0  引 言

　　電磁流量計是一種測量導電介質體積流量的計量儀表，具有測量精度高、穩(wěn)定性好、可靠性高等特點。電磁流量計除可測量一般導電液體的流量外，還可測量液固兩相液體、高粘度液體及鹽類、強酸、強堿液體的體積流量，可廣泛應用于水泥、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)技術部門，其產品的性能、質量和可靠性對上述企業(yè)的經濟效益有著重要的影響。

　　嵌入式系統(tǒng)( Embedded Sy stem) 是以應用為中心和以計算機技術為基礎的，并且軟硬件是可以裁減的,能滿足應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等指標的嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。它是面向用戶、面向產品、面向應用的專用系統(tǒng)，與通用的計算機系統(tǒng)相比具有如下特點：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，能夠把通用的CPU 中許多由板卡完成的功能集成到芯片內部； 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)和應用不容易在市場上形成壟斷； 嵌入式系統(tǒng)產品一旦進入市場，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計； 嵌入式系統(tǒng)必須有一套交叉開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(fā)。

　　檢測儀表是實現(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，合理剪裁軟硬件實現(xiàn)高集成度、小型化，使得檢測儀表不僅具有傳感測量、補償計算、顯示的功能，還具有更加強大的信息處理、比較推理、故障診斷、自學習自適應等智能化功能。應用嵌入式系統(tǒng)的網絡接入技術，還能使儀表完成遠程維護、遠程控制、故障報警、信息發(fā)布與共享等以前無法實現(xiàn)的功能。嵌入式系統(tǒng)技術的高度發(fā)展，給檢測與儀表技術帶來了前所未有的發(fā)展空間和機遇，為檢測儀表的智能化、網絡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)電磁流量計一般采用8 位或16 位的單片機,由于單片機性能較弱和外圍接口少，無法完成復雜算法或者多項并行任務； 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)存儲方面一般采用小容量的EPROM 存儲器,流量數(shù)據(jù)存儲一般以二進制方式存儲，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，組網距離短。為了提高性能和功能，有些電磁流量計甚至采用了多個單片機協(xié)同工作的方式，增加了電磁流量計設計與實現(xiàn)的復雜度。因此有必要采用高性能的32 位處理器來設計電磁流量計。

　　基于32 位ARM 處理器和嵌入式Linux 操作系統(tǒng)構建嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺，并將其應用于電磁流量計的設計和開發(fā)中，將有利于提高高端電磁流量計產品的質量，更好地滿足用戶需求，而且對我國電磁流量計檢測技術水平的發(fā)展也具有重要的現(xiàn)實意義。由于嵌入式系統(tǒng)的設計與開發(fā)的復雜性和高難度，本文所構建的高性能32 位嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺，也可推廣應用于其他高端儀器儀表的設計中，縮短新產品的設計開發(fā)周期,增強企業(yè)對客戶需求的響應能力和產品的更新?lián)Q代能力。

　　1  總體設計

　　1. 1  ARM 處理器的選擇

　　結合電磁流量計的應用背景，選擇32 位的嵌入式ARM 處理器。根據(jù)ARM 處理器的應用選型，并考慮到ARM 處理器價格、性能、集成度和功能、設計支持及開發(fā)工具的支持等因素，以及應用中對于以太網和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*估選擇標準：實用性、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 已經被移植到了很多平臺,包括ARM，MIPS，SH3，Alpha，X86，Pow erPC 等，由成千上萬的愛好者開發(fā)的應用軟件、協(xié)議棧以及豐富的設備驅動程序； 更重要的是這些驅動很多都以OpenSour ce 的形式發(fā)布出來，使得大家都從中受益。

　　1. 3  總體設計框架

　　通過對電磁流量計的方案選擇，并綜合國內外電磁流量儀表產品的智能化、集成化、網絡化的發(fā)展趨勢，系統(tǒng)總體結構如圖1 所示。系統(tǒng)主要由硬件子系統(tǒng)和軟件子系統(tǒng)組成。

圖1 系統(tǒng)總體框架

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

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

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

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

    勵磁輸出模塊：通過D/ A 轉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行系統(tǒng)參數(shù)設定，并由液晶屏實時顯示瞬時流量、累積流量和流量曲線等。

    通信接口模塊：包括以太網接口、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。

    調試接口模塊：由JT AG 調試接口和DBCOM 調試串口組成。

    軟件子系統(tǒng)由引導加載程序( Boot Loader) 、嵌入式Linux 操作系統(tǒng)和應用軟件組成。嵌入式Linux 的啟動需要引導加載程序來輔助完成，Linux、內核主要由進程管理、內存管理、文件系統(tǒng)管理、設備控制及網絡協(xié)議等幾個部分，為應用軟件提供了運行環(huán)境。圖中的硬件設備控制提供了硬件平臺中相關的設備驅動程序,實現(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)調用為Linux 內核和應用軟件之間的信息交互提供了接口

2  硬件系統(tǒng)設計

    基于低頻三值矩形波勵磁的電磁流量計的硬件結構圖如圖2 所示。其中，CPU 核心模塊是系統(tǒng)軟件的運行基礎，F(xiàn)LASH 存儲器用于存儲可執(zhí)行程序的二進制映像文件，供系統(tǒng)啟動時加載到SDRAM 內存空間運行； 由于硬件系統(tǒng)的復雜性，調試模塊加強了硬件系統(tǒng)的調試功能； 流量傳感器由一對勵磁線圈和一對對稱分布的檢測電極構成。

圖2 系統(tǒng)硬件結構圖

    ARM9 處理器通過與其相連的D/ A 芯片產生低頻三值矩形波，勵磁線圈接受該低頻三值矩形波經功率放大后的勵磁信號而產生感應磁場，在電極上產生因流體切割磁力線而產生的感應電動勢( 即測量信號) ，并將之送入信號輸入模塊進行處理，信號輸入模塊對流量傳感器輸入的信號進行放大、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，結合鍵盤進行人機交互； 同時具有以太網、USB 和RS 232 通信接口可輸出瞬時流量、累積流量和系統(tǒng)參數(shù)。