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(lèi)、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(mén)，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(mǎn)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(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它是面向用戶(hù)、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的專(zhuān)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(kāi)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(kāi)發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

　　檢測(cè)儀表是實(shí)現(xiàn)參數(shù)檢測(cè)過(guò)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(mǎn)足用戶(hù)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(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)周期,增強(qiáng)企業(yè)對(duì)客戶(hù)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(kāi)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(ài)好者開(kāi)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(guò)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。

圖1 系統(tǒng)總體框架

　　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(guò)D/ A 轉(zhuǎn)換器輸出低頻三值矩形方波，并通過(guò)功率放大輸出給傳感器。

    人機(jī)交互模塊：由鍵盤(pán)接口和TFT 液晶顯示接口組成，通過(guò)鍵盤(pán)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(xiàn)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

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(xiàn)圈和一對(duì)對(duì)稱(chēng)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(guò)與其相連的D/ A 芯片產(chǎn)生低頻三值矩形波，勵(lì)磁線(xiàn)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(xiàn)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(pán)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)。