基于嵌入式Linux的粘度計設(shè)計*

黃戰(zhàn)華,諶 剛

(天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院,光電信息技術(shù)教育部重點實驗室(天津大學(xué)),天津 300072)

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基于嵌入式Linux的粘度計設(shè)計*

黃戰(zhàn)華*,諶 剛

(天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院,光電信息技術(shù)教育部重點實驗室(天津大學(xué)),天津 300072)

傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)式粘度計的測量方式具有許多弱點,比如使用單片機進行控制,因此主要采用黑白液晶屏,顯示效果不佳,其操作采用不便捷的按鍵式,轉(zhuǎn)速控制簡單,可調(diào)的轉(zhuǎn)速檔位較少等。本文主要介紹了一種新型的觸摸屏粘度計的設(shè)計。它采用ARM9,CPLD和觸摸屏搭建硬件平臺,Linux系統(tǒng)和QTE為軟件平臺,使用細分精確控制步進電機,有更好的觸摸屏界面和粘度測量方法。此粘度計具有直觀的彩色觸摸顯示屏操作,隨意的轉(zhuǎn)速控制,自動掃描式測量,無需電腦即可進行流變數(shù)據(jù)分析等優(yōu)點。并且具有良好的可擴展性。

粘度計;嵌入式Linux;掃描測量;觸摸屏;ARM

粘度測量在食品,石油,化妝品,涂料等各行各業(yè)都起到了越來越大的作用,各種行業(yè)的標(biāo)準的制定也涉及到粘度值,粘度計的市場也逐年增大,對粘度計的性能,功能和使用體驗也提出了一定的要求。

粘度計的研究國外一直處于領(lǐng)先的水平,目前國外對于基于嵌入式系統(tǒng)的粘度計的研究已經(jīng)有相關(guān)成果[1-4],BROOKFIELD公司也推出了一些相關(guān)產(chǎn)品,但是其在觸摸屏上能完成的工作較少,只是復(fù)刻了傳統(tǒng)粘度計的操作方法,并讓操作變得直觀一些,對于在不連接PC時的功能沒有更好的擴充;而國內(nèi)相關(guān)研究較少,主要集中在粘度計的功能擴展上的一些討論[5-11]。本文主要介紹在觸摸屏粘度計的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計和實現(xiàn)一些更加高級的測量方法,以及討論基于此方案的一些優(yōu)勢和其他可能的使用方法。

對于旋轉(zhuǎn)式粘度計,傳統(tǒng)的粘度計有機械指針式和數(shù)字液晶屏顯示兩種類型,操作多采用按鍵操作,在不同的功能間切換需要重復(fù)按鍵數(shù)次才能完成,顯示效果也不夠理想,多采用象征字符表示功能,可選擇的電機轉(zhuǎn)速也是有限的幾個,測量功能單一,無法實現(xiàn)自動測量,另外,測量結(jié)果的展示和保存的功能也比較不完善,目前其最佳的方案是采用與計算機相連實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時處理和保存。

結(jié)合ARM和嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)的觸摸真彩屏粘度計,其操作上使用觸摸點按,快速切換到需要的功能,操作直觀,顯示完善準確,測量功能得到加強,轉(zhuǎn)速選擇可以讓用戶自定義,測量結(jié)果可以在大屏幕上直接顯示和分析,也可以直接保存成文件和傳輸?shù)诫娔X。從而大大提升了粘度計的使用體驗。

對于非牛頓液體,傳統(tǒng)的粘度計需要使用計算機聯(lián)機,才能進行高級的粘度測量和流變曲線分析[12-16]。使用該系統(tǒng),可以不使用電腦就直接進行高級的粘度測量和轉(zhuǎn)速控制,同時可以在觸摸屏上面繪制出轉(zhuǎn)速粘度曲線,流變曲線,通過屏幕繪制的曲線可以對液體的流變特性進行簡單的分析,這對于傳統(tǒng)粘度計是無法辦到的。

1 旋轉(zhuǎn)粘度計的測量原理

普通單圓筒式同軸圓筒結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)粘度計的結(jié)構(gòu)如圖1所示,當(dāng)液體為牛頓液體時,可以推導(dǎo)出粘度計算公式馬古爾斯式

(1)

對于相對測量,此公式可以寫成

(2)

圖1 旋轉(zhuǎn)粘度計結(jié)構(gòu)

式(2)中,f稱為流場系數(shù),只與轉(zhuǎn)筒的內(nèi)外筒尺寸有關(guān),M是扭矩,ω為轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)的角速度[17-19]。我們需要用扭矩傳感器測量出轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)過程中的扭矩,結(jié)合轉(zhuǎn)筒的角速度和轉(zhuǎn)子的型號就可以測量出液體的粘度。當(dāng)使用自定義的轉(zhuǎn)子時,我們通過已知粘度的液體測量f值,之后就可以用此轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)筒來測量粘度。

2 硬件電路結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)的硬件電路如圖2所示。

圖2 硬件電路結(jié)構(gòu)

為了滿足系統(tǒng)的CPU能運行Linux,負載彩色觸摸屏的能力和成本控制,我們選用的是三星的ARM9系列的S3C2440,通過ARM的系統(tǒng)總線連接CPLD來控制系統(tǒng)的其他電路。與CPLD連接的SRAM保存細分數(shù)據(jù),通過CPLD提供的讀寫時序信號將SRAM數(shù)據(jù)寫入DAC來實現(xiàn)步進電機的細分控制。ADC可以將從扭矩傳感器,溫度傳感器的輸入模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,然后通過CPLD傳入ARM處理。系統(tǒng)可以通過串口和USB與上位機進行通信。

3 步進電機細分控制

為了控制步進電機在低速運轉(zhuǎn)和高速運轉(zhuǎn)時都能穩(wěn)定的運行,在步進電機不同的轉(zhuǎn)速下,我們分別對步進電機進行32,16,8,4細分。對于步進電機的驅(qū)動電路,我們使用的DAC和驅(qū)動芯片是NJU39610和NJM3771,NJU39610的寫時序入圖3所示。

NJU39610寫數(shù)據(jù)分單脈沖寫入和雙脈沖寫入兩種模式,圖2所示的這種模式是雙脈沖寫入模式,每次寫數(shù)據(jù)期間寫入兩個數(shù)據(jù),分別對應(yīng)DAC的兩個通道的數(shù)據(jù),這兩個通道的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換成為步進電機驅(qū)動芯片NJM3771的控制信號。NJM3771通過控制信號來準確控制步進電機的相電流實現(xiàn)步進電機的細分運行。

與CPLD相連的SRAM為8位數(shù)據(jù)線,為了實現(xiàn)步進電機的各種細分,我們將SRAM地址[9:0]對應(yīng)的內(nèi)存分成4段,對應(yīng)于地址[9:8]分別為00,01,10,11。每段內(nèi)存都分別保存著對應(yīng)于32,16,8,4細分需要循環(huán)寫入到NJU39610的兩個通道的256個細分數(shù)據(jù)。電機運行時,低位[7:0]進行逐位循環(huán)讀。將這段內(nèi)存中的256個數(shù)據(jù)循環(huán)寫入NJU39610的兩個通道,每個通道128個數(shù)據(jù)。每個數(shù)據(jù)8位,最高位代表電流的方向,低7位表示電流的大小。在Linux加載驅(qū)動的時候?qū)⑦@4×256個數(shù)據(jù)保存到SRAM中,啟動步進電機時,只需要開啟CPLD中相關(guān)的讀寫時序和設(shè)置[9:8]地址線的值切換到細分相應(yīng)的地址段即可完成電機的細分運轉(zhuǎn)。

通過使用多重的細分控制和穩(wěn)定的讀寫時序,可以讓步進電機運行的更加平穩(wěn),轉(zhuǎn)速更加均勻,在低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速下均可以穩(wěn)定的滿足粘度計的運轉(zhuǎn)需求。

圖3 芯片NJU39610寫時序

4 Linux驅(qū)動和軟件實現(xiàn)

為實現(xiàn)更好的界面,我們使用了Linux+QTE的方式來實現(xiàn)觸摸屏的界面,由于Linux的應(yīng)用是無法直接訪問硬件底層的,需要實現(xiàn)驅(qū)動來幫助應(yīng)用程序控制CPLD實現(xiàn)相關(guān)的功能,我們實現(xiàn)了兩個驅(qū)動來完成這些任務(wù),一個驅(qū)動完成步進電機細分控制,另一個驅(qū)動完成ADC數(shù)據(jù)的讀取,兩個驅(qū)動都掛在Linux的Platform總線上。

圖4 軟件操作流程

軟件方面,QTE使用了4.8.5版本,界面采用觸摸屏操作。主要完成觸摸小鍵盤,觸摸界面和系統(tǒng)控制的開發(fā),軟件的流程如圖4所示。自動測量界面實現(xiàn)了粘度的自動掃描測量,實現(xiàn)方式為,使轉(zhuǎn)子在某個轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn),直到扭矩穩(wěn)定再跳到下一個轉(zhuǎn)速值,如此反復(fù)實現(xiàn)掃描測量。在實驗的小節(jié)中,將展示初期的觸摸界面。

5 實驗

步進電機運轉(zhuǎn)速度和NJU39610的讀寫頻率是線性關(guān)系,因此保證NJU39610的讀寫頻率的穩(wěn)定性和線性度至關(guān)重要。我們使用ARM的PWM作為讀寫信號的頻率基準來控制步進電機的轉(zhuǎn)速,ARM的PWM頻率可以通過Linux驅(qū)動來修改,最終測量的頻率的誤差如圖5所示。

圖5 PWM頻率誤差測量結(jié)果

圖5中,橫軸表示ARM的PWM輸出頻率,縱軸為誤差,從圖中可以看出,計算出的PWM頻率誤差和實際測量出來的PWM頻率誤差的差值在所有的頻率范圍內(nèi)都是保持一致的,為0.013%,這個誤差是由ARM系統(tǒng)頻率的固定誤差導(dǎo)致的,是無法消除的。系統(tǒng)的另一個誤差是由于計算結(jié)果輸入到ARM的寄存器必須把浮點數(shù)取整所導(dǎo)致的。由于使用了嵌入式Linux系統(tǒng),資源充足,因此在實際的測量中,我們可以通過計算出寫入寄存器后數(shù)據(jù)對應(yīng)的實際頻率,并且以該實際頻率為基準計算粘度來消除這個誤差。因此對應(yīng)于電機旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的PWM頻率的誤差可以縮小到0.013%。這個誤差對粘度測量完全可以忽略。

ARM輸出的PWM脈沖到CPLD,CPLD內(nèi)部以此PWM為基準輸出NJU39610的寫時序,精確控制電機的轉(zhuǎn)速,而SRAM和CPLD的配合實現(xiàn)的細分讓電機在低轉(zhuǎn)速的情況下依然能夠平穩(wěn)的轉(zhuǎn)動。

系統(tǒng)的最終實驗圖如圖6,為了驗證系統(tǒng)的正常工作,我們用潤滑油進行了粘度測量實驗,首先假定其粘度為10000cP,用這個值進行轉(zhuǎn)子的校準,轉(zhuǎn)子校準完成以后,我們用這個轉(zhuǎn)子進行主界面的測量和自動測量界面的測量驗證。

圖6 實驗裝置圖

圖7 轉(zhuǎn)子校準界面

轉(zhuǎn)子校準的界面如圖7,通過設(shè)定轉(zhuǎn)速范圍,轉(zhuǎn)速間隔,校準液粘度等數(shù)值以后,啟動校準,系統(tǒng)自動用不同轉(zhuǎn)速對轉(zhuǎn)子的F值進行校準,圖中斜線為轉(zhuǎn)速值,水平曲線為當(dāng)前轉(zhuǎn)速的F值,水平的直線為F平均值,也是我們所取得轉(zhuǎn)速值。實驗結(jié)果可知轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)穩(wěn)定,計算出的F數(shù)在不同的轉(zhuǎn)速下有很高的穩(wěn)定性。表明了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。主界面如圖8所示,在該界面下我們設(shè)置轉(zhuǎn)速為10r/min,測量結(jié)果顯示,粘度在10 000cP附近,表示可以用校準后的轉(zhuǎn)子進行正常的測量。自動測量的界面如圖9,該界面可以自動測量設(shè)定好的轉(zhuǎn)速范圍,轉(zhuǎn)速間隔的各種轉(zhuǎn)速下的粘度值,并用圖表顯示,實驗結(jié)果表明,系統(tǒng)粘度測量穩(wěn)定,在不同的轉(zhuǎn)速值下,粘度測量結(jié)果穩(wěn)定可靠,滿足設(shè)計需求。

圖8 主測量界面

圖9 自動測量界面

傳統(tǒng)粘度計測量牛頓液體時,必須非常慎重的選擇轉(zhuǎn)速,因為扭矩和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的線性空間是有限的,本粘度計可以選擇較大范圍的進行掃描測量,直接找到最佳的線性度區(qū)間,測量出最佳線性范圍的粘度值,或者在最佳粘度范圍取平均得液體的粘度值,這對粘度測量的穩(wěn)定性和準確性都有較大的提升。

對于非牛頓液體,扭矩和轉(zhuǎn)速沒有良好的線性關(guān)系,傳統(tǒng)粘度計的少量的轉(zhuǎn)速取值是不夠的。由于本系統(tǒng)使用了高級的硬件配置和嵌入式Linux系統(tǒng),通過高密度的粘度自動掃描測量,此粘度計可以分析出牛頓液體的粘度-轉(zhuǎn)速曲線或流變曲線,這些曲線可以作為這種物質(zhì)的一種特征曲線,并且這些曲線可以保存到Flash,U盤中作為該液體的分析材料,或者發(fā)送給PC進行處理,同時,在不使用PC的情況下,可以通過在屏幕界面上直接觀察液體的相關(guān)曲線快速的對液體的流變特性進行簡單的分析,這對于傳統(tǒng)粘度計也是無法辦到的。

6 結(jié)論

通過搭建觸摸屏粘度計平臺,和相應(yīng)的驗證,我們了解到此粘度計具有高精度轉(zhuǎn)速控制,更好的操作體驗,自動掃描式測量,繪制液體粘度特性曲線等優(yōu)點。同時,此平臺是基于ARM和Linux設(shè)計的,具有很好的軟件、硬件功能可擴展性。比如,為系統(tǒng)添加網(wǎng)卡支持使粘度計具有聯(lián)網(wǎng)粘度在線測量的能力,添加打印機使粘度計具備自動測量報告打印等諸多功能,對粘度計的使用便捷度將有更大的提升。

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Design of Viscometer Based on Embedded Linux*

HUANGZhanhua*,SHENGang

(College of Precision Instrument and Optoelectronics Engineering,Tianjin University,Key Laboratory of Opto-electronics Information Technology(Tianjin University),Ministry of Education,Tianjin 300072,China)

Traditional viscometer has more vulnerability.It uses SCM to control so it has bad visual effect for it mainly uses B and W screen LCD;and it is operated based on inconvenient touch-tone switch;what’s more,there are less rotate speed gears for adjusting.In order to overcome these disadvantages,a new design of viscometer was proposed,whose hardware platform was built out by adopting ARM9,CPLD and touch screen,and software platform was based on Linux and QTE.It contains the accurate control system of the stepper motor subdivision,touch-screen interface and viscosity measurement methods.This viscometer has many advantages,such as intuitive touch operation,color display,free rotation rate control,automatic scanning measure,and rheological data analysis without PC.And it has good scalability.

viscometer;embedded Linux;scanning measure;touch screen;ARM

黃戰(zhàn)華(1965-),男,漢族,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向為光電圖像和光電子信息技術(shù),成像光學(xué)與顯示級光電探測技術(shù)與系統(tǒng),zhanhua@tju.edu.cn;

諶 剛(1991-),男,漢族,碩士,主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)及粘度計設(shè)計,gngshn@gmail.com。

項目來源:國家863計劃(2008AA04Z134)

2014-10-11 修改日期:2014-11-07

C:7320E

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.01.026

TH836

A

1004-1699(2015)01-0148-05