基于ARM的电磁流量计设计

　　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。

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。

　　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

　　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。

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。