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基于ARM处理器和Linux操作系统的智能电磁流量计设计方案

 0 引 言

  电磁流量计是一种检测导电介质体积流量的计量仪器,具有检测精度高、安稳性好、可靠性高级特征。电磁流量计除可检测一般导电液体的流量外,还可检测液固两相液体、高粘度液体及盐类、强酸、强碱液体的体积流量,可广泛运用于水泥、化工、轻纺、冶金、矿山、造纸、医药、给排水、食品饮料、环保等工业技术部门,其产品的功用、质量和可靠性对上述企业的经济效益有着重要的影响。

  传统电磁流量计一般选用8 位或16 位的单片机,因为单片机功用较弱和外围接口少,无法完结复杂算法或许多项并行使命; 在显现方法上一般选用LED 或段式LCD,只能显现数字、字母、汉字和一些粗糙的图画;在数据存储方面一般选用小容量的EPROM 存储器,流量数据存储一般以二进制方法存储,不具有通用性;在通讯方法上,一般选用RS 232 或RS 485,其开放性不高,组网间隔短。为了进步功用和功用,有些电磁流量计乃至选用了多个单片机协同作业的方法,增加了电磁流量计规划与完结的复杂度。因此有必要选用高功用的32 位处理器来规划电磁流量计。

  依据32 位ARM 处理器和嵌入式Linux 操作体系构建嵌入式体系开发渠道,并将其运用于电磁流量计的规划和开发中,将有利于进步高端电磁流量计产品的质量,更好地满足用户需求,并且对我国电磁流量计检测技术水平的开展也具有重要的现实意义。因为嵌入式体系的规划与开发的复杂性和高难度,本文所构建的高功用32 位嵌入式体系开发渠道,也可推广运用于其他高端仪器仪器的规划中,缩短新产品的规划开发周期,增强企业对客户需求的呼应才能和产品的更新换代才能。

  1 全体规划

  1. 1 ARM 处理器的挑选

  结合电磁流量计的运用布景,挑选32 位的嵌入式ARM 处理器。依据ARM 处理器的运用选型,并考虑到ARM 处理器价格、功用、集成度和功用、规划支撑及开发工具的支撑等要素,以及运用中关于以太网和USB 接口功用的要求,挑选了Atmel 公司的AT91RM9200 工业级芯片。

  1. 2 嵌入式操作体系的挑选

  关于一种嵌入式操作体系一般有这样一些*估挑选规范:实用性、需求耗费的资源数( 包含SDRAM,FLASH MEMORY 等) 、支撑软件的丰厚程度、可靠性以及其履行功用等。Linux 现已被移植到了许多渠道,包含ARM,MIPS,SH3,Alpha,X86,Pow erPC 等,由不计其数的爱好者开发的运用软件、协议栈以及丰厚的设备驱动程序; 更重要的是这些驱动许多都以OpenSour ce 的方法发布出来,使得我们都从中获益。

  1. 3 全体规划结构

  经过对电磁流量计的方案挑选,并归纳国内外电磁流量仪器产品的智能化、集成化、网络化的开展趋势,体系全体结构如图1 所示。体系首要由硬件子体系和软件子体系组成。

 

 

  图1 体系全体结构

  电磁流量计的硬件子体系首要由电源模块、信号输入模块、CPU 中心模块、励磁输出模块、人机交互模块、通讯接口模块和调试接口模块组成。各模块的功用描述如下:

  电源模块:为整个硬件子体系供给安稳可靠的电源。

  CPU 中心模块:由ARM 处理器、SDRAM,FLASH 以及辅佐电路构成最小体系,一起也是运转嵌入式Linux 的基本硬件渠道。

  信号输入模块:将传感器输出的小电压或电流信号进行扩大、滤波以及转换为数字量,以便进行软件处理。

  励磁输出模块:经过D/ A 转换器输出低频三值矩形方波,并经过功率扩大输出给传感器。

  人机交互模块:由键盘接口和TFT 液晶显现接口组成,经过键盘和菜单界面进行体系参数设定,并由液晶屏实时显现瞬时流量、累积流量和流量曲线等。

  通讯接口模块:包含以太网接口、U SB 接口以及RS 232 接口,完结数据通讯和流量传输功用。

  调试接口模块:由JT AG 调试接口和DBCOM 调试串口组成。

  软件子体系由引导加载程序( Boot Loader) 、嵌入式Linux 操作体系和运用软件组成。嵌入式Linux 的发动需求引导加载程序来辅佐完结,Linux、内核首要由进程办理、内存办理、文件体系办理、设备操控及网络协议等几个部分,为运用软件供给了运转环境。图中的硬件设备操控供给了硬件渠道中相关的设备驱动程序,完结了操作体系与硬件之间的信息交互和操控,而体系函数调用为Linux 内核和运用软件之间的信息交互供给了接口。

 

  2 硬件体系规划

  依据低频三值矩形波励磁的电磁流量计的硬件结构图如图2 所示。其间,CPU 中心模块是体系软件的运转根底,FLASH 存储器用于存储可履行程序的二进制映像文件,供体系发动时加载到SDRAM 内存空间运转; 因为硬件体系的复杂性,调试模块加强了硬件体系的调试功用; 流量传感器由一对励磁线圈和一对对称散布的检测电极构成。

  体系硬件结构图

 

  图2 体系硬件结构图

  ARM9 处理器经过与其相连的D/ A 芯片发生低频三值矩形波,励磁线圈承受该低频三值矩形波经功率扩大后的励磁信号而发生感应磁场,在电极上发生因流体切开磁力线而发生的感应电动势( 即检测信号) ,并将之送入信号输入模块进行处理,信号输入模块对流量传感器输入的信号进行扩大、滤波及A/ D 采样后输入ARM9 处理器。体系由TFT 液晶显现屏供给人性化的菜单显现操作界面,结合键盘进行人机交互; 一起具有以太网、USB 和RS 232 通讯接口可输出瞬时流量、累积流量和体系参数。

  3 软件体系规划

  一个嵌入式Linux 体系从软件的角度来看,一般能够分为四个层次,如图3 所示。

  体系软件全体结构

 

  图3 体系软件全体结构

  引导加载程序:包含固化在固件中的Boo t 代码( 可选) ,和Boo t Loader 两大部分。

  Linux 内核:特定于嵌入式硬件渠道的定制内核以及内核的发动参数。

  文件体系:包含根文件体系和树立于FLASH 内存设备之上文件体系,一般选用ramdisk 作为根文件体系。

  用户运用程序:特定于用户的运用程序。有时在用户运用程序和内核层之间可能还会包含一个嵌入式图形用户界面。

  其间,引导加载程序是嵌入式体系软件开发的第一个环节,它是操作体系和硬件的枢纽,为操作体系内核的发动供给了必要的条件和参数; 引导加载程序的作业是初始化内存以及必要的硬件设备,调用内核加载器。从FLASH 中加载操作体系映像到SDRAM 中,并把操控权交给Linux ; 由Linux 对硬件体系做进一步的初始化并操控运用程序。

 

 

  依据体系软件结构,在体系的发动进程中有3 个首要软件组件参加其间:引导加载程序、Linux 内核和Init进程。其发动进程如下:

  (1) 体系在上电或Reset 之后,A T91RM9200 开端履行存放在NOR FLASH( 体系将0x10000000 映射到0x 00000000,即ARM 的复位向量) 中的引导加载程序。

  (2) 引导加载程序初始化CPU 和内存操控器,对体系外设做最小程度的初始化,如初始化LED 和串口等,检测内存并报告发动中的确诊信息,然后将Linux内核映像解压到SDRAM 中的某个方位并跳转到这个地址,把操控权交给Linux 内核。

  (3) Linux 的内核接收履行权后完结一系列的体系初始化和设置,包含设置中断向量,发动内存办理,初始化各个硬件设备,初始化网络协议等,最终树立根文件体系并生成体系进程之父Init 进程。

  (4) Init 进程担任发动一切必要的效劳和用户运用程序,并进入嵌入式体系的作业状况。

  在嵌入式Linux 体系中,必须有固态存储设备来存储可履行的代码,本体系中选用了FLASH 存储器。

  在该体系中,体系的存储设备空间分配结构如表1所示。

  表1 体系存储空间分配结构

  体系存储空间分配结构

 

  电磁流量计的运用软件规划是依据体系需求,以嵌入式Linux 内核为根底,经过Linux 内核的体系调用接口函数并依照模块化结构完结的。该体系的最大特征在于供给了人性化的五颜六色液晶显现操作界面和以太网功用,因此在运用软件中是依据MiniGU 1 进行规划的,一起依据Modbus 协议完结以太网功用。

  智能电磁流量计的运用软件全体构架需求考虑多使命和实时性两个方面问题。首要是A/ D 采样和励磁信号输出必须要确保实时性和同步性,这一点可经过AT91RM9200 的两个定时器来确保,其间一个定时器用于操控D/ A 输出三值矩形方波,另一个定时器用于操控A/ D 采样; 考虑到硬件电路的搅扰,在运用中首要发动D/ A 定时器,然后推迟1/ 8 励磁周期再发动A/ D定时器。关于嵌入式Linux 下运用软件的多使命,能够选用多进程或多线程的方法来完结。运用软件的主程序流程图如图4 所示。

  运用软件的主程序流程图

 

  图4 运用软件的主程序流程图

  4 体系测验

  因为选用了嵌入式体系的新技术,特别是引入了32 位高功用ARM 处理器和嵌入式Linux 操作体系,体系除了具有电磁流量计的基本功用外,还具有更强壮的功用如流量数据文件存储、TFT 彩屏显现以及以太网通讯等传统仪器无法完结的功用。它能够显现实时流量曲线和年、月、日、时、分、秒的实时时间; 选用FLASH 存储器,检测和运转数据存储保护安全可靠;运用Modbus 通讯协议和TCP/ IP 协议,进步体系的网络化程度。

  分别对体系的图形用户显现操作界面、大容量的数据存储以及依据Modbus/ TCP 协议网络数据传输等部分进行功用测验。对嵌入式电磁流量计进行了体系测验和试验。结果表明嵌入式电磁流量计不只具有传统电磁流量计的功用,并且具有流量曲线显现的TFT 彩屏显现操作界面、流量数据文件断电存储和办理以及依据Internet 的长途数据收集和长途操控功用。

  5 结 语

  仪器仪器的开展树立在新式检测体系软硬件渠道功用进步根底之上。在传统检范畴运用很广的8 位单片机体系因为其功用和资源的局限性,只能完结仪器仪器的基本功用。跟着微电子技术的开展及集成电路制作工艺的大幅进步,以高功用、低功耗、低成本等许多长处的32 位ARM 处理器的呈现及其在仪器仪器中的运用,使得仪器仪器更具智能化、人性化和网络化。流量检测仪器的显现方法、通讯方法和数据存储是仪器的重要组成部分。传统电磁流量计在显现方法上一般选用LED 或段式LCD,只能显现数字、字母、汉字和一些粗糙的图画; 在数据存储方面,信息存储一般以二进制方法存储,不具有通用性且存储容量小; 在通讯方法上,一般选用RS 232 或RS 485,其开放性不高。

  为了处理了上述缺乏,本文选用32 位的ARM 处理器和嵌入式Linux 操作体系研制出了具有信息化、图形化和网络化的电磁流量计。它选用T FT 五颜六色液晶屏显现方法,不只能够显现流量数据还能够显现流量曲线,进步了显现的质量和内容; 经过JFFS2 文件体系选用文件的方法进行数据存储,且存储容量可达1 MB。一起能够运用U 盘导出数据文件,增强了用户的信息存储和办理功用; 选用以T CP/ IP 协议为根底的工业以太网通讯方法,使得电磁流量计成为Internet 网络中的独立节点,可完结依据Internet 的长途数据收集和长途操控。

 

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