一種基于嵌入式Linux的磁場測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　隨著科技的發(fā)展，嵌入式操作系統(tǒng)在越來越多的領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，目前已成為產(chǎn)品技術(shù)水平的標(biāo)志之一。其中Linux因?yàn)槠鋼碛虚_放性、多用戶、多任務(wù)、良好的用戶界面、豐富的網(wǎng)絡(luò)功能、可靠的系統(tǒng)安全和良好的可移植等特性被廣泛的應(yīng)用到儀器測量設(shè)備中。

　　傳統(tǒng)的磁場測量設(shè)備(持斯拉計(jì)、高斯計(jì))普遍存在精度低(典型測量精度為1.5%)、操作不便等缺點(diǎn)。本文提出一種基于嵌入式Linux的中頻磁場測量系統(tǒng)，它不但可以滿足當(dāng)前磁場測量數(shù)據(jù)采集的需要，還因?yàn)槠淝度肓瞬僮飨到y(tǒng)Linux，使具有可靠性好、升級方便的特點(diǎn)，既提高了磁場測量的準(zhǔn)確性，又為儀器的功能升級帶來便利。可應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室儀器，醫(yī)療儀器，姿態(tài)控制，安全檢測等需磁場檢測的領(lǐng)域。

　　2 磁場測量系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

　　磁場測量系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)上采用ARM9作為控制器，與信號放大、整流濾波、程控放大等硬件構(gòu)成了整個磁場測量系統(tǒng)。而且，測量系統(tǒng)還搭配了USB、RS232、以太網(wǎng)通信接口，系統(tǒng)通訊能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連網(wǎng)功能。其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　ARM9嵌入式處理器采用三星公司的$3C2410。S3C2410是基于ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC嵌入式微處理器，主要面向手持設(shè)備以及高性價比，低功耗的應(yīng)用。它采用5級流水線和全性能的MMU，同時該芯片集成了大量的功能擴(kuò)展單元，例如LCD控制器、I2C總線、觸摸屏接口、USB接口等。強(qiáng)大的芯片功能簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不但縮小了系統(tǒng)體積，而且提高了系統(tǒng)的可靠性。

　　USB、RS232和以太網(wǎng)接口可為系統(tǒng)提供不同的通信方式，適合不同測量環(huán)境和條件，以太網(wǎng)接口還可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)功能。

　　在磁場測量系統(tǒng)中，可使用觸摸屏簡便地對系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)不同顯示方式切換、參數(shù)設(shè)置和測量數(shù)據(jù)保存等功能。

　　磁場測量電壓信號部分，由磁場傳感器得到微弱的電壓信號，經(jīng)放大整流等措施后輸入控制系統(tǒng)。

　　報警輸出可實(shí)現(xiàn)用戶自設(shè)定報警的上下限值，方便用戶測量現(xiàn)場的監(jiān)控。

　　3 磁場測量系統(tǒng)前端信號處理模塊

　　磁場測量系統(tǒng)前端傳感器采用的測量方法為電磁感應(yīng)法。電磁感應(yīng)法是將測量線圈置入交變磁場中，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律在線圈的引線間會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，并且感應(yīng)電動勢的大小與穿過線圈的磁通量的大小成正比。感應(yīng)電動勢e為：

　　測量系統(tǒng)前端信號處理模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　(1)為了實(shí)現(xiàn)多路磁場傳感器的信號輸入，設(shè)計(jì)中采用片選芯片74HCl5進(jìn)行通道的選擇。通過對74HCl53控制端S0，Sl輸入不同的數(shù)據(jù)組合(00，1O，0l，11)，輸出端lY和2Y就可實(shí)現(xiàn)不同輸入通道的選擇。

　　(2)在整個系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)中，前置放大電路的主要作用是將傳感器輸出的、和磁場強(qiáng)度成正比的微弱電壓信號放大。根據(jù)其要求，設(shè)計(jì)的前置放大電路采用了差動放大的方式，電路如圖3所示。它具有高共模抑制比、輸入阻抗高、輸出阻抗低、失調(diào)小、溫漂小、線性好等優(yōu)點(diǎn)。

　　(3)磁場測量系統(tǒng)對不同的測量對象進(jìn)行測量時，磁場傳感器的感應(yīng)強(qiáng)度都會不同。要實(shí)現(xiàn)不同測量對象自適應(yīng)量程的切換，必須設(shè)計(jì)一個放大倍數(shù)可調(diào)的模塊，而且放大倍數(shù)的范圍應(yīng)較廣。現(xiàn)采用BURR-BROWN公司的PGA202/203程控儀表放大器，該芯片無需外圍芯片，而且PGA202與 PGA203經(jīng)級聯(lián)可組成從l~8000倍的16種程控增益。放大范圍可滿足系統(tǒng)的需要。

　　(4)因磁場檢測時會受到環(huán)境中其它外部磁場的干擾而輸出偏移電壓，所以在電路設(shè)計(jì)中設(shè)有自動調(diào)零電路，在每次儀器使用前進(jìn)行自動校準(zhǔn)。實(shí)現(xiàn)方法是在輸入端增加一個開關(guān)，校準(zhǔn)時輸入直接接地，測量時輸入接傳感器。主控制器將接地時的輸出記錄在數(shù)據(jù)區(qū)中，并將此輸出作為零點(diǎn)而實(shí)現(xiàn)自動調(diào)零。

　　(5)該儀器檢測的是交變磁場，所以對磁場的頻率檢測是必需的。實(shí)現(xiàn)方法是將磁場檢測信號通過一個過零比較器變成方波，方波經(jīng)過二極管將正電壓部分送至單片機(jī)的輸入捕捉引腳進(jìn)行頻率檢測。

　　總之，前端信號處理模塊的設(shè)計(jì)關(guān)系到系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)是否可靠和準(zhǔn)確。在設(shè)計(jì)的過程中，遇到信號在程控放大倍數(shù)設(shè)置為1000的時候會出現(xiàn)失真的情況，究其原因，是器件PGA202的性能問題導(dǎo)致。所以必須根據(jù)器件的性能參數(shù)選擇合適的放大倍數(shù)。

　　電壓的檢測也采用了在一秒的時間內(nèi)取樣N次去掉最大和最小值然后取平均值的方法減少測量誤差。測量電壓V為：

　　在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，也充分考慮了抗干擾的要求。在硬件的設(shè)計(jì)中，采取了同軸電纜作為傳輸媒質(zhì)、模擬地與數(shù)字地分開、光電隔離、系統(tǒng)加屏蔽罩等措施。軟件設(shè)計(jì)中加入數(shù)字濾波、定時自檢等措施抗干擾。

　　4 嵌入式Liinux系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　嵌入式Linux系統(tǒng)不是針對某個硬件平臺而開發(fā)的，所以進(jìn)行Linux移植時必須針對相應(yīng)的硬件對Linux內(nèi)核加以裁減、修改和補(bǔ)充。磁場測量系統(tǒng)采用的是基于ARM9內(nèi)核的硬件平臺，下面介紹該硬件平臺下的Linux系統(tǒng)移植過程和方法。

　　4.1 建立交叉編譯環(huán)境

　　在進(jìn)行移植前，首先要建立開發(fā)平臺的ARM—Linux交叉編譯環(huán)境。linux下的交叉編譯環(huán)境主要包括針對目標(biāo)系統(tǒng)幾部分：編譯器gcc;二進(jìn)制工具binutils：標(biāo)準(zhǔn)c庫glibc;linux內(nèi)核頭文件。

　　4.2 啟動代碼的移植