基于ARM的电磁流量计设计

摘要：针对在传统检测领域应用很广的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，设计开发基于32位的ARM处理器和嵌入式Linux操作系统的电磁流量计。该设计采用TFT彩色液晶屏显示，通过JFFS2文件系统采用的方式进行数据存储，以TCP／IP协议为基础的工业以太网通讯方式，使得电磁流量计更具智能化、人性化和网络化。该设计所搭建的嵌入式系统开发平台也可推广应用到其他检测仪表的设计中，加速检测仪表的系统开发。
关键词：嵌入式系统；电磁流量计；ARM-Linux；TCP／IP；彩屏显示

O 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。
嵌入式系统(Embedded System)是以应用为中心和以计算机技术为基础的，并且软硬件是可以裁减的，能满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等指标的严格要求的专用计算机系统。它是面向用户、面向产品、面向应用的专用系统，与通用的计算机系统相比具有如下特点：嵌入式CPU通常具有低功耗、体积小、集成度高、成本低等优点，能够把通用的CPU中许多由板卡完成的功能集成到芯片内部；嵌入式系统的开发和应用不容易在市场上形成垄断；嵌入式系统产品一旦进入市场，一般具有较长的生命周期；嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计；嵌入式系统必须有一套交叉开发工具和环境才能进行开发。
检测仪表是实现参数检测过程的重要一环，一般都具有变换、测量装置和显示装置三部分。针对于检测仪表的要求，合理剪裁软硬件实现高集成度、小型化，使得检测仪表不仅具有传感测量、补偿计算、显示的功能，还具有更加强大的信息处理、比较推理、故障诊断、自学习自适应等智能化功能。应用嵌入式系统的网络接入技术，还能使仪表完成远程维护、远程控制、故障报警、信息发布与共享等以前无法实现的功能。嵌入式系统技术的高度发展，给检测与仪表技术带来了前所未有的发展空间和机遇，为检测仪表的智能化、网络化和微型化铺平
了道路，为仪表行业的发展带来了广阔的前景。
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评估选择标准：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，PowerPC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Open Source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。

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、USB接口以及 RS232接口，完成数据通讯和流量传输功能。
调试接口模块：由JTAG调试接口和DBCOM调试串口组成。