0  引言

電磁流量計(jì)是一種測(cè)量導(dǎo)電介質(zhì)體積流量的計(jì)量?jī)x表,，具有測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好,、可靠性高等特點(diǎn),。電磁流量計(jì)除可測(cè)量一般導(dǎo)電液體的流量外，還可測(cè)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(duì)上述企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益有著重要的影響,。

嵌入式系統(tǒng)( Embedded Sy stem) 是以應(yīng)用為中心和以計(jì)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(duì)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(jì)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比具有如下特點(diǎn)：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(diǎn),，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(chǎng)上形成壟斷,； 嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進(jìn)入市場(chǎng),，一般具有較長(zhǎng)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(jì),； 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(cè)儀表是實(shí)現(xiàn)參數(shù)檢測(cè)過程的重要一環(huán)，一般都具有變換,、測(cè)量裝置和顯示裝置三部分,。針對(duì)于檢測(cè)儀表的要求，合理剪裁軟硬件實(shí)現(xiàn)高集成度、小型化,，使得檢測(cè)儀表不僅具有傳感測(cè)量,、補(bǔ)償計(jì)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,。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(bào)警、信息發(fā)布與共享等以前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能,。嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的高度發(fā)展,，給檢測(cè)與儀表技術(shù)帶來(lái)了前所未有的發(fā)展空間和機(jī)遇，為檢測(cè)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(lái)了廣闊的前景。

傳統(tǒng)電磁流量計(jì)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(wú)法完成復(fù)雜算法或者多項(xiàng)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(chǔ)方面一般采用小容量的EPROM 存儲(chǔ)器,流量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)一般以二進(jìn)制方式存儲(chǔ),，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(jì)甚至采用了多個(gè)單片機(jī)協(xié)同工作的方式,，增加了電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。因此有必要采用高性能的32 位處理器來(lái)設(shè)計(jì)電磁流量計(jì),。

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(tái),，并將其應(yīng)用于電磁流量計(jì)的設(shè)計(jì)和開發(fā)中，將有利于提高高端電磁流量計(jì)產(chǎn)品的質(zhì)量,，更好地滿足用戶需求,，而且對(duì)我國(guó)電磁流量計(jì)檢測(cè)技術(shù)水平的發(fā)展也具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。由于嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(tái),，也可推廣應(yīng)用于其他高端儀器儀表的設(shè)計(jì)中,，縮短新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)周期,增強(qiáng)企業(yè)對(duì)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(jì)

1. 1  ARM 處理器的選擇

結(jié)合電磁流量計(jì)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(jià)格,、性能,、集成度和功能、設(shè)計(jì)支持及開發(fā)工具的支持等因素,，以及應(yīng)用中對(duì)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(jí)芯片。

1. 2  嵌入式操作系統(tǒng)的選擇

對(duì)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(shí)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(tái),包括ARM，MIPS,，SH3,，Alpha，X86,，Pow erPC 等,，由成千上萬(wàn)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(dòng)程序,；更重要的是這些驅(qū)動(dòng)很多都以O(shè)penSour ce 的形式發(fā)布出來(lái),，使得大家都從中受益。

1. 3  總體設(shè)計(jì)框架

通過對(duì)電磁流量計(jì)的方案選擇,，并綜合國(guó)內(nèi)外電磁流量?jī)x表產(chǎn)品的智能化,、集成化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢(shì),，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(jì)的硬件子系統(tǒng)主要由電源模塊,、信號(hào)輸入模塊,、CPU 核心模塊、勵(lì)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(gè)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(shí)也是運(yùn)行嵌入式Linux 的基本硬件平臺(tái)。

信號(hào)輸入模塊：將傳感器輸出的小電壓或電流信號(hào)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(lì)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(shí)時(shí)顯示瞬時(shí)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(dòng)需要引導(dǎo)加載程序來(lái)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(gè)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(tái)中相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,實(shí)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L(zhǎng)inux 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(jì)

基于低頻三值矩形波勵(lì)磁的電磁流量計(jì)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),，F(xiàn)LASH 存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)可執(zhí)行程序的二進(jìn)制映像文件,，供系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)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(duì)勵(lì)磁線圈和一對(duì)對(duì)稱分布的檢測(cè)電極構(gòu)成。

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(lì)磁線圈接受該低頻三值矩形波經(jīng)功率放大后的勵(lì)磁信號(hào)而產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng),，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(dòng)勢(shì)( 即測(cè)量信號(hào)) ，并將之送入信號(hào)輸入模塊進(jìn)行處理,，信號(hào)輸入模塊對(duì)流量傳感器輸入的信號(hào)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(shí)具有以太網(wǎng)、USB 和RS 232 通信接口可輸出瞬時(shí)流量,、累積流量和系統(tǒng)參數(shù),。

3  軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

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(tái)的定制內(nèi)核以及內(nèi)核的啟動(dòng)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(shí)在用戶應(yīng)用程序和內(nèi)核層之間可能還會(huì)包括一個(gè)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(gè)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(dòng)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(duì)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(dòng)過程中有3 個(gè)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(dòng)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(duì)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(cè)內(nèi)存并匯報(bào)啟動(dòng)中的診斷信息，然后將Linux內(nèi)核映像解壓到SDRAM 中的某個(gè)位置并跳轉(zhuǎn)到這個(gè)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(dòng)內(nèi)存管理,，初始化各個(gè)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(dòng)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(chǔ)設(shè)備來(lái)存儲(chǔ)可執(zhí)行的代碼，本系統(tǒng)中采用了FLASH 存儲(chǔ)器,。

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

表1  系統(tǒng)存儲(chǔ)空間分配結(jié)構(gòu)

電磁流量計(jì)的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)的,同時(shí)基于Modbus 協(xié)議實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)功能,。

電磁流量計(jì)的應(yīng)用軟件整體構(gòu)架需要考慮多任務(wù)和實(shí)時(shí)性兩個(gè)方面問題。首先是A/ D 采樣和勵(lì)磁信號(hào)輸出必須要保證實(shí)時(shí)性和同步性,，這一點(diǎn)可通過AT91RM9200 的兩個(gè)定時(shí)器來(lái)保證,，其中一個(gè)定時(shí)器用于控制D/ A 輸出三值矩形方波，另一個(gè)定時(shí)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(dòng)D/ A 定時(shí)器，然后延遲1/ 8 勵(lì)磁周期再啟動(dòng)A/ D定時(shí)器,。對(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用軟件的主程序流程圖如圖4 所示,。

圖4 應(yīng)用軟件的主程序流程圖,。

4  系統(tǒng)測(cè)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(jì)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(chǔ),、TFT 彩屏顯示以及以太網(wǎng)通訊等傳統(tǒng)儀表無(wú)法完成的功能。它可以顯示實(shí)時(shí)流量曲線和年,、月,、日,、時(shí)、分,、秒的實(shí)時(shí)時(shí)間,； 采用FLASH 存儲(chǔ)器，測(cè)量和運(yùn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(duì)系統(tǒng)的圖形用戶顯示操作界面,、大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(cè)試,。對(duì)嵌入式電磁流量計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明嵌入式電磁流量計(jì)不僅具有傳統(tǒng)電磁流量計(jì)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(chǔ)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(yǔ)

儀器儀表的發(fā)展建立在新型檢測(cè)系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)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(diǎn)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(cè)儀表的顯示方式,、通訊方式和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是儀表的重要組成部分,。傳統(tǒng)電磁流量計(jì)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(chǔ)方面,，信息存儲(chǔ)一般以二進(jìn)制方式存儲(chǔ),，不具有通用性且存儲(chǔ)容量??；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(jì),。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(chǔ),，且存儲(chǔ)容量可達(dá)1 MB。

同時(shí)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(chǔ)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(jì)成為Internet 網(wǎng)絡(luò)中的獨(dú)立節(jié)點(diǎn),，可實(shí)現(xiàn)基于Internet 的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程控制,。