基于ARM处理器和Linux操作系统的电磁流量计设计方案

发布者:tony520最新更新时间:2011-05-30 关键字:ARM处理  Linux操作系  电磁流量计 手机看文章 扫描二维码
随时随地手机看文章

  0 引 言

  电磁流量计是一种测量导电介质体积流量的计量仪表,具有测量精度高、稳定性好、可靠性高等特点。电磁流量计除可测量一般导电液体的流量外,还可测量液固两相液体、高粘度液体及盐类、强酸、强碱液体的体积流量,可广泛应用于水泥、化工、轻纺、冶金、矿山、造纸、医药、给排水、食品饮料、环保等工业技术部门,其产品的性能、质量和可靠性对上述企业的经济效益有着重要的影响。

  传统电磁流量计一般采用8 位或16 位的单片机,由于单片机性能较弱和外围接口少,无法完成复杂算法或者多项并行任务; 在显示方式上一般采用LED 或段式LCD,只能显示数字、字母、汉字和一些粗糙的图案;在数据存储方面一般采用小容量的EPROM 存储器,流量数据存储一般以二进制方式存储,不具有通用性;在通信方式上,一般采用RS 232 或RS 485,其开放性不高,组网距离短。为了提高性能和功能,有些电磁流量计甚至采用了多个单片机协同工作的方式,增加了电磁流量计设计与实现的复杂度。因此有必要采用高性能的32 位处理器来设计电磁流量计。

  基于32 位ARM 处理器和嵌入式Linux 操作系统构建嵌入式系统开发平台,并将其应用于电磁流量计的设计和开发中,将有利于提高高端电磁流量计产品的质量,更好地满足用户需求,而且对我国电磁流量计检测技术水平的发展也具有重要的现实意义。由于嵌入式系统的设计与开发的复杂性和高难度,本文所构建的高性能32 位嵌入式系统开发平台,也可推广应用于其他高端仪器仪表的设计中,缩短新产品的设计开发周期,增强企业对客户需求的响应能力和产品的更新换代能力。

  1 总体设计

  1. 1 ARM 处理器的选择

  结合电磁流量计的应用背景,选择32 位的嵌入式ARM 处理器。根据ARM 处理器的应用选型,并考虑到ARM 处理器价格、性能、集成度和功能、设计支持及开发工具的支持等因素,以及应用中对于以太网和USB 接口功能的要求,选择了Atmel 公司的AT91RM9200 工业级芯片。

  1. 2 嵌入式操作系统的选择

  对于一种嵌入式操作系统通常有这样一些*估选择标准:实用性、需要消耗的资源数( 包括SDRAM,FLASH MEMORY 等) 、支持软件的丰富程度、可靠性以及其执行性能等。Linux 已经被移植到了很多平台,包括ARM,MIPS,SH3,Alpha,X86,Pow erPC 等,由成千上万的爱好者开发的应用软件、协议栈以及丰富的设备驱动程序; 更重要的是这些驱动很多都以OpenSour ce 的形式发布出来,使得大家都从中受益。

  1. 3 总体设计框架

  通过对电磁流量计的方案选择,并综合国内外电磁流量仪表产品的智能化、集成化、网络化的发展趋势,系统总体结构如图1 所示。系统主要由硬件子系统和软件子系统组成。

  


 

  图1 系统总体框架

  电磁流量计的硬件子系统主要由电源模块、信号输入模块、CPU 核心模块、励磁输出模块、人机交互模块、通信接口模块和调试接口模块组成。各模块的功能描述如下:

  电源模块:为整个硬件子系统提供稳定可靠的电源。

  CPU 核心模块:由ARM 处理器、SDRAM,FLASH 以及辅助电路构成最小系统,同时也是运行嵌入式Linux 的基本硬件平台。

  信号输入模块:将传感器输出的小电压或电流信号进行放大、滤波以及转换为数字量,以便进行软件处理。

  励磁输出模块:通过D/ A 转换器输出低频三值矩形方波,并通过功率放大输出给传感器。

  人机交互模块:由键盘接口和TFT 液晶显示接口组成,通过键盘和菜单界面进行系统参数设定,并由液晶屏实时显示瞬时流量、累积流量和流量曲线等。

  通信接口模块:包括以太网接口、U SB 接口以及RS 232 接口,完成数据通讯和流量传输功能。

  调试接口模块:由JT AG 调试接口和DBCOM 调试串口组成。

  软件子系统由引导加载程序( Boot Loader) 、嵌入式Linux 操作系统和应用软件组成。嵌入式Linux 的启动需要引导加载程序来辅助完成,Linux、内核主要由进程管理、内存管理、文件系统管理、设备控制及网络协议等几个部分,为应用软件提供了运行环境。图中的硬件设备控制提供了硬件平台中相关的设备驱动程序,实现了操作系统与硬件之间的信息交互和控制,而系统函数调用为Linux 内核和应用软件之间的信息交互提供了接口。[page]

  2 硬件系统设计

  基于低频三值矩形波励磁的电磁流量计的硬件结构图如图2 所示。其中,CPU 核心模块是系统软件的运行基础,FLASH 存储器用于存储可执行程序的二进制映像文件,供系统启动时加载到SDRAM 内存空间运行; 由于硬件系统的复杂性,调试模块加强了硬件系统的调试功能; 流量传感器由一对励磁线圈和一对对称分布的检测电极构成。

  

系统硬件结构图

 

  图2 系统硬件结构图

  ARM9 处理器通过与其相连的D/ A 芯片产生低频三值矩形波,励磁线圈接受该低频三值矩形波经功率放大后的励磁信号而产生感应磁场,在电极上产生因流体切割磁力线而产生的感应电动势( 即测量信号) ,并将之送入信号输入模块进行处理,信号输入模块对流量传感器输入的信号进行放大、滤波及A/ D 采样后输入ARM9 处理器。系统由TFT 液晶显示屏提供人性化的菜单显示操作界面,结合键盘进行人机交互; 同时具有以太网、USB 和RS 232 通信接口可输出瞬时流量、累积流量和系统参数。

  3 软件系统设计

  一个嵌入式Linux 系统从软件的角度来看,通常可以分为四个层次,如图3 所示。

  

系统软件总体结构

 

  图3 系统软件总体结构

  引导加载程序:包括固化在固件中的Boo t 代码( 可选) ,和Boo t Loader 两大部分。

  Linux 内核:特定于嵌入式硬件平台的定制内核以及内核的启动参数。

  文件系统:包括根文件系统和建立于FLASH 内存设备之上文件系统,通常采用ramdisk 作为根文件系统。

  用户应用程序:特定于用户的应用程序。有时在用户应用程序和内核层之间可能还会包括一个嵌入式图形用户界面。

  其中,引导加载程序是嵌入式系统软件开发的第一个环节,它是操作系统和硬件的枢纽,为操作系统内核的启动提供了必要的条件和参数; 引导加载程序的工作是初始化内存以及必要的硬件设备,调用内核加载器。从FLASH 中加载操作系统映像到SDRAM 中,并把控制权交给Linux ; 由Linux 对硬件系统做进一步的初始化并控制应用程序。[page]

  基于系统软件结构,在系统的启动过程中有3 个主要软件组件参与其中:引导加载程序、Linux 内核和Init进程。其启动过程如下:

  (1) 系统在上电或Reset 之后,A T91RM9200 开始执行存放在NOR FLASH( 系统将0x10000000 映射到0x 00000000,即ARM 的复位向量) 中的引导加载程序。

  (2) 引导加载程序初始化CPU 和内存控制器,对系统外设做最小程度的初始化,如初始化LED 和串口等,检测内存并汇报启动中的诊断信息,然后将Linux内核映像解压到SDRAM 中的某个位置并跳转到这个地址,把控制权交给Linux 内核。

  (3) Linux 的内核接管执行权后完成一系列的系统初始化和设置,包括设置中断向量,启动内存管理,初始化各个硬件设备,初始化网络协议等,最后建立根文件系统并生成系统进程之父Init 进程。

  (4) Init 进程负责启动所有必要的服务和用户应用程序,并进入嵌入式系统的工作状态。

  在嵌入式Linux 系统中,必须有固态存储设备来存储可执行的代码,本系统中采用了FLASH 存储器。

  在该系统中,系统的存储设备空间分配结构如表1所示。

  表1 系统存储空间分配结构

  

系统存储空间分配结构

 

  电磁流量计的应用软件设计是根据系统需求,以嵌入式Linux 内核为基础,通过Linux 内核的系统调用接口函数并按照模块化结构实现的。该系统的最大特色在于提供了人性化的彩色液晶显示操作界面和以太网功能,因此在应用软件中是基于MiniGU 1 进行设计的,同时基于Modbus 协议实现以太网功能。

  电磁流量计的应用软件整体构架需要考虑多任务和实时性两个方面问题。首先是A/ D 采样和励磁信号输出必须要保证实时性和同步性,这一点可通过AT91RM9200 的两个定时器来保证,其中一个定时器用于控制D/ A 输出三值矩形方波,另一个定时器用于控制A/ D 采样; 考虑到硬件电路的干扰,在应用中首先启动D/ A 定时器,然后延迟1/ 8 励磁周期再启动A/ D定时器。对于嵌入式Linux 下应用软件的多任务,可以采用多进程或多线程的方式来实现。应用软件的主程序流程图如图4 所示。

  

应用软件的主程序流程图

 

  图4 应用软件的主程序流程图

  4 系统测试

  由于采用了嵌入式系统的新技术,特别是引入了32 位高性能ARM 处理器和嵌入式Linux 操作系统,系统除了具备电磁流量计的基本功能外,还具有更强大的功能如流量数据文件存储、TFT 彩屏显示以及以太网通讯等传统仪表无法完成的功能。它可以显示实时流量曲线和年、月、日、时、分、秒的实时时间; 采用FLASH 存储器,测量和运行数据存储保护安全可靠;使用Modbus 通讯协议和TCP/ IP 协议,提高系统的网络化程度。

  分别对系统的图形用户显示操作界面、大容量的数据存储以及基于Modbus/ TCP 协议网络数据传输等部分进行功能测试。对嵌入式电磁流量计进行了系统测试和实验。结果表明嵌入式电磁流量计不仅具有传统电磁流量计的功能,而且具有流量曲线显示的TFT 彩屏显示操作界面、流量数据文件断电存储和管理以及基于Internet 的远程数据采集和远程控制功能。

  5 结 语

  仪器仪表的发展建立在新型检测系统软硬件平台性能提高基础之上。在传统检领域应用很广的8 位单片机系统由于其性能和资源的局限性,只能完成仪器仪表的基本功能。随着微电子技术的发展及集成电路制造工艺的大幅提高,以高性能、低功耗、低成本等诸多优点的32 位ARM 处理器的出现及其在仪器仪表中的应用,使得仪器仪表更具智能化、人性化和网络化。流量检测仪表的显示方式、通讯方式和数据存储是仪表的重要组成部分。传统电磁流量计在显示方式上一般采用LED 或段式LCD,只能显示数字、字母、汉字和一些粗糙的图案; 在数据存储方面,信息存储一般以二进制方式存储,不具有通用性且存储容量小; 在通讯方式上,一般采用RS 232 或RS 485,其开放性不高。

  为了解决了上述不足,本文采用32 位的ARM 处理器和嵌入式Linux 操作系统研制出了具有信息化、图形化和网络化的电磁流量计。它采用T FT 彩色液晶屏显示方式,不仅可以显示流量数据还可以显示流量曲线,提高了显示的质量和内容; 通过JFFS2 文件系统采用文件的方式进行数据存储,且存储容量可达1 MB。同时可以使用U 盘导出数据文件,增强了用户的信息存储和管理功能; 采用以T CP/ IP 协议为基础的工业以太网通讯方式,使得电磁流量计成为Internet 网络中的独立节点,可实现基于Internet 的远程数据采集和远程控制。

 

 

关键字:ARM处理  Linux操作系  电磁流量计 引用地址:基于ARM处理器和Linux操作系统的电磁流量计设计方案

上一篇:ARM与射频芯片TRF796x的SPI通信研究
下一篇:一种基于ARM9的彩色TFT-LCD模块设计及实现

推荐阅读最新更新时间:2024-03-16 12:36

ARM7 Thumb系列嵌入式处理器介绍
ARM7Thumb系列处理器是一系列高性能、低功耗的32位RISC处理器,它结合了Thumb16位精简指令集。Thumb达到的卓越的代码效率意味着对存储器容量需求的降低,使得利用16位宽度的存储器可以达到32位存储器才能达到的高性能。 全部ARM7Thumb系列处理器被设计为用于较大芯片设计的,支持AMBA片内系统总线,各种外围设备和大量的软件开发工具、试验板、仿真模型、仿真工具。 该系列的所有成员均包含ARM的EmbeddeDICEJTAG软件调试逻辑。使用了ARM的软件开发工具包和Multi-ICE接口,EmbeddedICE逻辑允许源代码级调试、代码下载和数据断点,这些功能在ARM处理器集成到大芯片内部时仍然
[单片机]
如何正确检测电磁流量计传感器才能保证仪表的稳定运行
经过几十年的发展,国内外生产 电磁流量计 的厂家如雨后春笋般迅速发展起来。电磁流量计作为一种有效测量导电介质体积流量的仪表,主要元件包括传感器、流量转换和处理仪表等部分。其主要特点就是无节流阻流部件,不易堵塞,耐腐蚀性好,适用介质范围广,测量精度不受被测介质温度、粘度、密度、压力、比重等物理参数的影响,其示值在一定的电导率范围内与被标定的液体种类无关等特点。 电磁流量计除可测量一般液体的流量外,还可测量液固两相液体、高粘度液体及盐类、强酸、强碱液体的体积流量,可广泛应用于水泥、化工、轻纺、冶金、矿山、造纸、医药、给排水、食品饮料、制糖、酿造等工业技术部门,特别是在环保领域。目前,电磁流量计己成为环保部门定量管理企业污水排放的有效
[测试测量]
如何正确检测<font color='red'>电磁</font><font color='red'>流量计</font>传感器才能保证仪表的稳定运行
电磁流量计的结构及原理
一、电磁流量计结构 电磁流量计的结构主要由磁路系统、测量导管、电极、外壳、衬里和转换器等部分组成。 二、电磁流量计原理 1、电磁流量计磁路系统:其作用是产生均匀的直流或交流磁场。直流磁路用*磁铁来实现,其优点是结构比较简单,受交流磁场的干扰较小,但它易使通过测量导管内的电解质液体极化,使正电极被负离子包围,负电极被正离子包围,即电极的极化现象,并导致两电极之产蝗内阻增大,因而严重影响仪表正常工作。当管道直径较大时,*磁铁相应也很大,笨重且不经济,所以电磁流量计一般采用交变磁场,且是50HZ工频电源激励产生的。 电磁流量计的结构及原理 2、电磁流量计测量导管:其作用是让被测导电性液体通过。为了使磁力线通过测量导管时磁通量被分
[测试测量]
<font color='red'>电磁</font><font color='red'>流量计</font>的结构及原理
简述智能防腐电磁流量计
  智能防腐电磁流量计采用世界最新技术。利用恒流低频三值矩形波或双频矩形波励磁,既有矩形波磁场的优点,又克服了正弦波磁场的缺点;还可以消除电源电压波动、电源频率变化及励磁线圈阻抗变化所造成的误差;并有极好的零点稳定性和不受流体噪声干扰影响。从而具有高稳定性、高可靠性的特点。测量原理是基于法拉第电磁感应定律,智能防腐电磁流量计由传感器和转换器组成,传感器安装在测量管道上,转换器可以与传感器组合连接在一起称为一体型电磁流量计,转换器被安装在离传感器30米内或100米内的场合,两者间由屏蔽电缆连接称为分离型电磁流量计。传感器主要组成部分是:测量管、电极、励磁线圈、铁芯与磁轭壳体。主要用于测量封闭管道中的导电液体和浆液中的体积流量。如水、污
[测试测量]
ARM宣布基于DynamIQ技术的移动处理
   ARM 近日正式宣布推出基于 DynamIQ 技术的新型移动处理器,这批处理器最大的特点在于能够进一步提升人工智能的表现。下面就随嵌入式小编一起来了解一下相关内容吧。    DynamIQ 是 ARM 在今年3月针对人工智能推出的一种技术,基于该技术的处理器拥有更强的机器学习能力和更广泛的设备支持,核心组合也更加灵活。        Cortex-A75和Cortex-A55   这次 ARM 推出的基于 DynamIQ 技术的移动处理器分别是Cortex-A75、ARM Cortex-A55 CPU和ARM Mali-G72 GPU,其中Cortex-A75和Cortex-A55的特性有:   1、针对人工智能性能任
[嵌入式]
ARM发布Mali-C71图像信号处理器,推动下一代汽车图像处理
2017年4月25日,中国北京——ARM今天正式发布Mali-C71图像信号处理器(ISP),应对汽车图像处理所面临的挑战,包括在极端条件下对图像进行快速的处理和分析,符合严苛的汽车安全标准的设计要求。Mali-C71也是ARM Mali Camera系列的第一款产品。 随着技术的演进,汽车已经成为一个充满活力的创新平台,不仅正在改变驾驶者的体验,也使得真正的自动驾驶离我们越来越近。先进驾驶辅助系统(ADAS)是这一技术演进的一个不可或缺的关键。一些最新的ADAS应用,例如更先进的后视镜、驾驶员疲劳检测以及行人保护系统,都对车内图像处理提出了更高的要求。这些技术要求更多数量的车内摄像头;据Strategy Analytics的
[汽车电子]
<font color='red'>ARM</font>发布Mali-C71图像信号<font color='red'>处理</font>器,推动下一代汽车图像<font color='red'>处理</font>
电磁流量计的维护使用注意事项
电磁流量计是一个专业的工业仪表,在生产工业中被广泛应用,其可靠性好,稳定性强,是一款非常不错的流量计。电磁流量计在使用维护方面和其它流量计一样,有防护等级也有对安装前后直管有要求,和其它流量计一样电磁流量计也需要进行维护,且在维护使用方面也有一些小的注意事项,在这里深圳中航智能系统分析下电磁流量计的维护使用有哪些注意事项: 1、需要保持电缆接头清洁干燥,防水、防潮,每次使用后一定要及时旋上流量计和各电缆头护盖。 2、 循环时禁止连接流量计,避免循环液中的尖硬岩屑冲刷损伤流量计内衬,影响测量精度。 3、电磁流量计变送器不能互换使用。 4、保证电磁流量计内衬不能被硬物划伤、戳伤,破坏其光洁度。 5、 每次施工使用后必须及时用清洁水
[测试测量]
基于ARM7处理器uC/OS系统的Nos-Wlan移植
1 引言 目前,在无线监控、工业控制、视频传输等行业应用中,嵌入式无线系统主要采用以NORDIC解决方案为代表的无操作系统环境,该方案由“CPU+无线数传模块”构成,能够实现短距离低带宽无线通信。为满足这种需求,北京中电华大电子设计有限责任公司(以下简称华大电子)适时的推出了不依赖于任何操作系统的Nos-Wlan模块以加速现有产品的无线功能的升级,模块支持国内(WAPI)/国际(802.11i)安全标准。本文主要介绍了华大电子Nos-Wlan模块在基于ARM7核处理器LPC2478的uC/OS-ii环境下的移植。 2 Nos-Wlan模块介绍 Nos-Wlan系列模块产品是为了满足工业应用、安防监控等领域中,现有产品的无线功
[单片机]
基于<font color='red'>ARM</font>7<font color='red'>处理</font>器uC/OS系统的Nos-Wlan移植
小广播
添点儿料...
无论热点新闻、行业分析、技术干货……
设计资源 培训 开发板 精华推荐

最新单片机文章
何立民专栏 单片机及嵌入式宝典

北京航空航天大学教授,20余年来致力于单片机与嵌入式系统推广工作。

换一换 更多 相关热搜器件
电子工程世界版权所有 京B2-20211791 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved