐渐加速；当电子控制装置根据车轮转速传感器输入的信号判定右前轮的抱死趋势已经完全消除时，电子控制装置就使右前进液电磁阀和出液电磁阀都断电，使进液电磁阀转入开启状态，使出液电磁阀转入关闭状态，同时也使电动泵通电运转，向制动轮缸泵输送制动液，由制动主缸输出的制动液经电磁阀进入右前制动轮缸，使右前制动轮缸的制动压力迅速增大，右前轮又开抬减速转动。（参见：汽车电子控制基础，曹家喆 主编，机械工业出版社，2007年10月）

ABS通过使趋于抱死车轮的制动压力循环往复而将趋于防抱车轮的滑动率控制，在峰值附着系数滑动率的附近范围内，直至汽车速度减小至很低或者制动主缸的常出压力不再使车轮趋于抱死时为止。制动压力调节循环的频率可达3~20HZ。在该ABS中对应于每个制动轮缸各有对进液和出液电磁阀，可由电子控制装置分别进行控制，因此，各制动轮缸的制动压力能够被独立地调节，从而使四个车轮都不发生制动抱死现象。

尽管各种ABS的结构形式和工作过程并不完全相同，但都是通过对趋于抱死车轮的制动压力进行自适应循环调节，来防止被控制车轮发生制动抱死。

第四章 汽车ABS 机械动力学模型

1.汽车ABS 仿真模型建立的要求：

(1)在仿真建模过程中要考虑到模型的准确性和可信度，在不失真的前提下尽量简化仿真模型，减少自由度数，提高求解效率。

(2)能够正确的根据路面条件、道路状况、制动强度和法向载荷实时计算出车速和轮速，使模型尽可能反映实车的运动状况。

(3)具有仿真建模改进的能力，能方便地修改子模型的参数，不需要花费很大精力或者重新建模，就可以在设计阶段，插入或改变仿真模型。

ADAMS 软件计算功能强大，求解器效率高，具有多种专业模块和工具包，以及与其它CAD 软件的接口，可方便快捷地建立机械动力学模型，支持Fortran 和C 语言，便于用户进行二次开发[1]。基于ADAMS软件的上述优点，利用ADAMS 软件建立汽车制动防抱死系统（ABS）的机械动力学模型。2.模型建立：

汽车是一个复杂的动力学系统，对汽车的ABS 制动性能进行模拟仿真，输入的参数包括制动初速，路面条件如干铺设路面、湿铺设路面、雪路面、冰路面、对开路面、对接路面等，道路状况如直道、弯道、上坡、下坡等和整车参数。输出的参数包括汽车制动过程中整车和车轮的运动状态，如制动时间、制动距离、制动减速度、车轮滑移率、车轮角减速度、制动器制动力、地面制动力、地面侧向力、横摆力矩等。

根据以上研究目的，对整车进行适当简化。汽车悬架系统结构型式和转向系结构型式对汽车制动性能的影响不大，仿真模型中的惯性参数由Pro/ENGINEER 软件三维实体建模计算得到，对悬架系和转向系简化如下：

悬架系统只考虑悬架的垂直变形；转向系忽略车轮定位角和转向传动装置。把汽车简化为具有十个刚体的模型，共14 个自由度。十个刚体分别为车身、一个后非独立悬挂组质量、两个前独立悬挂组质量（两个前轮横摆臂和两个前轮转向节）、四个车轮。两前轮共有3 个自由度，车身具有3 个转动和3 个平动自由度，两后轮各有1 个自由度，前悬架各有一个自由度，后悬架1 个自由度，如图1 所示。

图1 整车仿真模型

1—车身 2—后轮 3—后悬架 4—前轮

5—前悬架 6—横摆臂 7—转向节

仿真模型包括以下几个子模型：

转向系模型：以转向角约束直接作用于左转向节。

前悬架模型：前悬架是独立悬架，一侧的简化模型如图2 所示。转向节简化如图2 中3 所示，用转动副与前轮连接。横摆臂与减振器以球铰分别与转向节和车身连接。

图2 悬架的简化模型

1—车身 2—横摆臂 3—转向节 4—轮胎 5—前悬架 6—弹簧

A—转动副 B—球铰 C—转动副 D—滑柱铰 E—球铰

后悬架是非独立悬架，只考虑垂直方向的自由度，悬架与车身之间用平移副表示它们之间的相对运动，悬架与车身用弹簧阻尼连接，与后轮用转动副连接。

轮胎模型：车辆的各种运动状态主要是通过轮胎与路面的作用力引起的。采用力约束方法，不考虑轮胎拖距、回正力矩以及滚动阻力的影响。采用ADAMS 提供的非线性Pacejka 轮胎模型[2]。

制动器模型：采用美国高速公路车辆仿真模型中的制动器模型。

液压模型：采用ADAMS 中液压模块（ADAMS/Hydraulics）建立制动系统的液压仿真模块。

路面模型：设计出路面模型可进行对开路面和对接路面制动过程的仿真计算。利用ADAMS 中提供的平面（Plane）作为路面模型的基础，定义了平面（Plane）的长、宽等参数，使得汽车制动过程有足够的空间，利用平面－圆（Plane-Circle）接触力（Contact）表示车轮与地面之间的法向作用力。ADAMS轮胎模型中没有附着系数变化的路面模块，为此在ADAMS 提供的路面模块基础上，对对接路面采用在路面模型上加入标记点（Marker）的方法，分别求出前轮和后轮质心到标记点X 方向上的距离。当距离为正时说明轮胎已经跨过了标记点，此时根据所规定的路面情况对轮胎附着系数进行改变，使得模型可以计算路面附着系数变化。对开路面也采取了相同的加入标记点的方法，进行计算左右侧轮胎相对于标记点Y 方向上的距离。（参见：汽车车身电子与控制技术，陈无畏 主编，机械工业出版社，2008年02月）

第五章 制动防抱死系统ABS 的控制模型

在ADAMS 中定义了与MATLAB/SIMULINK 的接口，把ADAMS 中建立的非线性机械模型转化为SIMULINK 的S－FUNCTION 函数，再把S－FUNCTION 函数加入到控制模型里，这样就可以方便的利用SIMULINK 提供的各种强大的工具进行控制模型开发，在MATLAB 软件下进行联合仿真计算[3]。图3 所示为MATLAB/SIMULINK中表示的ADAMS 机械模型，在ADAMS 中定义四个车轮的制动力矩为输入变量，定义四个车轮的速度和滑移率为输出变量，保存在.m 文件中由MATLAB 调用。

图3 ADAMS子模块

图4 所示

为在MATLAB/SIMULINK 下开发的ABS 控制模块，图中深色的部分为ADAMS 生成的子模块，输入参数为制动力矩，输出参数为车轮速度和车轮滑移率，以车轮的加速度/减速度和车轮滑移率为控制参数。（参见：汽车车身电子与控制技术，陈无畏 主编，机械工业出版社，2008年02月）

图4 ABS 仿真控制模型

第六章 ABS 联合仿真控制规律结果与分析

1.确定车轮加速度和参考滑移率的门限值

根据ADAMS 仿真制动过程计算出的车轮加速度曲线，分析出加速度门限值为w&

1、减速度门限值为w&2。车轮滑移率下门限值λ1，上门限值λ2。

车轮的加、减速度和滑移率的门限值的确定是一个反复交替验证过程。方法为：计算车轮的加、减速度和参考滑移率，以参考滑移率为控制参数初步确定车轮的加、减速度的门限值，再以车轮加、减速度门限值控制车轮的滑移率,确定滑移率的门限值。图4 中深色的部分为ADAMS 生成的机械模型，在MATLAB作为一个S－FUNCTION 函数参与运算。通过上述交替验证的方法，车轮滑移率和加速度的仿真变化曲线如图5 所示，实车测试数据如图6 所示。比较图5 和图6，可以看出仿真数据与实车测试数据相吻合，验证了车轮加速度门限值和滑移率门限值的确定是合理的。

图5 仿真试验数据

图6 试车实验数据 图6 实车试验数据

选取适当滑移率门限值λ1，λ2是控制的关键问题之一。如果车轮的滑移率大于路面峰值附着系数相应的滑移率λOPT，车轮的侧向附着力很低。在有侧向风、道路倾斜或转向制动等对车辆产生横向力情况下，或左右车轮的地面制动力不相等时，路面不能提供足够的侧向力使车辆保持行驶方向，车辆容易发生危险的甩尾情况，因此滑移率门限值的上限应小于λOPT。

理想的ABS 系统应能把制动压力调节到一个合适的范围内，使得车轮的滑移率保持在λOPT附近。如果（λ2 － λ1）取值较小，则控制过程的保压时间较短，需进行频繁的压力调节，压力调节器需进行频繁的动作，而压力调节器和制动器需要一定的响应时间，过于频繁的压力调节会使压力调节器和制动器来不及响应，达不到控制效果。如果（λ2 － λ1）取值较大，车轮的运动状态不能及时的控制，车轮的速度波动范围很大，还会造成制动效能降低。2.ABS 的控制周期

控制周期取决于车速信号采集频率，制动压力调节器的响应时间和控制逻辑运算时间之和。在仿真模型里进行了控制周期对ABS 控制影响的分析。

模型中采用了改变控制模型与车辆模型之间的通讯时间来实现控制周期的模拟。以通讯时间为0.1s 和0.15s 为例，得到结果如图7和图8所示。从两图中可以看到控制周期增大，滑移率变化范围增大，说明车轮的线速度变化范围增大，车轮的抱死趋势强烈。在开发ABS 的时候，应尽力缩短控制周期。的联合仿真 图9 为左前轮3～5s 的ABS 仿真试验数据，按照逻辑门限值的方式进行控制。从图9 中可以看出，在加速度为－20m/s2 附近，进行了快速减压，车轮的加速度增大，但车轮速度仍在减小。然后在加速度为－22m/s2 时出现了保压过程，此时滑移率为0.17 左右。紧接着是一个压力逐渐增加的过程，在这个过程中车轮的加速度逐步减小，但车轮速度继续增加，此时车轮滑移率控制在0.1 附近，接着又是一个短暂的保压过程，车轮的加速度增大，此后又开始了新的一轮的制动压力的调节。车轮的加速度在（－20～20）m/s2之间，管路压力在（1.5～4.5）MPa 之间。图10 为道路试验数据，比较两图，仿真数据与试验数据基本吻合。（参见：张跃今，宋健.多体动力学仿真软件－ADAMS 理论及应用研讨.机械科学与技术，1997.9）

图9 左前轮3～5s 的仿真试验数据

图10 左前轮3～5s 的道路试验数据

第七章 结论

(1)用两个软件

ADAMS 和MATLAB/SIMULINK分别建立机械模型和控制模型，发挥各自的优点进行联合仿真计算，精度较高。

(2)采用交替验证的方法，确定车轮滑移率和加速度的门限值效果较好。(3)仿真数据与道路试验数据基本吻合，证明仿真方法和仿真模型可行。(4)此模型较准确地反映ABS 制动过程各参数的变化情况，可以此为基础进行实车的ABS 控 制算法的开发，缩短开发时间，减少开发经费。

(5)此模型还易于扩展，进一步开发和研究ABS 以及与ASR(Acceleration Slip Regulation)、ACC(Adaptive Cruise Control)的集成化系统。

致 谢

在这短短几个月的时间里毕业论文能够得以顺利完成，并非一人之功。感谢所有指导过我的老师，帮助过我的同学和一直关心、支持着我的家人。感谢你们对我的教诲、帮助和鼓励。在这里，我要对你们表示深深的谢意！

感谢我的指导老师——田文超老师，没有您认真、细致的指导就没有这篇论文的顺利完成。和您的交流并不是很多，但只要是您提醒过该注意的地方，我都会记下来。事实证明，这些指导对我帮助很大。

感谢我的父母，没有他们，就没有我的今天。你们的鼓励与支持，是我前进的强大动力和坚实后盾。

最后，感谢身边所有的老师、朋友和同学，感谢你们三年来的关照与宽容，与你们一起走过的缤纷时代，将会是我一生最珍贵的回忆。

参考文献：

1.汽车电子技术，迟瑞娟，李世雄 主编，国防工业出版社，2008年08月 2.汽车电子控制基础，曹家喆 主编，机械工业出版社，2007年10月 3.汽车车身电子与控制技术，陈无畏 主编，机械工业出版社，2008年02月

4.张跃今，宋健.多体动力学仿真软件－ADAMS 理论及应用研讨.机械科学与技 术，1997.9 5.ADAMS Reference Manual Version 12, Mechanical Dynamics, Inc.6.Matlab Referen ce Manual Version 6.1.Mathworks Inc.

第四篇：嵌入式论文

信息工程学院

课程设计报告书

专 业： 电子信息科学与技术 班 级： 0312412 学 号： 031241217 学生姓名： 肖文洲 指导教师： 刘三军

计算机专业嵌入式系统课程的研究与实践

【摘 要】随着电子技术的发展，嵌入式技术成为当今信息技术发展的主流技术。嵌入式技术作为高校计算机专业的一个新方向已被许多学校采用。本文通过对嵌入式技术的分析，提出了嵌入式系统课程体系建设的基本方法，包括专业培养计划、嵌入式系统教学实践平台建设以及嵌入式系统教学模式与教学方法创新等。【关键词】嵌入式技术；研究与实践；计算机专业

随着电子技术和信息技术的快速发展及嵌入式硬件技术与软件技术的不断成熟，嵌入式系统的应用越来越广泛，如智能家电、手机、汽车电子、网络通信及电子娱乐产品等，随之而来的是社会对嵌入式产品开发人才的需求也越来越多。因此，许多高校都开设了嵌入式系统开发方面的系列课程。由于嵌入式系统课程涉及的知识面宽、实践性强，对实验教学的要求较高，包括实验教师、硬件配置、实验项目的设置等。因此，作为对新技术研究和探索最活跃的群体，高等院校如何接受嵌入式技术带来的挑战，尽快开设嵌入式系统的相关理论与实验课程，并逐渐形成较规范的教学体系已成为一个重要的研究课题。

一、嵌入式系统教学的特点

设置嵌入式系统课程的目的是让未来的软硬件开发人员了解和掌握必要的嵌入式系统设计方法的概念、方法和工具。同时由于嵌入式系统对其他学科领域的渗透，其他相关专业的学生也有学习该课程的需求与必要。如其他电子、自动化专业都可开设相应的选修课程，在某种程度上可以提升毕业学生的竞争力、就业率。嵌入式系统课程的教学内容应包括嵌入式系统体系结构、硬件构架、软件编程及外围设备接口和驱动等，注重培养学生的设计能力和软件开发能力;尽量反映该领域近年来最新的理论与技术，使学生了解学科的最新发展。嵌入式系统课程的特点是涉及知识面广、综合性强、实践性强，并且学科发展快，因而学习难度大，难以形成一个简单明确的知识体系。同时该课程讲授难度很大，它要求教师不仅具备一般的计算机系统的软硬件知识，而且需要真正从事过嵌入式系统的开发实践，才能对嵌入式系统中的实时性等抽象概念和系统调试过程有感性认识。嵌入式系统教学主要有以下三个特点:(1)基础性。嵌入式系统技术涉及多个专业，如计算机工程、软件工程、工业自动控制、机电工程、精密仪器和电子工程等，嵌入式技术与各个专业相互渗透融合，将逐渐形成新的学科研究方向，因此，嵌入式系统可作为上述各专业的基础平台课，以强化专业基础知识。(2)综合性。嵌入式系统是软件和硬件设计的完美结合。它涉及电子信息、计算机、自动控制等诸多专业相关课程的内容，如语言、微机原理、单片机设计和操作系统等课程，有很强的综合性，因此，可以有效地对学生进行综合能力的培养。(3)实践性。嵌入式系统是理论与实践结合密切的课程。实验是嵌入式系统课程的重要组成部分，缺乏实验的嵌入式系统课程学习是纸上谈兵，因此，学生必须通过大量的实验和实践环节，来加深对嵌入式系统理论知识的理解。

二、适合计算机专业的嵌入式系统课程体系

嵌入式系统涉及电子、计算机、自动控制等诸多专业知识，专业性强，包括了操作系统、微机原理、编程语言程序设计、计算机网络和接口设计等内容，是软件、硬件的完美结合。因此，嵌入式系统的设计原理与技术不是一门课程所能讲授的，需要建立一个课程体系。

嵌入式系统本身就是计算机系统。从广义上讲，目前计算机科学与技术专业的课程体系中所设置的许多专业基础课，比如数字逻辑、C/C++程序设计、计算机网络等，对嵌入式系统设计的学习者来说同样重要。在此，只从狭义的角度探讨嵌入式系统的课程体系设置。

由于嵌入式系统涉及的知识面广、应用层面广，所以应针对嵌入式系统设计与应用的不同层面的需求，设置不同层面的课程体系。从狭义上划分，嵌入式系统课程体系可以有以下三个不同的层面: 第一层面:针对将来只是应用嵌入式系统硬件、软件平台来进行二次开发的学生而言，应侧重培养其基于某个嵌入式系统平台上(包括硬件平台和软件平台)进行应用系统设计和开发的能力。因此，针对这一层面的学生应开设以下几门主要课程: 《嵌入式实时操作系统》：选取一个具体的操作系统比如uCLinux为例，讲授嵌入式操作系统的原理及应用，重点介绍如何进行任务划分、如何编写I/ O驱动程序等。《嵌入式系统设计》：重点介绍嵌入式系统设计步骤、方法，重点介绍嵌入式应用软件的开发技术，以及嵌入式系统的测试技术及软件优化技术。《嵌入式网络技术》：重点介绍基于嵌入式环境下的网络通信技术及应用，比如I2C总线技术、USB接口技术、嵌入式Web技术等，掌握相关的通信技术及接口编程。

第二层面:针对将来从事嵌入式系统平台设计及合作开发的学生而言，除需要学习上述三门课程外，还必须开设《嵌入式系统结构》课程。该课程重点介绍某个具有代表性的嵌入式CPU(如ARM系列)的系统结构、汇编指令系统、中断管理机制、常用外围接口，使学生掌握嵌入式平台设计的基础知识。前提是学生具备数字逻辑方面的相关基础知识。对于与第一个层面相同的课程，其授课中重点也不完全一样。比如，《嵌入式操作系统》课程可以嵌入式Linux为主，重点介绍进程调度、进程间通信、内存管理和I/O驱动机制等，使学生具备进行操作系统的裁剪、移植的基本能力。

第三层面:针对将来从事SOC(systemonChip)系统设计及开发的学生而言。主要课程有数字逻辑设计与应用、电子电路原理与PCB技术、EDA技术(FPGA设计及应用)、嵌入式系统结构、嵌入式操作系统等，偏重于底层的设计。

通过以上分析可以看出，第一层至第三层分别是嵌入式系统中由软到硬、由高层至底层的三个不同应用层次，对应不同的知识结构需求。第一层偏软，对底层的系统结构及接口等要求较低，是在当前比较容易实现的一个培养方向。在计算机本科专业中，软件方向比较适合开展第一个层面的嵌入式系统教学，应用方向比较适合开展第二个层面的嵌入式系统的教学。根据以上分析，可以提出在计算机本科专业开设嵌入式系统方向需要参照的课程体 系:(1)专业基础课:嵌入式系统概论、嵌入式系统原理与接口技术。(2)专业必修课:嵌入式操作系统、嵌入式系统应用设计。

(3)专业选修课:嵌入式网络技术、嵌入式系统测试技术、嵌入式工程应用(即行业领域，如移动通信技术与应用、数字家庭网关技术等)、分布式嵌入式系统原理与设计等。

作为课程体系的一部分，实践教学是嵌入式系统教学的关键。实践教学设置的总体指导思想是:以培养创新动手能力为核心，建立“系统的多级课程实践”的实验体系，包含课程基础实验、课程设计、综合项目设计;同时，以“项目为中心”设计多层次的集中实践题目，各层次的题目难度不等，以适合不同层次的学生[4]。

(1)每门课保证至少30%以上的上机或实验学时，完成基础实验项目。(2)至少有两门课的课程设计(约两周)，如ARM汇编程序设计、操作系统移植实验、LCD/触摸屏等接口实验等等。(3)至少完成一个综合课程设计(课余时间+综合实训时间共约40学时)，类似于一个简单的工程项目，有设计、编程调试、性能测试等完整的步骤如手机游戏、校园导航、电子词典、嵌入式WEB服务器等。

(4)校企合作，建立实习基地，联合完成项目设计。

三、嵌入式系统课程体系在计算机专业的实践

我们在分析了企业对嵌入式人才需求的基础上，提出了“在计算机本科专业培养嵌入式系统人才”的具体实施方案，并在2007级、2008级本科生中进行了实践。

该课程定位为实验研究型。目标是通过嵌入式实验平台学习构建一个嵌入式系统的一般方法，熟悉一些常用的微处理器、存储器、外设接口并学习软硬件设计方法。掌握嵌入式操作系统，定制内核，编译下载调试，编写驱动程序和应用程序等，最后要求实现或部分实现一个具体嵌入式应用的解决方案，并在硬件平台上实现出来。

课程的主要内容包括:(1)典型嵌入式系统的基本配置､硬/软件综合设计方法和流程､应用范例｡(2)硬件环境微处理器､存储器､I/O 口､外设接口和驱动､电源转换和管理､总线､硬件调试｡(3)嵌入式操作系统､操作系统内核､Linux 和uCLinux､任务和任务调度､实时 OS､ GUI､API､文件系统等｡(4)嵌入式网络通过和计算机网络结合, 开发基于网络接的应用｡(5)软件开发过程､交叉编译､链接调试､下载､板级支持包｡(6)驱动程序､设备驱动机制､按键和触摸屏驱动､网口驱动､红外､USB 驱动｡

实验是嵌入式系统教学的一个比较重要的环节，实验大纲的制定是保证课程教学大纲目标实现的一个重要环节，制定出符合学生实际的实验大纲对计算机科学与技术专业培养目标的实现至关重要。按难易程度的不同，实验内容分为两个层次：基本实验与综合应用实验。基本实验目的是让学生了解嵌入式软件和硬件的一般开发环境与流程，进行基本的嵌入式程序开发。综合应用实验目的是让学生综合运用前面所学到的知识，按照指定的题目，自行设计开发嵌入式应用程序。基本实验包括嵌入式软件开发基础实验、人机接口实验、通信与音频接口实验、简单驱动程序实验和嵌入式操作系统移植实验等。对于综合应用实验，给出多个题目，选择其一，学生也可以自选题目。设备选 择 了 北 京 博 创 公 司 所 开 发 的PXA270教学实验平台,由于 PXA270 性能好,实验开发板的外围设备又很丰富，使得实验选题更加灵活。

课程设计及毕业设计中对所学知识的运用与提高在理论学习结束后，学生对嵌入式系统开发的各个环节有了较深入的理解与掌握。我们的方法是在课程设计和毕业设计中深化学习。课程设计中，结合实验用开发平台，选择了如MP3模拟控制系统等在实际中真正是嵌入式大行其道的应用领域。在毕业设计中，我们布置了诸如“嵌入式智能控制器”，“嵌入式音频控制器”，“内核裁减”设计等工作，这些设计要求学生从软硬件协同设计到软硬件的测试方法等有深刻的掌握。还有组织学生参加大学生嵌入式设计竞赛等教学活动。

四、结束语

随着嵌入式应用的迅猛发展,企业对嵌入式人才需求的缺口越来越大,越来越多的高校开始加强嵌入式系统的教学和科研,培养更多的适应社会需求嵌入式系统人才。本文所设置的针对计算机本科专业的嵌入式系统课程体系,融合了企业的需求和计算机专业的特点,符合实际应用。针对两年实践中存在的问题,在以后的教学中将不断完善。

参考文献：

[1]田泽.嵌入式系统开发与应用教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.[2]符意德.嵌入式系统教学及实验内容的探讨[J].军工高

[3]贾志平.嵌入式系统原理与接口技术[M].北京:清华大学出版社,2004.[4]柳翔.嵌入式软件工程人才培养的探索与实践[J].计算机教育,2005,5.

第五篇：基层农业统计数据采集与处理系统研究

基层农业统计数据采集与处理系统研究

摘 要： 智能手机数据采集相比传统数据采集在时效性等方面具有优势。基于“基层农业统计数据采集与处理系统”的需求，在Android平台上，依据分层开发思想，详细设计了数据库适配器、数据层、结构层以及activity等，最终完成了软件系统的开发，为农业技术人员提供了易用、可靠的基层农业统计数据采集和处理工具。

关键词： Android； 应用开发； 农业信息化； 界面设计

中图分类号：TP3 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2018）02-10-04

Abstract： The data acquisition with smart phone is superior to traditional data acquisition in the aspects of timeliness and so on.According to the requirement of “the acquisition and processing system of the grass-roots level agricultural statistical data”，on the Android platform，with the idea of layered development，the database adapter，the data layer，structure layer and the activity etc.are designed in detail，to finally complete the development of the software system，provide agriculture technical personnel with an agricultural statistical data acquisition and processing tool of easy to use and reliable.Key words： Android； application development； agricultural information； interface design

0 引言

农业信息化的意义显而易见[1]，但是由于多方面的原因，农业信息化进程远远落后于服务业、工商业等各领域。这对农民以及农业的发展是十分不利的。

基层农业统计数据采集与处理系统是在Android操作系统的基础上开发而成。该系统通过Android智能手机获取与农业生产有关的信息，如地块档案、农户信息、地块制度、农村等各类信息。通过该系统，可以让基层农业信息化工作人员方便地建立和管理数据库。农技人员可基于农业生产环境，实时、快速地获取与农业生产有关的数据。开发环境及技?g介绍

Android系统在中国的普及范围大且速度快，搭载Android系统的移动设备价格合适，在农业技术推广体系中使用较多，且能满足系统设计需求，是智能手机开发的首选平台。

Android是一种以Linux为基础的开放源代码操作系统[2]，主要使用于便携设备。Android操作系统可细分为如下几部分：应用软件、操作系统、用户界面、中件间。Android平台可依次分为如下四层：Linux内核层；Android运行层；应用框架层；应用程序层。基于Android的软件的开发通常处于Android架构中的顶层，即应用程序层。

本系统是针对Android系统研发的一款移动应用，需要的开发工具分别为：Eclipse、Android SDK。系统总体设计

2.1 系统体系结构

结合本系统的基本功能以及Android架构[3]特点，开发分如下四个层次。

XML：界面设计，具体设计时主要运用/res/layout/中的.xml文件，运用该文件布局控件、控制属性、自定义控件样式。在设置版本信息方面时，主要运用

/AndroidManifest.xml，即形成Android API信息。逐个声明Activity、申请客户使用资源，另外程序中用到的中文单词则主要结合strings.xml声明。利用arrays.xml逐个设置列表各项元素。

View：本层属于人机交互界面，包含本系统中所需要运用到的所有Activity。用户可通过Activity进行相关操作，比如输入数据，确定数据项，最后点击，即可获得相关信息。

Data与Adapter：一般认为该层为数据库及其适配器层。主要用于建立农业生产信息数据库，同时该层包括更新及相关方法，Adapter中含所有适配器Adapter，显示数据库Activity的信息。在ListView控件记录时，需要运用到各显示数据表。

Table：属于数据表层。利用Entity存储数据表各字段名及类型。一般情况下Data层不会因为本层发生变化而变化，因此适用于分层开发。

如图1为本系统的体系结构图。

由此分析软件体系结构[4]，在具体设计时，可将系统分为五个包：XML；View；Adapter；Data；Table。这五个包是有自上而下的依赖关系，分别对应view包、data包、data包、adapter包和table包。如图2为该软件系统包图。

2.2 系统流程图

农业技术人员登录Android客户端执行数据采集，首先要在客户端应用汇总获取数据，并上传到Web服务器中，经过Web服务器对数据进行处理后对数据进行存储，并向客户端发出反馈信息，以标识采集任务完成。系统的流程图如图3所示。详细设计

3.1 各功能模块描述

基于Android的农业数据采集与处理系统主要功能分为两大类：工作类和交流类。工作类数据采集包括：提交推广日志、上报灾情、采集价格信息等；交流类数据采集包括农技问答、经验交流和问题反馈等。

3.1.1 用户模块

系统的用户类型[5]分为未授权用户（注册）、普通用户、管理员以及超级管理员。

未授权用户：需管理员授权后才能使用系统。

普通用户：能上传数据，查看历年数据。

管理员：能修改除超级管理员以外的所有用户的权限，以及删除用户操作，能查看数据，给所有用户发送手机消息提醒。

超级管理员：与管理员相比，多了能对管理员进行设置权限的操作。

⑴ 创建用户

在客户端任何人都能新增角色，但权限为未授权用户，需管理员来修改权限。

⑵ 用户登录

登录输入错误时进行用户名或密码错误的相应提示，权限不足时提示没有权限进行此操作的提示。

⑶ 用户管理

管理员能对未授权用户和普通用户，更改他们的权限或者删除用户，而超级管理员能对管理员、普通用户和未授权用户，修改他们的权限或者删除用户。

3.1.2 数据模块

普通用户选取好需要录入数据的区域和农作物种类（保存在服务器上，如果没有需添加）后，选择相应的季节（春、夏、秋、冬）和行为（播种、收获），并填写相应的信息，提交至服务器，此时如果数据和去年同期数据比较波动幅度超过10%则需填写备注信息。

3.1.3 ?稻莶榭茨？?

用户或者管理员在选取好需要查看的区域和农作物种类后，能在客户端上获取到对应信息的历年收获数据。

3.1.4 个人中心模块

用户或者管理员，在登录后的主页面中进入个人中心后，能按自己的喜好和需求来修改密码或者手机号。

3.1.5 用户提醒模块

管理员在网页上登录成功后能对所有用户发送自定义的提醒内容，也可以对特定用户发送自定义提醒内容，该提醒会出现在安卓手机的通知栏上。

3.2 系统功能图

⑴ 系统功能总图（如图4）

3.3 数据结构设计

结合用例分析和需求分析，构成系统的数据[6]主要包括如下几部分：

⑴ 用户表users（具体包含用户名、ID以及姓名、密码手机号码，权限）；

⑵ 地区表zone（地区ID、地区名称）；

⑶ 村庄表village（村落ID，村落名称，地区ID）；

⑷ 种类表kind（种类ID，种类名称）；

⑸ 农作物名称表crop（农作物ID，农作物名称，种类ID）；

⑹ 用户个性化表marks（ID，用户ID，村落ID，农作物ID）；

⑺ 农作物播种表sow（播种ID，年份，季度，村落ID，农作物ID，播种面积，备注，用户ID，上传日期）；

⑻ 农作物收获表gains（收获ID，年份，季度，村落ID，农作物ID，面积，产量，亩产量，备注，用户ID，上传日期）。系统实现举例

基于Android的基层农业统计数据采集与处理系统，通过安装Android移动设备中的应用程序与用户进行直接交互，Android端的应用程序采取本地化开发模式，在移动终端获取数据，结合移动端的界面设计，通过编码来实现满足用户采集需求的相关功能，将数据传送至服务器，在服务器端网页和Android端应用程序界面都可浏览相关采集信息，并能够执行回复、评论等信息交互操作。

4.1 登录模块

用户打开软件后立即显示登录页面，需要输入用户名、密码后点击登录，成功登录后进入操作页面。输入错误出现提示并需重新输入。登录界面如图7所示。

登录模块通过Android端Login Activiy类中的 click Login（）方法（图），将登录信息传送至Login Utils类中的线程run（）方法去执行登录验证请求，Server 端Login Action类中的client Login（）方法对信息进行验证。代码片段如图8所示。

4.2 消息提醒模块

管理员能够对所有用户或者特殊用户发送提醒[7]，并且会在智能手机的通知栏显示出来，如图9。结束语

本文基于采集统计农业数据以及处理系统需求，结合Android、移动通信技术，以及农业信息化等实际需求，综合利用无线网络和智能移动设备的优势，为农业技术人员提供现代化、智能化、便携式、易用、可靠的基层农业统计数据采集和处理工具。

我们在研究移动开发及农业信息化方面取得了一定成绩[8]，基于Android智能手机初步构建了基层农业统计采集与处理系统。但是由于各方面原因，系统依然存在诸多不足之处。比如数据采集内容方面，需进一步丰富基层农业数据采集的内容和形式；系统架构设计方面，还需加强服务器端的承载能力；在数据传输控制方面，要深入研究传输中断情况的数据传输策略等。

参考文献（References）：

[1] 尚明华，秦磊磊，王风云，刘淑云，张晓艳.基于 Android智能手机的小麦生产风险信息采集系统[J].农业工程学报，2011.27（5）：178-180

[2] 张磊.Android平台的应用开发研究[J].计算机光盘软件与应用，2011.9（17）：211-213

[3] 李摇杨，冯摇刚，李摇亮，罗拥华.基于 Android 的多媒体应用开发与研究[J].计算机与现代化，2011.1（4）：149-152

[4] 王一妹.基于Android系统的气象灾情手机直报平台的设计开发[J].安徽农业科学，2013.41（20）：8773-8776

[5] 胡纪通.建设精准型农业基础大数据的保障性工作机制[J].信息技术与信息化，2017.9：20-21

[6] 廖建尚，卢斯.基于Android系统智能网关型农业物联网设计和实现[J].中国农业科技导报，2017.19（6）：61-71

[7] 刘传茂，王熙.农机数据采集传输系统的设计与实现――基于CAN总线[J].农机化研究，2016.38（12）：207-211

[8] 孙小华，王福顺，杨会英，赵艳，王风国.基于智能手机的农业信息服务系统研究[J].科技和产业，2013.13（6）：33-36