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(diǎn)。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,。

　　嵌入式系統(tǒng)( Embedded Sy stem) 是以應(yīng)用為中心和以計算機(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)用不容易在市場上形成壟斷,； 嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進(jìn)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(shè)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(jìn)行開發(fā)。

　　檢測儀表是實(shí)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(shí)現(xiàn)高集成度,、小型化，使得檢測儀表不僅具有傳感測量,、補(bǔ)償計算,、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、故障報警,、信息發(fā)布與共享等以前無法實(shí)現(xiàn)的功能,。嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的高度發(fā)展，給檢測與儀表技術(shù)帶來了前所未有的發(fā)展空間和機(jī)遇,，為檢測儀表的智能化,、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(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(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(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(shí)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(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,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(shí)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(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Linux 內(nèi)核和應(yīng)用軟件之間的信息交互提供了接口

2  硬件系統(tǒng)設(shè)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(yùn)行基礎(chǔ)，F(xiàn)LASH 存儲器用于存儲可執(zhí)行程序的二進(jìn)制映像文件,，供系統(tǒng)啟動時加載到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(yīng)磁場,，在電極上產(chǎn)生因流體切割磁力線而產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢( 即測量信號) ,，并將之送入信號輸入模塊進(jìn)行處理，信號輸入模塊對流量傳感器輸入的信號進(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)。