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【摘要】针对在民用、军用的特殊设备装卸运输的过程中，周围环境的变化会影响特殊设备的使用性能，甚至对其造成损坏的问题，本文提出了对特殊设备装卸运输过程测试，该方法有助于对遭受损坏后的设备性能进行评估和分析，并能对特殊物品在运输过程中加以相应的保护。本文分析了装卸运输过程中的一些关键物理参数，如温度湿度、振动和冲击，从而提出了总体设计思路，分别对各个主要功能模块进行了设计，并确定了基于ARM的最终方案并在测试中成功获得有效数据。
【关键词】测试;ARM;振动冲击
引言
在特殊设备及物品的装卸、运输过程中有可能对物品造成损坏。例如，托运过程中由于贵重物品损坏而造成巨大损失的案例屡见不鲜。其原因很复杂，然而最常见的导致破损的原因可归结为：温度、湿度、振动和冲击[1]。据统计，仅中国范围内每年就有约140亿元的经济损失是由于物品流通过程中的损坏而造成的[2]。要尽量避免由于装卸运输过程中对物品造成的损坏，除了在包装方面进行改进外，对其运输的环境进行检测也势在必行。通过对装卸运输过程中的检测数据进行分析，可以得到在不同环境下，物品受到的损坏原因，由此在以后的同类装卸运输环境下，采取适当的措施以减小物品的破损程度。通过使用装卸运输测试系统，不仅能够规范人为操作，还能为特殊物品或设备的失效几率进行评估，进而减少损失。
1.系统总体设计及硬件设计
1.1 系统总体设计
总体方案设计如下：本系统由实时时钟模块、温湿度传感模块、振动/冲击加速度传感模块、通信模块、数据存储模块、电源管理模块组成。
系统以微处理器为核心，对环境温湿度信号、振动/冲击传感器信号以及实时时间信号进行采集，并将采集数据存储于大容量数据存储器中。实时时钟电路模块用于给系统提供实时时间，当记录温湿度信号或振动/冲击加速度信号时，由处理器读取实时时间并保存，以供之后对记录数据进行分析。通信模块负责系统与PC机之间通信，按照约定的通信协议，以相应的格式将存储器内部的数据传入PC机或从PC机输入数据到系统微处理器。电源管理模块负责将电池电压转换为各功能芯片需要的工作电压，供电给各模块芯片;此外，由主控芯片控制其它功能芯片的待机或启动模式，合理地进行功率控制，进而丰富低功耗控制策略，降低系统功耗。
1.2 硬件设计
系统选用以ARM Cortex-M3为内核的LPC1768[3]微处理器，其最小系统主要由四部分组成：电源模块、时钟模块、复位模块、JTAG调试接口模块。
本系统使用CAT811S实现系统复位和电源监控的功能。时钟模块决定了微处理器运行的速度及采样频率的可靠性。温度及湿度传感器采用温湿度测量集成在一起的数字温湿度传感器SHT15[4]。SHT15直接输出数字信号，且内部集成了工业标准的I2C接口，可以很方便地与微控制器LPC1768连接，其测温范围是-40～123.8℃，测量相对湿度范围是0～100%RH，满足装卸运输测试系统的要求。实时时钟模块以PCF8563为核心，PCF8563具有定时器中断功能[5][6]，PCF8563除了用于提供时间外，还用于定时中断，使系统进入定时采样模式。利用ADXL3xx测量振动/冲击，它可以直接输出数字量，I2C接口传输数据，ADXL3xx带有冲击检测中断功能，而且不仅能够测试5g以内的振动，也可以测试冲击，符合系统测试要求。
2.系统工作原理
系统工作时，有定时采样模式和突发事件采样模式两种测量模式。系统进入测试后，当PCF8563定时器中断输出时，进入定时采样模式，ADXL3xx按照定时采样的采样频率200Hz采集并存储振动加速度值，然后退出定时采样模式进入待机状态;在此过程中，当检测到加速度值高于阈值时，视为受到冲击加速度，系统优先进入突发事件采样模式，随后ADXL3xx以20KHz的采样频率对冲击加速度进行采样存储，30s后，系统退出突发事件采样模式进入待机状态。
当VS和VDDI/O都上电时，器件处于待机模式，等待进入测量模式的命令，所有传感器功能关闭。当该器件得到指示进入测量模式后，传感器进入工作状态。系统上电后，ADXL3xx进入待机模式。当ADXL3xx中三轴中的触发轴的加速度值超过寄存器THRESH_SHOCK中冲击中断的阈值时（冲击事件的幅度与THRESH_SHOCK寄存器中的值进行比较），并且持续时间小于DUE寄存器的规定的时间范围时，单次冲击中断位SINGLE_SHOCK中断置位。
系统采用异步串行通信UART接口与上位机进行通信。由于上位机串口是RS-232电平，因此需要使用RS-232转换器。本系统选用MAX3232作为RS-232的转换芯片。系统选用MAX3232的其中一路接收器和驱动器，要发送的数据通过LPC1768的TXD0发送到MAX3232的T2IN，经过内部转换，输出到T2OUT，之后发送到PC机。图1为系统的采样方式示意图。
图1 系统采样方式示意图
3.系统软件设计
系统的工作状态由六部分组成：关机状态、待机状态、定时采样存储状态、突发采样存储状态、待读数或擦除状态以及读数或擦除状态。
系统上电后，经过执行引导程序以及用户程序的初始化过程，即进入待机状态，待机状态下系统首先判断状态切换按钮是否按下，如果切换按钮按下，则系统进入待读数或待擦除状态，等待上位机发送读数或擦除命令，而后执行相应的读数或擦除操作;反之，如果没有按下状态切换按钮，则系统等待定时中断和冲击检测中断，判断是否有突发中断或定时中断，有则执行相应的采样存储操作，执行完后返回待机模式，没有则直接返回待机模式。图2所示为系统主程序流程图。
图2 系统主程序流程图
定时采样时，振动加速度的采样频率为200Hz，传输时间和存储时间足够小，可以直接存储到FLASH;突发采样时，冲击加速度的采样频率为20KHz，本系统设定先将数据存入RAM，再转存到FLASH，由于FLASH为页编程方式存储数据[7][8]，一页的数据量为2KB，而LPC1768有3块静态RAM，容量分别为32KB、16KB、16KB，本系统中选用其中一块16KB的RAM用来存储突发模式的数据，设定为每当RAM存满8KB的数据时，将其中的数据转存到FLASH中。 4.装置可靠性及试验结果分析
4.1 可靠性验证
本系统通过马歇特锤[9]来进行装置冲击加速度的测试，结果显示装置和标准传感器测量的最大冲击加速度基本相同，曲线后部振动部分差异较大是由于两套装置的安装方式不同引起的，曲线如图3所示。
将装置放入敞开环境中，测量后的温度及湿度与温度湿度控制器显示值相比较，得到的结果通过计算相对误差，得到温度的相对测量误差1.52%，湿度相对测量误差2.5%。从所有结果来看该系统有较高的精确度和准确性。测试后的结果表明该装置具有较高的准确度和精确性，且经过反复多次测试，均有有效数据成功采集，可靠性高。
图4 冲击加速度曲线
4.2 实际测试数据结果
在某次货物运输过程中，将该装置通过螺纹固定方式与货物包装箱紧密连接，在此次运输过程中成功记录到数据。图4为系统受到冲击的加速度曲线及频域曲线，曲线显示装置受到的最大冲击加速度峰值约为150g，脉宽约为0.6ms。
在运输过程中，由于路况和驾驶状况的不同，包装箱会受到不同程度的振动。通过测试，包装箱在运输过程中受到的振动情况如表1所示。
在测试中测得的温度及相对湿度变化趋势如图5所示。
通过以上的分析，可以认为，在本次包装箱装卸运输过程中受到的振动/冲击加速度的范围为：-150～150g;震动值总体较小，公路运输与铁路运输相比更加平稳，但货车司机的驾驶技术及习惯等主动因素可能会对测试结果造成较大影响;温度变化范围：10℃，对于物品影响较小;相对湿度变化范围：60%RH，最大相对湿度为95%RH，可能会影响部分特殊物品的性能，应做适当的干燥处理。
5.总结
本文提出了对特殊设备装卸运输过程中各主要参数的记录和测试。该方法有助于对运输后的设备性能是否正常做出判断，并能对特殊物品在运输过程中加以相应的保护。实践表明该系统能够可靠地完成运输过程中各主要参数的测量与记录，为特殊物品的运输装卸过程提供可靠地数据参照。在下一步工作中拟加入报警功能，可以及时地对运输过程中可能的引起货物损坏的因素进行发现并及时得到处理。
参考文献
[1]高文佳.酒泉市博物馆馆藏文物腐蚀受损原因分析[J].丝绸之路，2011（20）：108-109.
[2]赵庆海.在印刷设备中应用的运输包装黑匣子[D].西安：西安理工大学，2005：2-5.
[3]YINPING JIANG，LEI WANG，HAILI ZHANG，et al.Research of roots flow meter based on ARM Cortex-M3[C]//Consumer Electronics，Communications and Networks，2011：582-585.
[4]KLATT，F.W..Sensorless Real Time Control（RTC）[C]//Sensorless Control for Electrical Drives （SLED），2，2012：1-6.
[5]李海鸿，朱元清，陈蓓.实时时钟芯片PCF8563及其应用[J].国外电子测量技术，2002（5）：29-31.
[6]卞丽，张国华，戢敏等.时钟芯片PCF8563接口及驱动设计[J].中国科技信息，2007（17）：69-70.
[7]罗钧，张宇.大容量NAND FLASH在ARM嵌入式系统中的设计与实现[J].现代电子技术，2007（11）：172-174.
[8]金晶，浦汉来，朱莉.基于FLASH存储器的嵌入式文件系统的设计与实现[J].电子器件，2003（2）：214-217.
[9]康峰，马素杰，马群峰.储备式锂电池在高过载下的特性研究[J].探测与控制学报，2007（5）：39-43.
作者简介：
杨军艺（1988—），山西临汾人，硕士研究生，主要研究方向：动态测试。
李新娥（1971— ），山西大同人，博士，教授，硕士生导师，主要研究方向：动态测试、传感器技术、电磁屏蔽技术、校准技术、智能测控。
沈大伟（1979—），山西长治人，博士，主要研究方向：动态测试、智能测控。
张红艳（1978—），安徽淮北人，讲师，主要研究方向：动态测试、精密机械及仪器。
王丽利（1979—），陕西西安人，工程师，主要研究方向：测试仪器研究。
【关键词】测试;ARM;振动冲击
引言
在特殊设备及物品的装卸、运输过程中有可能对物品造成损坏。例如，托运过程中由于贵重物品损坏而造成巨大损失的案例屡见不鲜。其原因很复杂，然而最常见的导致破损的原因可归结为：温度、湿度、振动和冲击[1]。据统计，仅中国范围内每年就有约140亿元的经济损失是由于物品流通过程中的损坏而造成的[2]。要尽量避免由于装卸运输过程中对物品造成的损坏，除了在包装方面进行改进外，对其运输的环境进行检测也势在必行。通过对装卸运输过程中的检测数据进行分析，可以得到在不同环境下，物品受到的损坏原因，由此在以后的同类装卸运输环境下，采取适当的措施以减小物品的破损程度。通过使用装卸运输测试系统，不仅能够规范人为操作，还能为特殊物品或设备的失效几率进行评估，进而减少损失。
1.系统总体设计及硬件设计
1.1 系统总体设计
总体方案设计如下：本系统由实时时钟模块、温湿度传感模块、振动/冲击加速度传感模块、通信模块、数据存储模块、电源管理模块组成。
系统以微处理器为核心，对环境温湿度信号、振动/冲击传感器信号以及实时时间信号进行采集，并将采集数据存储于大容量数据存储器中。实时时钟电路模块用于给系统提供实时时间，当记录温湿度信号或振动/冲击加速度信号时，由处理器读取实时时间并保存，以供之后对记录数据进行分析。通信模块负责系统与PC机之间通信，按照约定的通信协议，以相应的格式将存储器内部的数据传入PC机或从PC机输入数据到系统微处理器。电源管理模块负责将电池电压转换为各功能芯片需要的工作电压，供电给各模块芯片;此外，由主控芯片控制其它功能芯片的待机或启动模式，合理地进行功率控制，进而丰富低功耗控制策略，降低系统功耗。
1.2 硬件设计
系统选用以ARM Cortex-M3为内核的LPC1768[3]微处理器，其最小系统主要由四部分组成：电源模块、时钟模块、复位模块、JTAG调试接口模块。
本系统使用CAT811S实现系统复位和电源监控的功能。时钟模块决定了微处理器运行的速度及采样频率的可靠性。温度及湿度传感器采用温湿度测量集成在一起的数字温湿度传感器SHT15[4]。SHT15直接输出数字信号，且内部集成了工业标准的I2C接口，可以很方便地与微控制器LPC1768连接，其测温范围是-40～123.8℃，测量相对湿度范围是0～100%RH，满足装卸运输测试系统的要求。实时时钟模块以PCF8563为核心，PCF8563具有定时器中断功能[5][6]，PCF8563除了用于提供时间外，还用于定时中断，使系统进入定时采样模式。利用ADXL3xx测量振动/冲击，它可以直接输出数字量，I2C接口传输数据，ADXL3xx带有冲击检测中断功能，而且不仅能够测试5g以内的振动，也可以测试冲击，符合系统测试要求。
2.系统工作原理
系统工作时，有定时采样模式和突发事件采样模式两种测量模式。系统进入测试后，当PCF8563定时器中断输出时，进入定时采样模式，ADXL3xx按照定时采样的采样频率200Hz采集并存储振动加速度值，然后退出定时采样模式进入待机状态;在此过程中，当检测到加速度值高于阈值时，视为受到冲击加速度，系统优先进入突发事件采样模式，随后ADXL3xx以20KHz的采样频率对冲击加速度进行采样存储，30s后，系统退出突发事件采样模式进入待机状态。
当VS和VDDI/O都上电时，器件处于待机模式，等待进入测量模式的命令，所有传感器功能关闭。当该器件得到指示进入测量模式后，传感器进入工作状态。系统上电后，ADXL3xx进入待机模式。当ADXL3xx中三轴中的触发轴的加速度值超过寄存器THRESH_SHOCK中冲击中断的阈值时（冲击事件的幅度与THRESH_SHOCK寄存器中的值进行比较），并且持续时间小于DUE寄存器的规定的时间范围时，单次冲击中断位SINGLE_SHOCK中断置位。
系统采用异步串行通信UART接口与上位机进行通信。由于上位机串口是RS-232电平，因此需要使用RS-232转换器。本系统选用MAX3232作为RS-232的转换芯片。系统选用MAX3232的其中一路接收器和驱动器，要发送的数据通过LPC1768的TXD0发送到MAX3232的T2IN，经过内部转换，输出到T2OUT，之后发送到PC机。图1为系统的采样方式示意图。
图1 系统采样方式示意图
3.系统软件设计
系统的工作状态由六部分组成：关机状态、待机状态、定时采样存储状态、突发采样存储状态、待读数或擦除状态以及读数或擦除状态。
系统上电后，经过执行引导程序以及用户程序的初始化过程，即进入待机状态，待机状态下系统首先判断状态切换按钮是否按下，如果切换按钮按下，则系统进入待读数或待擦除状态，等待上位机发送读数或擦除命令，而后执行相应的读数或擦除操作;反之，如果没有按下状态切换按钮，则系统等待定时中断和冲击检测中断，判断是否有突发中断或定时中断，有则执行相应的采样存储操作，执行完后返回待机模式，没有则直接返回待机模式。图2所示为系统主程序流程图。
图2 系统主程序流程图
定时采样时，振动加速度的采样频率为200Hz，传输时间和存储时间足够小，可以直接存储到FLASH;突发采样时，冲击加速度的采样频率为20KHz，本系统设定先将数据存入RAM，再转存到FLASH，由于FLASH为页编程方式存储数据[7][8]，一页的数据量为2KB，而LPC1768有3块静态RAM，容量分别为32KB、16KB、16KB，本系统中选用其中一块16KB的RAM用来存储突发模式的数据，设定为每当RAM存满8KB的数据时，将其中的数据转存到FLASH中。 4.装置可靠性及试验结果分析
4.1 可靠性验证
本系统通过马歇特锤[9]来进行装置冲击加速度的测试，结果显示装置和标准传感器测量的最大冲击加速度基本相同，曲线后部振动部分差异较大是由于两套装置的安装方式不同引起的，曲线如图3所示。
将装置放入敞开环境中，测量后的温度及湿度与温度湿度控制器显示值相比较，得到的结果通过计算相对误差，得到温度的相对测量误差1.52%，湿度相对测量误差2.5%。从所有结果来看该系统有较高的精确度和准确性。测试后的结果表明该装置具有较高的准确度和精确性，且经过反复多次测试，均有有效数据成功采集，可靠性高。
图4 冲击加速度曲线
4.2 实际测试数据结果
在某次货物运输过程中，将该装置通过螺纹固定方式与货物包装箱紧密连接，在此次运输过程中成功记录到数据。图4为系统受到冲击的加速度曲线及频域曲线，曲线显示装置受到的最大冲击加速度峰值约为150g，脉宽约为0.6ms。
在运输过程中，由于路况和驾驶状况的不同，包装箱会受到不同程度的振动。通过测试，包装箱在运输过程中受到的振动情况如表1所示。
在测试中测得的温度及相对湿度变化趋势如图5所示。
通过以上的分析，可以认为，在本次包装箱装卸运输过程中受到的振动/冲击加速度的范围为：-150～150g;震动值总体较小，公路运输与铁路运输相比更加平稳，但货车司机的驾驶技术及习惯等主动因素可能会对测试结果造成较大影响;温度变化范围：10℃，对于物品影响较小;相对湿度变化范围：60%RH，最大相对湿度为95%RH，可能会影响部分特殊物品的性能，应做适当的干燥处理。
5.总结
本文提出了对特殊设备装卸运输过程中各主要参数的记录和测试。该方法有助于对运输后的设备性能是否正常做出判断，并能对特殊物品在运输过程中加以相应的保护。实践表明该系统能够可靠地完成运输过程中各主要参数的测量与记录，为特殊物品的运输装卸过程提供可靠地数据参照。在下一步工作中拟加入报警功能，可以及时地对运输过程中可能的引起货物损坏的因素进行发现并及时得到处理。
参考文献
[1]高文佳.酒泉市博物馆馆藏文物腐蚀受损原因分析[J].丝绸之路，2011（20）：108-109.
[2]赵庆海.在印刷设备中应用的运输包装黑匣子[D].西安：西安理工大学，2005：2-5.
[3]YINPING JIANG，LEI WANG，HAILI ZHANG，et al.Research of roots flow meter based on ARM Cortex-M3[C]//Consumer Electronics，Communications and Networks，2011：582-585.
[4]KLATT，F.W..Sensorless Real Time Control（RTC）[C]//Sensorless Control for Electrical Drives （SLED），2，2012：1-6.
[5]李海鸿，朱元清，陈蓓.实时时钟芯片PCF8563及其应用[J].国外电子测量技术，2002（5）：29-31.
[6]卞丽，张国华，戢敏等.时钟芯片PCF8563接口及驱动设计[J].中国科技信息，2007（17）：69-70.
[7]罗钧，张宇.大容量NAND FLASH在ARM嵌入式系统中的设计与实现[J].现代电子技术，2007（11）：172-174.
[8]金晶，浦汉来，朱莉.基于FLASH存储器的嵌入式文件系统的设计与实现[J].电子器件，2003（2）：214-217.
[9]康峰，马素杰，马群峰.储备式锂电池在高过载下的特性研究[J].探测与控制学报，2007（5）：39-43.
作者简介：
杨军艺（1988—），山西临汾人，硕士研究生，主要研究方向：动态测试。
李新娥（1971— ），山西大同人，博士，教授，硕士生导师，主要研究方向：动态测试、传感器技术、电磁屏蔽技术、校准技术、智能测控。
沈大伟（1979—），山西长治人，博士，主要研究方向：动态测试、智能测控。
张红艳（1978—），安徽淮北人，讲师，主要研究方向：动态测试、精密机械及仪器。
王丽利（1979—），陕西西安人，工程师，主要研究方向：测试仪器研究。