基于ARM處理器和Linux操作系統(tǒng)的電磁流量計設(shè)計方案

　　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。

　　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(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*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(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。