基于ARM的電磁流量計設(shè)計

基于ARM的電磁流量計設(shè)計
   摘.. 要: 針對在傳統(tǒng)檢測領(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, 設(shè)計開發(fā)基于32 位的ARM 處理器和嵌入式Linux 操作系統(tǒng)的電磁流量計。該設(shè)計采用T FT 彩色液晶屏顯示, 通過JFFS2 文件系統(tǒng)采用的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲, 以TCP/ IP 協(xié)議為基礎(chǔ)的工業(yè)以太網(wǎng)通訊方式, 使得電磁流量計更具智能化、人性化和網(wǎng)絡(luò)化。該設(shè)計所搭建的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺也可推廣應(yīng)用到其他檢測儀表的設(shè)計中, 加速檢測儀表的系統(tǒng)開發(fā)。
   關(guān)鍵詞: 嵌入式系統(tǒng); 電磁流量計; ARM- Linux ; TCP/ IP; 彩屏顯示
   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(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[ 1-5] 。嵌入式系統(tǒng)( Embedded Sy stem) 是以應(yīng)用為中心和以計算機(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), 與通用的計算機(jī)系統(tǒng)相比具有如下特點[ 6-7] : 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(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; 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(bǔ)償計算、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[ 5, 8] 。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(shù)的高度發(fā)展, 給檢測與儀表技術(shù)帶來了的發(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(jī)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(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
   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)通常有這樣一些評估選擇標(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)pen Sour ce 的形式發(fā)布出來, 使得大家都從中受益[ 9-10] 。
   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。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(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(yùn)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(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(yùn)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。圖1.. 系統(tǒng)總體框架
   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(yùn)行基礎(chǔ), FLASH 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(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磁線圈和一對對稱分布的檢測電極構(gòu)成。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(jī)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)。圖2.. 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
   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, 通常可以分為四個層次, 如圖3 所示[ 11] 。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[ 12] 。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。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。表1 .. 系統(tǒng)存儲空間分配結(jié)構(gòu)片內(nèi)ROM 地址空間起始地址: 0X00000000 媒介: ROM ; 內(nèi)容: upload er. bin 用于通過調(diào)試串口下載loader. bin 到片內(nèi)SRAM 運(yùn)行片外FLASH 地址空間起始地址: 0X10000000; 媒介: FLASH ; 內(nèi)容: boat. b in 用于解壓uboot . gz, 并跳轉(zhuǎn)到uboot 處運(yùn)行起始地址: 0X1000e000; 媒介: FLASH ; 內(nèi)容: U- Boot 環(huán)境變量U-Boot 環(huán)境變量起始地址: 0X10010000; 媒介: FLASH ; 內(nèi)容: uboot . gz 壓縮的U-Boot 映像起始地址: 0X10020000; 媒介s : FLASH; 內(nèi)容: zImage LINUX 內(nèi)核zImage 映像起始地址: 0X10100000; 媒介: FLASH ; 內(nèi)容: JFFS2 文件系統(tǒng)用戶數(shù)據(jù)存儲片外SDRAM 地址空間起始地址: 0X20000000; 媒介: SDRAM 起始地址: 0X20008000; 媒介: SDRAM; 內(nèi)容: zImage 起始地址: 0X21000000; 媒介: SDRAM; 內(nèi)容: ramdi sk .. .. U-Boot 在運(yùn)行時把Linux 內(nèi)核zImage 從FLASH 拷到內(nèi)存0x20008000 處, 把文件系統(tǒng)ramdis k. gz 從OxcO000000 處拷到內(nèi)存0x 處, 然后跳轉(zhuǎn)到0x 處, 由Lin ux 來完成對所有的控制和處理片外DAT AFLASH 地址空間起始地址: 0Xc0000000; 媒介: DAT A FLASH ; 內(nèi)容: ramdisk . gz 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(qiáng)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(yùn)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(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(qiáng)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(dú)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。--擴(kuò)展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業(yè)生產(chǎn)電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計、文丘里流量計、v錐流量計、v型錐流量計、噴嘴流量計、插入式電磁流量計、智能電磁流量計、分體式電磁流量計、一體式電磁流量計、標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計、標(biāo)準(zhǔn)孔板、一體化孔板流量計、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計、長徑噴嘴流量計、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、長徑噴嘴、插入式渦街流量計、智能渦街流量計、錐型流量計、v錐型流量計、節(jié)流裝置、節(jié)流孔板、限流孔板等流量產(chǎn)品，更多有關(guān)電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計的信息請訪問開封中儀網(wǎng)站：