《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于ARM處理器和Linux操作系統(tǒng)的電磁流量計設(shè)計方案
摘要: 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,并將其應(yīng)用于電磁流量計的設(shè)計和開發(fā)中,將有利于提高高端電磁流量計產(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檢測技術(shù)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(shè)計與開發(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,也可推廣應(yīng)用于其他高端儀器儀表的設(shè)計中,縮短新產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)周期,增強企業(yè)對客戶需求的響應(yīng)能力和產(chǎn)品的更新?lián)Q代能力。
Abstract:
Key words :

  0 引 言

  電磁流量計是一種測量導(dǎo)電介質(zhì)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(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、強酸、強堿液體的體積流量,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)濟效益有著重要的影響。

  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(fù)雜算法或者多項并行任務(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(jìn)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(wǎng)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(shè)計與實現(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)計電磁流量計。

  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,并將其應(yīng)用于電磁流量計的設(shè)計和開發(fā)中,將有利于提高高端電磁流量計產(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檢測技術(shù)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(shè)計與開發(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,也可推廣應(yīng)用于其他高端儀器儀表的設(shè)計中,縮短新產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)周期,增強企業(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

  1. 1 ARM 處理器的選擇

  結(jié)合電磁流量計的應(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 處理器價格、性能、集成度和功能、設(shè)計支持及開發(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,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)動程序; 更重要的是這些驅(qū)動很多都以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)計框架

  通過對電磁流量計的方案選擇,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。

  


 

  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(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(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(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)議等幾個部分,為應(yīng)用軟件提供了運行環(huán)境。圖中的硬件設(shè)備控制提供了硬件平臺中相關(guān)的設(shè)備驅(qū)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(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

  基于低頻三值矩形波勵磁的電磁流量計的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。其中,CPU 核心模塊是系統(tǒng)軟件的運行基礎(chǔ),F(xiàn)LASH 存儲器用于存儲可執(zhí)行程序的二進(jìn)制映像文件,供系統(tǒng)啟動時加載到SDRAM 內(nèi)存空間運行; 由于硬件系統(tǒng)的復(fù)雜性,調(diào)試模塊加強了硬件系統(tǒng)的調(diào)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(gòu)成。

  

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

 

  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,勵磁線圈接受該低頻三值矩形波經(jīng)功率放大后的勵磁信號而產(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)行人機交互; 同時具有以太網(wǎng)、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)。

  3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

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

  

系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)

 

  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的定制內(nèi)核以及內(nèi)核的啟動參數(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。有時在用戶應(yīng)用程序和內(nèi)核層之間可能還會包括一個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)的啟動過程中有3 個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)存并匯報啟動中的診斷信息,然后將Linux內(nèi)核映像解壓到SDRAM 中的某個位置并跳轉(zhuǎn)到這個地址,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,啟動內(nèi)存管理,初始化各個硬件設(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)存儲設(shè)備來存儲可執(zhí)行的代碼,本系統(tǒng)中采用了FLASH 存儲器。

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

  表1 系統(tǒng)存儲空間分配結(jié)構(gòu)

  

系統(tǒng)存儲空間分配結(jié)構(gòu)

 

  電磁流量計的應(yīng)用軟件設(shè)計是根據(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)計的,同時基于Modbus 協(xié)議實現(xiàn)以太網(wǎng)功能。

  電磁流量計的應(yīng)用軟件整體構(gòu)架需要考慮多任務(wù)和實時性兩個方面問題。首先是A/ D 采樣和勵磁信號輸出必須要保證實時性和同步性,這一點可通過AT91RM9200 的兩個定時器來保證,其中一個定時器用于控制D/ A 輸出三值矩形方波,另一個定時器用于控制A/ D 采樣; 考慮到硬件電路的干擾,在應(yīng)用中首先啟動D/ A 定時器,然后延遲1/ 8 勵磁周期再啟動A/ D定時器。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現(xiàn)。應(yīng)用軟件的主程序流程圖如圖4 所示。

  

應(yīng)用軟件的主程序流程圖

 

  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的基本功能外,還具有更強大的功能如流量數(shù)據(jù)文件存儲、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。它可以顯示實時流量曲線和年、月、日、時、分、秒的實時時間; 采用FLASH 存儲器,測量和運行數(shù)據(jù)存儲保護(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進(jìn)行了系統(tǒng)測試和實驗。結(jié)果表明嵌入式電磁流量計不僅具有傳統(tǒng)電磁流量計的功能,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)存儲是儀表的重要組成部分。傳統(tǒng)電磁流量計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,信息存儲一般以二進(jìn)制方式存儲,不具有通用性且存儲容量小; 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。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,且存儲容量可達(dá)1 MB。同時可以使用U 盤導(dǎo)出數(shù)據(jù)文件,增強了用戶的信息存儲和管理功能; 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,使得電磁流量計成為Internet 網(wǎng)絡(luò)中的獨立節(jié)點,可實現(xiàn)基于Internet 的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程控制。

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