基于ARM11的粉體動態(tài)定量稱重控制器設(shè)計

王 莉，牛群峰，張治功，惠延波

(河南工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南鄭州 450001)

0 引言

近年來嵌入式技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，嵌入式微處理器具有體積小、低功耗、軟硬件可裁剪、成本低等優(yōu)點，嵌入式軟件系統(tǒng)主要是針對操作系統(tǒng)而言，不同場合和應(yīng)用領(lǐng)域可以選擇不同的操作系統(tǒng)，常見的有嵌入式Linux系統(tǒng)、Widonws CE、實時系統(tǒng)VxWorks和μC/OS-II等。Linux系統(tǒng)屬于開源系統(tǒng)，內(nèi)核可以任意裁剪移植，幾乎支持所有的硬件驅(qū)動程序和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，有很好的應(yīng)用性。文中基于嵌入式控制技術(shù)，采用ARM11嵌入式控制器，以Linux為軟件平臺設(shè)計了一種粉體動態(tài)定量稱重控制器，實現(xiàn)油脂加工企業(yè)豆粕等粉體物料參數(shù)設(shè)置、在線動態(tài)定量稱重和遠(yuǎn)程稱重過程監(jiān)控管理等功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)采用嵌入式微處理器作為現(xiàn)場稱重控制器的控制核心，總體方案結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。整個系統(tǒng)由稱重傳感器、智能儀表和執(zhí)行秤體部件組成。智能儀表包括嵌入式微處理器、觸摸屏、信號調(diào)理電路、通訊接口等外圍擴展模塊；執(zhí)行秤體部件包括氣缸、快中慢放料斗、稱重斗等部件。

圖1 總體方案結(jié)構(gòu)框圖

2 控制器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)控制器控制核心采用ARM11芯片S3C6410。S3C6410處理器采用ARMv6架構(gòu)，是一個16/32位RISC微處理器，有豐富的內(nèi)部資源，采用64/32位內(nèi)部總線架構(gòu)，64/32位內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)由AXI、AHB和APB總線組成，存儲器系統(tǒng)具有雙重外部存儲器端口、DRAM和FLASH/ROM/DRAM端口。S3C6410包括很多片上功能外設(shè)：Camera接口，TFT24bit真彩色LCD控制器，系統(tǒng)管理單元(電源時鐘等)，4通道的UART，32通道的DMA，4通道定時器，通用I/O口，I2S總線，I2C總線，USB Host，高速USB OTG，SD Host 和高速MMC卡接口以及內(nèi)部PLL時鐘發(fā)生器，處理器方便外部擴展。

(1)處理器主模塊：系統(tǒng)電源模塊采用LTC3406，ARM Core的供電電壓為1.1 V，DDR為1.8 V.復(fù)位電路采用IMP811TEUS芯片，它可以提供穩(wěn)定的觸發(fā)信號，將機械按鍵轉(zhuǎn)化為復(fù)位信號，為處理器提供復(fù)位重啟信號。S3C6410內(nèi)部有3個PLL，分別是APLL、MPLL、EPLL.經(jīng)過分頻可以得到各種相應(yīng)的時鐘源，如Nand時鐘發(fā)生器、MFC時鐘發(fā)生器，用于UART和SPI的時鐘發(fā)生器等。文中采用12 MHz晶振。

(2)內(nèi)存與外部存儲電路：S3C6410內(nèi)部有DRAM控制器，支持多種內(nèi)存?？梢灾С諷DR SDRAM，動態(tài)SDR SDRAM，DDR SDRAM 和動態(tài)DDR SDRAM。文中采用動態(tài)DDR SDRAM，型號為K4X51163PG-FGC6。

(3)外部存儲Nand電路：相對于Nor Flash來說，Nand Flash的價格更便宜，所以一般都從Nand中啟動引導(dǎo)系統(tǒng)，然后在內(nèi)存上執(zhí)行主程序代碼。S3C6410支持Nand引導(dǎo)，硬件實現(xiàn)了將Nand Flash 中前8 K的內(nèi)容搬到內(nèi)存中執(zhí)行，然后在跳到內(nèi)存中執(zhí)行。所以寫程序時，前面8 K的程序要寫成引導(dǎo)程序。文中選用Nand Flash 為K9F2G08，大小為256 M，能夠存儲較大的程序與數(shù)據(jù)。

(4)信號調(diào)理模塊：粉體動態(tài)定量稱重控制器采用多個稱重傳感器分布安裝在稱重斗上，控制器采用托利多的拉壓式S型傳感器，信號放大電路設(shè)計中AD588BQ芯片產(chǎn)生精準(zhǔn)的10．000 V橋激勵電壓，OP213放大器滿足稱重傳感器的小范圍輸入，因此減小非線性誤差。

(5)A/D轉(zhuǎn)換器：經(jīng)過調(diào)理后的傳感器信號送入S3C6410自帶的A/D轉(zhuǎn)換模塊，進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。S3C6410采用8通道復(fù)用的ADC轉(zhuǎn)換，10位分辨率，最大采樣頻率1 MHz，最大轉(zhuǎn)換率為可達500 kSPS.

(6)LCD顯示與觸摸屏：系統(tǒng)采用的LCD液晶顯示屏為4.3英寸，分辨率為640×480。S3C6410有專用的LCD控制器，控制器的數(shù)據(jù)端口和控制信號在GPI管腳和GPJ管腳上復(fù)用管腳，將GPICON和GPJCON控制寄存器設(shè)為10，驅(qū)動接口有4種，采用RGB接口。

(7)通訊模塊：S3C6410提供有4個獨立的串行UART端口。每個端口可以通過中斷或DMA的方式與CPU進行數(shù)據(jù)交換。串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)是RS-232C，通過串行通信能夠使儀表實現(xiàn)通信同時完成組網(wǎng)。通過MAX232和SP3232都能夠?qū)崿F(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。對于帶有以太網(wǎng)接口的智能儀表可以在工業(yè)現(xiàn)場組網(wǎng)成Ethernet總線，也可以接入Internet網(wǎng)絡(luò)。S3C6410內(nèi)部沒有集成以太網(wǎng)控制器，系統(tǒng)采用DM9000以太網(wǎng)控制器。

3 軟件設(shè)計

控制器整體軟件設(shè)計包括Linux系統(tǒng)搭建、嵌入式驅(qū)動程序設(shè)計、觸摸屏圖形界面設(shè)計、應(yīng)用程序設(shè)計和算法研究實現(xiàn)等[3]。

3．1 Linux系統(tǒng)搭建

u-boot移植：BootLoader就是啟動加載程序，因為CPU上電啟動以后要進行一部分硬件的初始化等操作，再來引導(dǎo)Linux操作系統(tǒng)啟動。u-boot是BootLoader的一種，它可以支持多種處理器、多種操作系統(tǒng)。u-boot要完成的主要功能有：初始化SDRAM(DDR)，從Flash上讀出內(nèi)核，初始化時鐘，關(guān)看門狗，硬件相關(guān)的初始化(如網(wǎng)卡和串口)等。控制器用到的開發(fā)環(huán)境與工具有Ubuntu10．10、交叉編譯器arm-linux-gcc-4．3．2、u-boot1．1．6源碼。在Linux服務(wù)器上安裝交叉編譯工具鏈arm-linux-gcc-4．3．2，用解壓縮命令將其解壓到/usr/local/arm目錄下，然后就可以使用arm-linux-gcc命令來編譯程序。編譯u-boot時，首先要下載u-boot1．1．6源碼，然后放到Ubuntu10．10服務(wù)器上解壓縮，最后配置之后用arm-linux-gcc命令編譯。編譯之后會生成system．map、u-boot elf/u-boot．bin、和u-boot．srec4個文件，此時將生成的u-boot．bin二進制文件下載到Nand中。u-boot啟動之后可以通過串口觀察到啟動信息如圖2所示。

圖2 u-boot移植后啟動界面

Linux內(nèi)核的移植與裁剪：u-boot啟動之后會加載內(nèi)核鏡像，加載之后就將控制權(quán)交給內(nèi)核。但是對于啟動的過程來說內(nèi)核最終要掛接根文件系統(tǒng)，內(nèi)核也需要對源碼進行修改配置、編譯之后才能使用。移植前下載Linux內(nèi)核，文中采用的版本是2．6．36．2。將下載好的內(nèi)核源碼Linux2．6．36．2．tar．gz放到Linux服務(wù)器Ubuntu10．10上，解壓縮。然后完成修改頂層的Makefile文件，配置內(nèi)核，生成內(nèi)核鏡像文件，啟動內(nèi)核等工作。啟動界面見圖3。

圖3 u-boot移植后啟動界面

制作根文件系統(tǒng)：Linux的根文件系統(tǒng)存放系統(tǒng)啟動所必須的文件，如內(nèi)核的鏡像文件、內(nèi)核啟動后要運行的第一個程序init、給用戶提供界面的shell、以及應(yīng)用程序所依賴的庫，這些集合統(tǒng)稱為根文件系統(tǒng)。Linux文件系統(tǒng)的選擇與硬件相關(guān)，因為儀表中需要大量的數(shù)據(jù)存儲，所以使用Nand Flash存儲器，而YAFFS格式的文件系統(tǒng)最合適Nand Flash。確定制作1個YAFFS文件系統(tǒng)作為根文件系統(tǒng)。制作并移植根文件系統(tǒng)的步驟包括創(chuàng)建目錄、創(chuàng)建節(jié)點、安裝glibc庫、制作鏡像文件等，最后燒寫到nand相應(yīng)的分區(qū)。根文件系統(tǒng)移植后界面如圖4所示。

圖4 根文件系統(tǒng)移植后界面

3．2 嵌入式驅(qū)動程序設(shè)計

S3C6410的A/D轉(zhuǎn)換器AIN0-AIN3為模數(shù)轉(zhuǎn)換正常通道，AIN4-AIN7為觸摸屏通道。A/D轉(zhuǎn)換的驅(qū)動程序是該控制器的核心驅(qū)動，關(guān)系到儀表采集數(shù)據(jù)的精度。該控制器A/D驅(qū)動是字符設(shè)備驅(qū)動，包括cdev結(jié)構(gòu)體創(chuàng)建設(shè)備號、定義file_operations結(jié)構(gòu)體、填充file_operations結(jié)構(gòu)中的成員函數(shù)、填寫注冊和卸載驅(qū)動模塊函數(shù)、模塊聲明加載與卸載等步驟，驅(qū)動程序編寫完成之后用make module命令編譯成模塊生成1個．KO文件，然后將這個．KO文件放到服務(wù)器上下載到文件系統(tǒng)中，最后用insmod命令加載驅(qū)動，之后應(yīng)用程序就能夠調(diào)用驅(qū)動讀取AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。

觸摸屏的驅(qū)動與A/D轉(zhuǎn)換驅(qū)動的結(jié)構(gòu)相同，只要將A/D轉(zhuǎn)換的模式設(shè)置成自動X|Y位置轉(zhuǎn)換模式即可。需要注意的是觸摸屏與A/D共用一個中斷，同時使用時，在A/D轉(zhuǎn)化時會導(dǎo)致觸摸屏不能使用，解決的方法是在ADC驅(qū)動里，開始A/D轉(zhuǎn)換前屏蔽觸摸屏中斷，轉(zhuǎn)換完后再開中斷。

Linux為顯示設(shè)備專門提供了一類驅(qū)動程序，叫幀緩沖(FrameBuffer)設(shè)備驅(qū)動。實際操作中用戶只要在顯示緩沖中填寫要顯示的數(shù)據(jù)，幀緩沖驅(qū)動所做的工作主要是：編寫初始化函數(shù)初始化LCD控制器，然后分配一片緩沖區(qū)空間將起始地址給LCD控制器，最后注冊fb_info結(jié)構(gòu)體。填充fb_info結(jié)構(gòu)體中函數(shù)指針fb_ops的結(jié)構(gòu)成員。

3．3 嵌入式應(yīng)用程序設(shè)計

系統(tǒng)整個工作流程：秤體模式、空中量等參數(shù)設(shè)置后，控制快中慢放料斗實現(xiàn)快、中、慢三級給料，將稱重傳感器的實時信號經(jīng)信號調(diào)理之后送給微處理器，微處理器根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)，當(dāng)物料達到設(shè)定值時關(guān)閉上面的放料斗，稱重斗卸料，如是包裝秤，控制夾住包裝袋，包裝完成后松袋，完成稱量工作。參數(shù)設(shè)置、稱量結(jié)果等數(shù)據(jù)在觸摸屏顯示，工作過程參數(shù)和數(shù)據(jù)可以通過通訊接口傳給上位機，也可以通過打印口輸出。整個工作過程根據(jù)控制程序和算法，實現(xiàn)粉體物料參數(shù)設(shè)置、在線動態(tài)定量稱重和遠(yuǎn)程稱重過程監(jiān)控管理等功能，在保證稱重精度的前提下，提高了稱重速度?？刂破鬈浖鞒虉D如圖5所示。

圖5 控制器軟件流程圖

3．4 數(shù)據(jù)濾波和空中量自動修正算法

該控制器的信號波動具有周期性，且在拐角地方具有突變性，經(jīng)過分析各種濾波算法的優(yōu)缺點后，采用滑動平均濾波算法對干擾有良好的抑制。

控制器采用三級給料裝置，以大幅減少落料沖擊力和空中落料誤差引起的計量誤差。儀表最后顯示的稱重數(shù)值為停慢進、關(guān)進料門后，停慢進時刻實測數(shù)值加上空中落料之和。此外，設(shè)計了一種空中量自動修正算法，使控制器進行幾次稱重計量后，誤差精確地控制在要求范圍之內(nèi)。

算法每進行一組稱重計量，實時迭代稱重誤差，修正空中量，使誤差快速收斂到系統(tǒng)滿足的最小誤差值，迭代結(jié)束。空中量初始值、修正次數(shù)、修正幅度進行初始化設(shè)置。

算法的具體實現(xiàn)：根據(jù)用戶設(shè)定的修正次數(shù)CORRECT_NU，如CORRECT_NU=4，那么每當(dāng)稱量4次為一組，將其每次誤差值(實際的重量減去設(shè)定值，有正有負(fù))加和平均。然后根據(jù)設(shè)定的修正幅度(小于修正的次數(shù))SCOPE_NU得出修正后的誤差值A(chǔ)F_COR= XSCOPE_NU/CORRECT_NU。最后將此誤差值作為下一組稱重計量的空中量修正值，作為新的空中量，進行下一組稱量，誤差達到設(shè)定值結(jié)束迭代。

空中量自動修正算法子程序：

#define CORRECT_NU 4

#define SCOPE_NU 2

double modif_aerialvalue(double set_value，double Aerial_value，double real_value)

{

static double error[CORRECT_NU]；

static double temp，

double AF_CORR；

static i=1；

error[i-1] = real_value- set_value；

temp += error[i-1]；

if (i== CORRECT_NU)

{

AF_CORR= temp*SCOPE_NU/CORRECT_NU；

Aerial_value += AF_CORR；

return Aerial_value；

break；

}

}

4 結(jié)束語

文中設(shè)計了一種基于ARM11的粉體動態(tài)定量稱重控制器。詳細(xì)介紹了該儀器的硬件組成和軟件設(shè)計。該儀器采用ARM11嵌入式控制器，以Linux為軟件平臺完成了A/D轉(zhuǎn)換，觸摸屏等驅(qū)動程序及應(yīng)用程序的編寫，研究數(shù)據(jù)濾波和稱重誤差修正算法以提高稱重精度，實現(xiàn)油脂加工企業(yè)豆粕等粉體物料參數(shù)設(shè)置、在線動態(tài)定量稱重和遠(yuǎn)程稱重過程監(jiān)控管理等功能。該儀器具有體積小、精度高、功能可擴展等優(yōu)點，為粉體物料動態(tài)計量手段提供一種有效途徑。該儀器可根據(jù)不同行業(yè)需求，在軟件上稍作更改即可進行功能擴充或修改，應(yīng)用于加工過程中需要動態(tài)定量稱重的許多行業(yè)，應(yīng)用前景廣泛。

參考文獻：

[1] 牛群峰，王莉．基于ARM9的糧食在線計量智能控制系統(tǒng)．儀表技術(shù)與傳感器．2011 (12)：70-72．

[2] 趙廣平，孫雯萍，孫建軍．電子稱重技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢．儀表技術(shù)與傳感器，2007 (7)：76-77．

[3] 張治功．嵌入式粉體計量管理控制技術(shù)研究：[學(xué)位論文]．鄭州：河南工業(yè)大學(xué)，2013.