基于ARM的電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)

　　0 引 言

　　電磁流量計(jì)是一種測量導(dǎo)電介質(zhì)體積流量的計(jì)量儀表，具有測量精度高、穩(wěn)定性好、可靠性高等特點(diǎn)。電磁流量計(jì)除可測量一般導(dǎo)電液體的流量外，還可測量液固兩相液體、高粘度液體及鹽類、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿液體的體積流量，可廣泛應(yīng)用于水泥、化工、輕紡、冶金、礦山、造紙、醫(yī)藥、給排水、食品飲料、環(huán)保等工業(yè)技術(shù)部門，其產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和可靠性對上述企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益有著重要的影響。

　　嵌入式系統(tǒng)( Embedded Sy stem) 是以應(yīng)用為中心和以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的，并且軟硬件是可以裁減的,能滿足應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等指標(biāo)的嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的專用系統(tǒng)，與通用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比具有如下特點(diǎn)：嵌入式CPU 通常具有低功耗、體積小、集成度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，能夠把通用的CPU 中許多由板卡完成的功能集成到芯片內(nèi)部;嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用不容易在市場上形成壟斷;嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進(jìn)入市場，一般具有較長的生命周期;嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計(jì);嵌入式系統(tǒng)必須有一套交叉開發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開發(fā)。

　　檢測儀表是實(shí)現(xiàn)參數(shù)檢測過程的重要一環(huán)，一般都具有變換、測量裝置和顯示裝置三部分。針對于檢測儀表的要求，合理剪裁軟硬件實(shí)現(xiàn)高集成度、小型化，使得檢測儀表不僅具有傳感測量、補(bǔ)償計(jì)算、顯示的功能，還具有更加強(qiáng)大的信息處理、比較推理、故障診斷、自學(xué)習(xí)自適應(yīng)等智能化功能。應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)，還能使儀表完成遠(yuǎn)程維護(hù)、遠(yuǎn)程控制、故障報(bào)警、信息發(fā)布與共享等以前無法實(shí)現(xiàn)的功能。嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的高度發(fā)展，給檢測與儀表技術(shù)帶來了前所未有的發(fā)展空間和機(jī)遇，為檢測儀表的智能化、網(wǎng)絡(luò)化和微型化鋪平了道路，為儀表行業(yè)的發(fā)展帶來了廣闊的前景。

　　傳統(tǒng)電磁流量計(jì)一般采用8 位或16 位的單片機(jī),由于單片機(jī)性能較弱和外圍接口少，無法完成復(fù)雜算法或者多項(xiàng)并行任務(wù);在顯示方式上一般采用LED 或段式LCD，只能顯示數(shù)字、字母、漢字和一些粗糙的圖案;在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面一般采用小容量的EPROM 存儲(chǔ)器,流量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)一般以二進(jìn)制方式存儲(chǔ)，不具有通用性;在通信方式上，一般采用RS 232 或RS 485，其開放性不高，組網(wǎng)距離短。為了提高性能和功能，有些電磁流量計(jì)甚至采用了多個(gè)單片機(jī)協(xié)同工作的方式，增加了電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。因此有必要采用高性能的32 位處理器來設(shè)計(jì)電磁流量計(jì)。

　　基于32 位ARM 處理器和嵌入式Linux 操作系統(tǒng)構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)，并將其應(yīng)用于電磁流量計(jì)的設(shè)計(jì)和開發(fā)中，將有利于提高高端電磁流量計(jì)產(chǎn)品的質(zhì)量，更好地滿足用戶需求，而且對我國電磁流量計(jì)檢測技術(shù)水平的發(fā)展也具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。由于嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)的復(fù)雜性和高難度，本文所構(gòu)建的高性能32 位嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)，也可推廣應(yīng)用于其他高端儀器儀表的設(shè)計(jì)中，縮短新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)周期,增強(qiáng)企業(yè)對客戶需求的響應(yīng)能力和產(chǎn)品的更新?lián)Q代能力。

　　1 總體設(shè)計(jì)

　　1. 1 ARM 處理器的選擇

　　結(jié)合電磁流量計(jì)的應(yīng)用背景，選擇32 位的嵌入式ARM 處理器。根據(jù)ARM 處理器的應(yīng)用選型，并考慮到ARM 處理器價(jià)格、性能、集成度和功能、設(shè)計(jì)支持及開發(fā)工具的支持等因素，以及應(yīng)用中對于以太網(wǎng)和USB 接口功能的要求，選擇了Atmel 公司的AT91RM9200 工業(yè)級芯片。

　　1. 2 嵌入式操作系統(tǒng)的選擇

　　對于一種嵌入式操作系統(tǒng)通常有這樣一些*估選擇標(biāo)準(zhǔn)：實(shí)用性、需要消耗的資源數(shù)( 包括SDRAM,FLASH MEMORY 等) 、支持軟件的豐富程度、可靠性以及其執(zhí)行性能等。Linux 已經(jīng)被移植到了很多平臺(tái),包括ARM，MIPS，SH3，Alpha，X86，Pow erPC 等，由成千上萬的愛好者開發(fā)的應(yīng)用軟件、協(xié)議棧以及豐富的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序;更重要的是這些驅(qū)動(dòng)很多都以O(shè)penSour ce 的形式發(fā)布出來，使得大家都從中受益。

　　1. 3 總體設(shè)計(jì)框架

　　通過對電磁流量計(jì)的方案選擇，并綜合國內(nèi)外電磁流量儀表產(chǎn)品的智能化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。系統(tǒng)主要由硬件子系統(tǒng)和軟件子系統(tǒng)組成。

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　　圖1 系統(tǒng)總體框架

　　電磁流量計(jì)的硬件子系統(tǒng)主要由電源模塊、信號輸入模塊、CPU 核心模塊、勵(lì)磁輸出模塊、人機(jī)交互模塊、通信接口模塊和調(diào)試接口模塊組成。各模塊的功能描述如下：

　　電源模塊：為整個(gè)硬件子系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的電源。

　　CPU 核心模塊：由ARM 處理器、SDRAM,FLASH 以及輔助電路構(gòu)成最小系統(tǒng)，同時(shí)也是運(yùn)行嵌入式Linux 的基本硬件平臺(tái)。

　　信號輸入模塊：將傳感器輸出的小電壓或電流信號進(jìn)行放大、濾波以及轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，以便進(jìn)行軟件處理。

　　勵(lì)磁輸出模塊：通過D/ A 轉(zhuǎn)換器輸出低頻三值矩形方波，并通過功率放大輸出給傳感器。

　　人機(jī)交互模塊：由鍵盤接口和TFT 液晶顯示接口組成，通過鍵盤和菜單界面進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定，并由液晶屏實(shí)時(shí)顯示瞬時(shí)流量、累積流量和流量曲線等。

　　通信接口模塊：包括以太網(wǎng)接口、U SB 接口以及RS 232 接口，完成數(shù)據(jù)通訊和流量傳輸功能。

　　調(diào)試接口模塊：由JT AG 調(diào)試接口和DBCOM 調(diào)試串口組成。

　　軟件子系統(tǒng)由引導(dǎo)加載程序( Boot Loader) 、嵌入式Linux 操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件組成。嵌入式Linux 的啟動(dòng)需要引導(dǎo)加載程序來輔助完成，Linux、內(nèi)核主要由進(jìn)程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)管理、設(shè)備控制及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等幾個(gè)部分，為應(yīng)用軟件提供了運(yùn)行環(huán)境。圖中的硬件設(shè)備控制提供了硬件平臺(tái)中相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,實(shí)現(xiàn)了操作系統(tǒng)與硬件之間的信息交互和控制，而系統(tǒng)函數(shù)調(diào)用為Linux 內(nèi)核和應(yīng)用軟件之間的信息交互提供了接口。

　　2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　基于低頻三值矩形波勵(lì)磁的電磁流量計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。其中，CPU 核心模塊是系統(tǒng)軟件的運(yùn)行基礎(chǔ)，F(xiàn)LASH 存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)可執(zhí)行程序的二進(jìn)制映像文件，供系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)加載到SDRAM 內(nèi)存空間運(yùn)行;由于硬件系統(tǒng)的復(fù)雜性，調(diào)試模塊加強(qiáng)了硬件系統(tǒng)的調(diào)試功能;流量傳感器由一對勵(lì)磁線圈和一對對稱分布的檢測電極構(gòu)成。

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　　圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

　　ARM9 處理器通過與其相連的D/ A 芯片產(chǎn)生低頻三值矩形波，勵(lì)磁線圈接受該低頻三值矩形波經(jīng)功率放大后的勵(lì)磁信號而產(chǎn)生感應(yīng)磁場，在電極上產(chǎn)生因流體切割磁力線而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢( 即測量信號) ，并將之送入信號輸入模塊進(jìn)行處理，信號輸入模塊對流量傳感器輸入的信號進(jìn)行放大、濾波及A/ D 采樣后輸入ARM9 處理器。系統(tǒng)由TFT 液晶顯示屏提供人性化的菜單顯示操作界面，結(jié)合鍵盤進(jìn)行人機(jī)交互;同時(shí)具有以太網(wǎng)、USB 和RS 232 通信接口可輸出瞬時(shí)流量、累積流量和系統(tǒng)參數(shù)。

　　3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　? 　　一個(gè)嵌入式Linux 系統(tǒng)從軟件的角度來看，通?？梢苑譃樗膫€(gè)層次，如圖3 所示。

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　　圖3 系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)

　　引導(dǎo)加載程序：包括固化在固件中的Boo t 代碼( 可選) ，和Boo t Loader 兩大部分。

　　Linux 內(nèi)核：特定于嵌入式硬件平臺(tái)的定制內(nèi)核以及內(nèi)核的啟動(dòng)參數(shù)。

　　文件系統(tǒng)：包括根文件系統(tǒng)和建立于FLASH 內(nèi)存設(shè)備之上文件系統(tǒng)，通常采用ramdisk 作為根文件系統(tǒng)。

　　用戶應(yīng)用程序：特定于用戶的應(yīng)用程序。有時(shí)在用戶應(yīng)用程序和內(nèi)核層之間可能還會(huì)包括一個(gè)嵌入式圖形用戶界面。

　　其中，引導(dǎo)加載程序是嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)的第一個(gè)環(huán)節(jié)，它是操作系統(tǒng)和硬件的樞紐，為操作系統(tǒng)內(nèi)核的啟動(dòng)提供了必要的條件和參數(shù);引導(dǎo)加載程序的工作是初始化內(nèi)存以及必要的硬件設(shè)備，調(diào)用內(nèi)核加載器。從FLASH 中加載操作系統(tǒng)映像到SDRAM 中，并把控制權(quán)交給Linux ;由Linux 對硬件系統(tǒng)做進(jìn)一步的初始化并控制應(yīng)用程序。

　　基于系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)的啟動(dòng)過程中有3 個(gè)主要軟件組件參與其中：引導(dǎo)加載程序、Linux 內(nèi)核和Init進(jìn)程。其啟動(dòng)過程如下:

　　(1) 系統(tǒng)在上電或Reset 之后，A T91RM9200 開始執(zhí)行存放在NOR FLASH( 系統(tǒng)將0x10000000 映射到0x 00000000，即ARM 的復(fù)位向量) 中的引導(dǎo)加載程序。

　　(2) 引導(dǎo)加載程序初始化CPU 和內(nèi)存控制器，對系統(tǒng)外設(shè)做最小程度的初始化，如初始化LED 和串口等，檢測內(nèi)存并匯報(bào)啟動(dòng)中的診斷信息，然后將Linux內(nèi)核映像解壓到SDRAM 中的某個(gè)位置并跳轉(zhuǎn)到這個(gè)地址，把控制權(quán)交給Linux 內(nèi)核。

　　(3) Linux 的內(nèi)核接管執(zhí)行權(quán)后完成一系列的系統(tǒng)初始化和設(shè)置，包括設(shè)置中斷向量，啟動(dòng)內(nèi)存管理，初始化各個(gè)硬件設(shè)備，初始化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等，最后建立根文件系統(tǒng)并生成系統(tǒng)進(jìn)程之父Init 進(jìn)程。

　　(4) Init 進(jìn)程負(fù)責(zé)啟動(dòng)所有必要的服務(wù)和用戶應(yīng)用程序，并進(jìn)入嵌入式系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

　　在嵌入式Linux 系統(tǒng)中，必須有固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備來存儲(chǔ)可執(zhí)行的代碼，本系統(tǒng)中采用了FLASH 存儲(chǔ)器。

　　在該系統(tǒng)中，系統(tǒng)的存儲(chǔ)設(shè)備空間分配結(jié)構(gòu)如表1所示。

　　表1 系統(tǒng)存儲(chǔ)空間分配結(jié)構(gòu)

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　　電磁流量計(jì)的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)是根據(jù)系統(tǒng)需求，以嵌入式Linux 內(nèi)核為基礎(chǔ)，通過Linux 內(nèi)核的系統(tǒng)調(diào)用接口函數(shù)并按照模塊化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。該系統(tǒng)的最大特色在于提供了人性化的彩色液晶顯示操作界面和以太網(wǎng)功能，因此在應(yīng)用軟件中是基于MiniGU 1 進(jìn)行設(shè)計(jì)的,同時(shí)基于Modbus 協(xié)議實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)功能。

　　電磁流量計(jì)的應(yīng)用軟件整體構(gòu)架需要考慮多任務(wù)和實(shí)時(shí)性兩個(gè)方面問題。首先是A/ D 采樣和勵(lì)磁信號輸出必須要保證實(shí)時(shí)性和同步性，這一點(diǎn)可通過AT91RM9200 的兩個(gè)定時(shí)器來保證，其中一個(gè)定時(shí)器用于控制D/ A 輸出三值矩形方波，另一個(gè)定時(shí)器用于控制A/ D 采樣;考慮到硬件電路的干擾，在應(yīng)用中首先啟動(dòng)D/ A 定時(shí)器，然后延遲1/ 8 勵(lì)磁周期再啟動(dòng)A/ D定時(shí)器。對于嵌入式Linux 下應(yīng)用軟件的多任務(wù)，可以采用多進(jìn)程或多線程的方式來實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用軟件的主程序流程圖如圖4 所示。

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　　圖4 應(yīng)用軟件的主程序流程圖

　　4 系統(tǒng)測試

　　由于采用了嵌入式系統(tǒng)的新技術(shù)，特別是引入了32 位高性能ARM 處理器和嵌入式Linux 操作系統(tǒng),系統(tǒng)除了具備電磁流量計(jì)的基本功能外，還具有更強(qiáng)大的功能如流量數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)、TFT 彩屏顯示以及以太網(wǎng)通訊等傳統(tǒng)儀表無法完成的功能。它可以顯示實(shí)時(shí)流量曲線和年、月、日、時(shí)、分、秒的實(shí)時(shí)時(shí)間;采用FLASH 存儲(chǔ)器，測量和運(yùn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)保護(hù)安全可靠;使用Modbus 通訊協(xié)議和TCP/ IP 協(xié)議，提高系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化程度。

　　分別對系統(tǒng)的圖形用戶顯示操作界面、大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及基于Modbus/ TCP 協(xié)議網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔糠诌M(jìn)行功能測試。對嵌入式電磁流量計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)測試和實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明嵌入式電磁流量計(jì)不僅具有傳統(tǒng)電磁流量計(jì)的功能，而且具有流量曲線顯示的TFT 彩屏顯示操作界面、流量數(shù)據(jù)文件斷電存儲(chǔ)和管理以及基于Internet 的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程控制功能。

　　5 結(jié)語

　　儀器儀表的發(fā)展建立在新型檢測系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)性能提高基礎(chǔ)之上。在傳統(tǒng)檢領(lǐng)域應(yīng)用很廣的8 位單片機(jī)系統(tǒng)由于其性能和資源的局限性，只能完成儀器儀表的基本功能。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展及集成電路制造工藝的大幅提高，以高性能、低功耗、低成本等諸多優(yōu)點(diǎn)的32 位ARM 處理器的出現(xiàn)及其在儀器儀表中的應(yīng)用，使得儀器儀表更具智能化、人性化和網(wǎng)絡(luò)化。

　　流量檢測儀表的顯示方式、通訊方式和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是儀表的重要組成部分。傳統(tǒng)電磁流量計(jì)在顯示方式上一般采用LED 或段式LCD，只能顯示數(shù)字、字母、漢字和一些粗糙的圖案;在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，信息存儲(chǔ)一般以二進(jìn)制方式存儲(chǔ)，不具有通用性且存儲(chǔ)容量小;在通訊方式上，一般采用RS 232 或RS 485，其開放性不高。

　　為了解決了上述不足，本文采用32 位的ARM 處理器和嵌入式Linux 操作系統(tǒng)研制出了具有信息化、圖形化和網(wǎng)絡(luò)化的電磁流量計(jì)。它采用T FT 彩色液晶屏顯示方式，不僅可以顯示流量數(shù)據(jù)還可以顯示流量曲線，提高了顯示的質(zhì)量和內(nèi)容;通過JFFS2 文件系統(tǒng)采用文件的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，且存儲(chǔ)容量可達(dá)1 MB。

　　同時(shí)可以使用U 盤導(dǎo)出數(shù)據(jù)文件，增強(qiáng)了用戶的信息存儲(chǔ)和管理功能;采用以T CP/ IP 協(xié)議為基礎(chǔ)的工業(yè)以太網(wǎng)通訊方式，使得電磁流量計(jì)成為Internet 網(wǎng)絡(luò)中的獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)基于Internet 的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程控制。