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基于ARM處置器和Linux操縱系統的智能電磁流量計設想計劃

 0 引 言

  電磁流量計是一種檢測導電介質體積流量的計量儀器,具備檢測精度高、牢固性好、靠得住性高等特點。電磁流量計除可檢測普通導電液體的流量外,還可檢測液固兩相液體、高粘度液體及鹽類、強酸、強堿液體的體積流量,可普遍應用于水泥、化工、輕紡、冶金、礦山、造紙、醫藥、給排水、食物飲料、環保等產業手藝局部,其產物的服從、品質和靠得住性對上述企業的經濟效益有側主要的影響。

  傳統電磁流量計普通選用8 位或16 位的單片機,由于單片機服從較弱和核心接口少,沒法結束龐雜算法也很多項并行任務; 在閃現體例上普通選用LED 或段式LCD,只能閃現數字、字母、漢字和一些粗拙的丹青;在數據存儲方面普通選用小容量的EPROM 存儲器,流量數據存儲普通以二進制體例存儲,不具備通用性;在通信體例上,普通選用RS 232 或RS 485,其開放性不高,組網距離短。為了前進服從和服從,有些電磁流量計甚至選用了多個單片機協同功課的體例,增添了電磁流量計計劃與結束的龐雜度。是以有必要選用高服從的32 位處置器來計劃電磁流量計。

  根據32 位ARM 處置器和嵌入式Linux 操縱系統構建嵌入式系統開辟渠道,并將其應用于電磁流量計的計劃和開辟中,將有益于前進高端電磁流量計產物的品質,更好地知足用戶需要,并且對我國電磁流量計檢測手藝水平的展開也具備主要的實際意思。由于嵌入式系統的計劃與開辟的龐雜性和高難度,本文所構建的高服從32 位嵌入式系統開辟渠道,也可推行應用于其余高端儀器儀器的計劃中,延長新產物的計劃開辟周期,加強企業對客戶需要的照應能力和產物的更新換代能力。

  1 全部計劃

  1. 1 ARM 處置器的遴選

  連系電磁流量計的應用背景,遴選32 位的嵌入式ARM 處置器。根據ARM 處置器的應用選型,并斟酌到ARM 處置器價錢、服從、集成度和服從、計劃支持及開辟東西的支持等因素,和應用中對于以太網和USB 接口服從的請求,遴選了Atmel 公司的AT91RM9200 產業級芯片。

  1. 2 嵌入式操縱系統的遴選

  對于一種嵌入式操縱系統普通有如許一些*估遴選標準:適用性、需要花費的資本數( 包羅SDRAM,FLASH MEMORY 等) 、支持軟件的豐富水平、靠得住性和其實行服從等。Linux 現已被移植到了很多渠道,包羅ARM,MIPS,SH3,Alpha,X86,Pow erPC 等,由成千上萬的喜好者開辟的應用軟件、和談棧和豐富的裝備驅動法式; 更主要的是這些驅動很多都以OpenSour ce 的體例宣布出來,使得咱們都從中獲益。

  1. 3 全部計劃布局

  顛末對電磁流量計的計劃遴選,并歸結國際外電磁流量儀器產物的智能化、集成化、搜集化的展開趨向,系統全部布局如圖1 所示。系統主要由硬件子系統和軟件子系統構成。

 

 

  圖1 系統全部布局

  電磁流量計的硬件子系統主要由電源模塊、旌旗燈號輸入模塊、CPU 中間模塊、勵磁輸入模塊、人機交互模塊、通信接口模塊和調試接口模塊構成。各模塊的服從描寫以下:

  電源模塊:為全部硬件子系統供應牢固靠得住的電源。

  CPU 中間模塊:由ARM 處置器、SDRAM,FLASH 和幫手電路構成最小系統,一路也是運行嵌入式Linux 的根基硬件渠道。

  旌旗燈號輸入模塊:將傳感器輸入的小電壓或電流旌旗燈號停止擴展、濾波和轉換為數字量,以便停止軟件處置。

  勵磁輸入模塊:顛末D/ A 轉換器輸入低頻三值矩形方波,并顛末功率擴展輸入給傳感器。

  人機交互模塊:由鍵盤接口和TFT 液晶閃現接口構成,顛末鍵盤和菜單界面停止系統參數設定,并由液晶屏及時閃現剎時流量、積累流量和流量曲線等。

  通信接口模塊:包羅以太網接口、U SB 接口和RS 232 接口,結束數據通信和流量傳輸服從。

  調試接口模塊:由JT AG 調試接口和DBCOM 調試串口構成。

  軟件子系統由指導加載法式( Boot Loader) 、嵌入式Linux 操縱系統和應用軟件構成。嵌入式Linux 的策動需要指導加載法式來幫手結束,Linux、內核主要由歷程操持、內存操持、文件系統操持、裝備操控及搜集和談等幾個局部,為應用軟件供應了運行情況。圖中的硬件裝備操控供應了硬件渠道中相干的裝備驅動法式,結束了操縱系統與硬件之間的信息交互和操控,而系統函數挪用為Linux 內核和應用軟件之間的信息交互供應了接口。

 

  2 硬件系統計劃

  根據低頻三值矩形波勵磁的電磁流量計的硬件布局圖如圖2 所示。其間,CPU 中間模塊是系統軟件的運行根抵,FLASH 存儲器用于存儲可實行法式的二進制映像文件,供系統策動時加載到SDRAM 內存空間運行; 由于硬件系統的龐雜性,調試模塊加強了硬件系統的調試服從; 流量傳感器由一對勵磁線圈和一對對稱漫衍的檢測電極構成。

  系統硬件布局圖

 

  圖2 系統硬件布局圖

  ARM9 處置器顛末與其相連的D/ A 芯片產生低頻三值矩形波,勵磁線圈蒙受該低頻三值矩形波經功率擴展后的勵磁旌旗燈號而產生感到磁場,在電極上產生因流體切開磁力線而產生的感到電動勢( 即檢測旌旗燈號) ,并將之送入旌旗燈號輸入模塊停止處置,旌旗燈號輸入模塊對流量傳感器輸入的旌旗燈號停止擴展、濾涉及A/ D 采樣后輸入ARM9 處置器。系統由TFT 液晶閃現屏供應人道化的菜單閃現操縱界面,連系鍵盤停止人機交互; 一路具備以太網、USB 和RS 232 通信接口可輸入剎時流量、積累流量和系統參數。

  3 軟件系統計劃

  一個嵌入式Linux 系統從軟件的角度來看,普通可以或許分為四個條理,如圖3 所示。

  系統軟件全部布局

 

  圖3 系統軟件全部布局

  指導加載法式:包羅固化在固件中的Boo t 代碼( 可選) ,和Boo t Loader 兩大局部。

  Linux 內核:特定于嵌入式硬件渠道的定制內核和內核的策動參數。

  文件系統:包羅根文件系統和建立于FLASH 內存裝備之上文件系統,普通選用ramdisk 作為根文件系統。

  用戶應用法式:特定于用戶的應用法式。偶然在用戶應用法式和內核層之間可以或許還會包羅一個嵌入式圖形用戶界面。

  其間,指導加載法式是嵌入式系統軟件開辟的第一個關鍵,它是操縱系統和硬件的關鍵,為操縱系統內核的策動供應了必要的前提和參數; 指導加載法式的功課是初始化內存和必要的硬件裝備,挪用內核加載器。從FLASH 中加載操縱系統映像到SDRAM 中,并把操控權交給Linux ; 由Linux 對硬件系統做進一步的初始化并操控應用法式。

 

 

  根據系統軟件布局,在系統的策動歷程中有3 個主要軟件組件參與其間:指導加載法式、Linux 內核和Init歷程。其策動歷程以下:

  (1) 系統在上電或Reset 以后,A T91RM9200 初步實行寄存在NOR FLASH( 系統將0x10000000 映照到0x 00000000,即ARM 的復位向量) 中的指導加載法式。

  (2) 指導加載法式初始化CPU 和內存操控器,對系統外設做最小水平的初始化,如初始化LED 和串口等,檢測內存并報告策動中簡直診信息,而后將Linux內核映像解壓到SDRAM 中的某個方位并跳轉到這個地點,把操控權交給Linux 內核。

  (3) Linux 的內核領受實行權后結束一系列的系統初始化和設置,包羅設置間斷向量,策動內存操持,初始化各個硬件裝備,初始化搜集和談等,終究建立根文件系統并天生系統歷程之父Init 歷程。

  (4) Init 歷程擔負策動統統必要的效力和用戶應用法式,并進入嵌入式系統的功課狀態。

  在嵌入式Linux 系統中,必須有固態存儲裝備來存儲可實行的代碼,本系統當選用了FLASH 存儲器。

  在該系統中,系統的存儲裝備空間分派布局如表1所示。

  表1 系統存儲空間分派布局

  系統存儲空間分派布局

 

  電磁流量計的應用軟件計劃是根據系統需要,以嵌入式Linux 內核為根抵,顛末Linux 內核的系統挪用接口函數并遵照模塊化布局結束的。該系統的最大特點在于供應了人道化的五彩繽紛液晶閃現操縱界面和以太網服從,是以在應用軟件中是根據MiniGU 1 停止計劃的,一路根據Modbus 和談結束以太網服從。

  智能電磁流量計的應用軟件全部構架需要斟酌多任務和及時性兩個方面題目。重如果A/ D 采樣和勵磁旌旗燈號輸入必必要確保及時性和同步性,這一點可顛末AT91RM9200 的兩個按時器來確保,其間一個按時器用于操控D/ A 輸入三值矩形方波,另外一個按時器用于操控A/ D 采樣; 斟酌到硬件電路的煩擾,在應用中主要策動D/ A 按時器,而后推延1/ 8 勵磁周期再策動A/ D按時器。對于嵌入式Linux 下應用軟件的多任務,可以或許選用多歷程或多線程的體例來結束。應用軟件的主法式流程圖如圖4 所示。

  應用軟件的主法式流程圖

 

  圖4 應用軟件的主法式流程圖

  4 系統考試

  由于選用了嵌入式系統的新手藝,出格是引入了32 位高服從ARM 處置器和嵌入式Linux 操縱系統,系統除具備電磁流量計的根基服從外,還具備更強健的服從如流量數據文件存儲、TFT 彩屏閃現和以太網通信等傳統儀器沒法結束的服從。它可以或許閃實際時流量曲線和年、月、日、時、分、秒的及時時候; 選用FLASH 存儲器,檢測和運行數據存儲掩護寧靜靠得住;應用Modbus 通信和談和TCP/ IP 和談,前進系統的搜集化水平。

  別離對系統的圖形用戶閃現操縱界面、大容量的數據存儲和根據Modbus/ TCP 和談搜集數據傳輸等局部停止服從考試。對嵌入式電磁流量計停止了系統考試和實驗。成果標明嵌入式電磁流量計不但具備傳統電磁流量計的服從,并且具備流量曲線閃現的TFT 彩屏閃現操縱界面、流量數據文件斷電存儲和操持和根據Internet 的遠程數據搜集和遠程操控服從。

  5 結 語

  儀器儀器的展開建立在舊式檢測系統軟硬件渠道服從前進根抵之上。在傳統檢范圍應用很廣的8 位單片機系統由于其服從和資本的范圍性,只能結束儀器儀器的根基服從。隨著微電子手藝的展開及集成電路建造工藝的大幅前進,以高服從、低功耗、低本錢等很多利益的32 位ARM 處置器的閃現及其在儀器儀器中的應用,使得儀器儀器更具智能化、人道化和搜集化。流量檢測儀器的閃現體例、通信體例和數據存儲是儀器的主要構成局部。傳統電磁流量計在閃現體例上普通選用LED 或段式LCD,只能閃現數字、字母、漢字和一些粗拙的丹青; 在數據存儲方面,信息存儲普通以二進制體例存儲,不具備通用性且存儲容量小; 在通信體例上,普通選用RS 232 或RS 485,其開放性不高。

  為了處置了上述缺少,本文選用32 位的ARM 處置器和嵌入式Linux 操縱系統研制出了具備信息化、圖形化和搜集化的電磁流量計。它選用T FT 五彩繽紛液晶屏閃現體例,不但可以或許閃現流量數據還可以或許閃現流量曲線,前進了閃現的品質和內容; 顛末JFFS2 文件系統選用文件的體例停止數據存儲,且存儲容量可達1 MB。一路可以或許應用U 盤導出數據文件,加強了用戶的信息存儲和操持服從; 選用以T CP/ IP 和談為根抵的產業以太網通信體例,使得電磁流量計成為Internet 搜集中的自力節點,可結束根據Internet 的遠程數據搜集和遠程操控。

 

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