0  引言

電磁流量計是一種測量導電介質(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,、強酸,、強堿液體的體積流量，可廣泛應用于水泥,、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)濟效益有著重要的影響。

嵌入式系統(tǒng)( Embedded Sy stem) 是以應用為中心和以計算機技術(shù)為基礎的,，并且軟硬件是可以裁減的,能滿足應用系統(tǒng)對功能,、可靠性、成本,、體積、功耗等指標的嚴格要求的專用計算機系統(tǒng),。它是面向用戶,、面向產(chǎn)品,、面向應用的專用系統(tǒng)，與通用的計算機系統(tǒng)相比具有如下特點：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)和應用不容易在市場上形成壟斷； 嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進入市場,，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,、補償計算、顯示的功能,，還具有更加強大的信息處理,、比較推理、故障診斷,、自學習自適應等智能化功能,。應用嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡接入技術(shù)，還能使儀表完成遠程維護,、遠程控制,、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)帶來了前所未有的發(fā)展空間和機遇，為檢測儀表的智能化,、網(wǎng)絡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,由于單片機性能較弱和外圍接口少,，無法完成復雜算法或者多項并行任務,；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協(xié)同工作的方式,，增加了電磁流量計設計與實現(xiàn)的復雜度,。因此有必要采用高性能的32 位處理器來設計電磁流量計。

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,，并將其應用于電磁流量計的設計和開發(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)的設計與開發(fā)的復雜性和高難度，本文所構(gòu)建的高性能32 位嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺,，也可推廣應用于其他高端儀器儀表的設計中,，縮短新產(chǎn)品的設計開發(fā)周期,增強企業(yè)對客戶需求的響應能力和產(chǎn)品的更新?lián)Q代能力。

1  總體設計

1. 1  ARM 處理器的選擇

結(jié)合電磁流量計的應用背景,，選擇32 位的嵌入式ARM 處理器,。根據(jù)ARM 處理器的應用選型，并考慮到ARM 處理器價格,、性能,、集成度和功能、設計支持及開發(fā)工具的支持等因素,，以及應用中對于以太網(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*估選擇標準：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)的應用軟件,、協(xié)議棧以及豐富的設備驅(qū)動程序,；更重要的是這些驅(qū)動很多都以OpenSour ce 的形式發(fā)布出來，使得大家都從中受益,。

1. 3  總體設計框架

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行放大,、濾波以及轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,，以便進行軟件處理。

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行系統(tǒng)參數(shù)設定,，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)由引導加載程序( Boot Loader) ,、嵌入式Linux 操作系統(tǒng)和應用軟件組成。嵌入式Linux 的啟動需要引導加載程序來輔助完成,，Linux,、內(nèi)核主要由進程管理,、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)管理,、設備控制及網(wǎng)絡協(xié)議等幾個部分,，為應用軟件提供了運行環(huán)境。圖中的硬件設備控制提供了硬件平臺中相關(guān)的設備驅(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)軟件的運行基礎，F(xiàn)LASH 存儲器用于存儲可執(zhí)行程序的二進制映像文件,，供系統(tǒng)啟動時加載到SDRAM 內(nèi)存空間運行,；由于硬件系統(tǒng)的復雜性，調(diào)試模塊加強了硬件系統(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,。

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)生感應磁場,，在電極上產(chǎn)生因流體切割磁力線而產(chǎn)生的感應電動勢( 即測量信號) ，并將之送入信號輸入模塊進行處理,，信號輸入模塊對流量傳感器輸入的信號進行放大,、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)合鍵盤進行人機交互,；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),。

3  軟件系統(tǒng)設計

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

圖3  系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu),。

引導加載程序：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)存設備之上文件系統(tǒng),，通常采用ramdisk 作為根文件系統(tǒng)。

用戶應用程序：特定于用戶的應用程序,。有時在用戶應用程序和內(nèi)核層之間可能還會包括一個嵌入式圖形用戶界面,。

其中,，引導加載程序是嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)的第一個環(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),；引導加載程序的工作是初始化內(nèi)存以及必要的硬件設備，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)做進一步的初始化并控制應用程序,。

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：引導加載程序、Linux 內(nèi)核和Init進程,。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 的復位向量) 中的引導加載程序,。

( 2) 引導加載程序初始化CPU 和內(nèi)存控制器，對系統(tǒng)外設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)初始化和設置，包括設置中斷向量,，啟動內(nèi)存管理,，初始化各個硬件設備，初始化網(wǎng)絡協(xié)議等,，最后建立根文件系統(tǒng)并生成系統(tǒng)進程之父Init 進程,。

( 4) Init 進程負責啟動所有必要的服務和用戶應用程序，并進入嵌入式系統(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)的存儲設備空間分配結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1  系統(tǒng)存儲空間分配結(jié)構(gòu)

電磁流量計的應用軟件設計是根據(jù)系統(tǒng)需求,，以嵌入式Linux 內(nèi)核為基礎,，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,，因此在應用軟件中是基于MiniGU 1 進行設計的,同時基于Modbus 協(xié)議實現(xiàn)以太網(wǎng)功能,。

電磁流量計的應用軟件整體構(gòu)架需要考慮多任務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 下應用軟件的多任務,，可以采用多進程或多線程的方式來實現(xiàn),。應用軟件的主程序流程圖如圖4 所示。

圖4 應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，測量和運行數(shù)據(jù)存儲保護安全可靠,；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)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔糠诌M行功能測試,。對嵌入式電磁流量計進行了系統(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 的遠程數(shù)據(jù)采集和遠程控制功能。

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之上,。在傳統(tǒng)檢領(lǐng)域應用很廣的8 位單片機系統(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用,，使得儀器儀表更具智能化,、人性化和網(wǎng)絡化,。

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制方式存儲,，不具有通用性且存儲容量?。辉谕ㄓ嵎绞缴?，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)采用文件的方式進行數(shù)據(jù)存儲,，且存儲容量可達1 MB。

同時可以使用U 盤導出數(shù)據(jù)文件,，增強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)絡中的獨立節(jié)點,，可實現(xiàn)基于Internet 的遠程數(shù)據(jù)采集和遠程控制,。