基于ARM的電磁流量計設計

摘要：針對在傳統(tǒng)檢測領域應用很廣的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，設計開發(fā)基于32位的ARM處理器和嵌入式Linux操作系統(tǒng)的電磁流量計。該設計采用TFT彩色液晶屏顯示，通過JFFS2文件系統(tǒng)采用的方式進行數(shù)據(jù)存儲，以TCP／IP協(xié)議為基礎的工業(yè)以太網(wǎng)通訊方式，使得電磁流量計更具智能化、人性化和網(wǎng)絡化。該設計所搭建的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺也可推廣應用到其他檢測儀表的設計中，加速檢測儀表的系統(tǒng)開發(fā)。
關鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；電磁流量計；ARM-Linux；TCP／IP；彩屏顯示

O 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 System)是以應用為中心和以計算機技術為基礎的，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，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)技術的高度發(fā)展，給檢測與儀表技術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)通常有這樣一些評估選擇標準：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，PowerPC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Open Source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)總體結構如圖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、USB接口以及 RS232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JTAG調(diào)試接口和DBCOM調(diào)試串口組成。