基于嵌入式Linux的磁場測量系統(tǒng)

1 引言
    隨著科技的發(fā)展，嵌入式操作系統(tǒng)在越來越多的領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，目前已成為產(chǎn)品技術(shù)水平的標(biāo)志之一。其中Linux因為其擁有開放性、多用戶、多任務(wù)、良好的用戶界面、豐富的網(wǎng)絡(luò)功能、可靠的系統(tǒng)安全和良好的可移植等特性被廣泛的應(yīng)用到儀器測量設(shè)備中。
    傳統(tǒng)的磁場測量設(shè)備(持斯拉計、高斯計)普遍存在精度低(典型測量精度為1．5％)、操作不便等缺點。本文提出一種基于嵌入式Linux的中頻磁場測量系統(tǒng)，它不但可以滿足當(dāng)前磁場測量數(shù)據(jù)采集的需要，還因為其嵌入了操作系統(tǒng)Linux，使具有可靠性好、升級方便的特點，既提高了磁場測量的準(zhǔn)確性，又為儀器的功能升級帶來便利?？蓱?yīng)用于實驗室儀器，醫(yī)療儀器，姿態(tài)控制，安全檢測等需磁場檢測的領(lǐng)域。

2 磁場測量系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
    磁場測量系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)上采用ARM9作為控制器，與信號放大、整流濾波、程控放大等硬件構(gòu)成了整個磁場測量系統(tǒng)。而且，測量系統(tǒng)還搭配了USB、RS232、以太網(wǎng)通信接口，系統(tǒng)通訊能力強(qiáng)，可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連網(wǎng)功能。其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    ·ARM9嵌入式處理器采用三星公司的$3C2410。S3C2410是基于ARM920T內(nèi)核的16／32位RISC嵌入式微處理器，主要面向手持設(shè)備以及高性價比，低功耗的應(yīng)用。它采用5級流水線和全性能的MMU，同時該芯片集成了大量的功能擴(kuò)展單元，例如LCD控制器、I2C總線、觸摸屏接口、USB接口等。強(qiáng)大的芯片功能簡化了系統(tǒng)設(shè)計，不但縮小了系統(tǒng)體積，而且提高了系統(tǒng)的可靠性。
    ·USB、RS232和以太網(wǎng)接口可為系統(tǒng)提供不同的通信方式，適合不同測量環(huán)境和條件，以太網(wǎng)接口還可實現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)功能。
    ·在磁場測量系統(tǒng)中，可使用觸摸屏簡便地對系統(tǒng)進(jìn)行控制，實現(xiàn)不同顯示方式切換、參數(shù)設(shè)置和測量數(shù)據(jù)保存等功能。
    ·磁場測量電壓信號部分，由磁場傳感器得到微弱的電壓信號，經(jīng)放大整流等措施后輸入控制系統(tǒng)。
    ·報警輸出可實現(xiàn)用戶自設(shè)定報警的上下限值，方便用戶測量現(xiàn)場的監(jiān)控。

3 磁場測量系統(tǒng)前端信號處理模塊
    磁場測量系統(tǒng)前端傳感器采用的測量方法為電磁感應(yīng)法。電磁感應(yīng)法是將測量線圈置入交變磁場中，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律在線圈的引線間會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，并且感應(yīng)電動勢的大小與穿過線圈的磁通量的大小成正比。感應(yīng)電動勢e為：

   
    測量系統(tǒng)前端信號處理模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    (1)為了實現(xiàn)多路磁場傳感器的信號輸入，設(shè)計中采用片選芯片74HCl5進(jìn)行通道的選擇。通過對74HCl53控制端S0，Sl輸入不同的數(shù)據(jù)組合(00，1O，0l，11)，輸出端lY和2Y就可實現(xiàn)不同輸入通道的選擇。
    (2)在整個系統(tǒng)的電路設(shè)計中，前置放大電路的主要作用是將傳感器輸出的、和磁場強(qiáng)度成正比的微弱電壓信號放大。根據(jù)其要求，設(shè)計的前置放大電路采用了差動放大的方式，電路如圖3所示。它具有高共模抑制比、輸入阻抗高、輸出阻抗低、失調(diào)小、溫漂小、線性好等優(yōu)點。

    (3)磁場測量系統(tǒng)對不同的測量對象進(jìn)行測量時，磁場傳感器的感應(yīng)強(qiáng)度都會不同。要實現(xiàn)不同測量對象自適應(yīng)量程的切換，必須設(shè)計一個放大倍數(shù)可調(diào)的模塊，而且放大倍數(shù)的范圍應(yīng)較廣?，F(xiàn)采用BURR-BROWN公司的PGA202／203程控儀表放大器，該芯片無需外圍芯片，而且PGA202與PGA203經(jīng)級聯(lián)可組成從l~8000倍的16種程控增益。放大范圍可滿足系統(tǒng)的需要。
    (4)因磁場檢測時會受到環(huán)境中其它外部磁場的干擾而輸出偏移電壓，所以在電路設(shè)計中設(shè)有自動調(diào)零電路，在每次儀器使用前進(jìn)行自動校準(zhǔn)。實現(xiàn)方法是在輸入端增加一個開關(guān)，校準(zhǔn)時輸入直接接地，測量時輸入接傳感器。主控制器將接地時的輸出記錄在數(shù)據(jù)區(qū)中，并將此輸出作為零點而實現(xiàn)自動調(diào)零。
    (5)該儀器檢測的是交變磁場，所以對磁場的頻率檢測是必需的。實現(xiàn)方法是將磁場檢測信號通過一個過零比較器變成方波，方波經(jīng)過二極管將正電壓部分送至單片機(jī)的輸入捕捉引腳進(jìn)行頻率檢測。[!--empirenews.page--]
    總之，前端信號處理模塊的設(shè)計關(guān)系到系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)是否可靠和準(zhǔn)確。在設(shè)計的過程中，遇到信號在程控放大倍數(shù)設(shè)置為1000的時候會出現(xiàn)失真的情況，究其原因，是器件PGA202的性能問題導(dǎo)致。所以必須根據(jù)器件的性能參數(shù)選擇合適的放大倍數(shù)。
    電壓的檢測也采用了在一秒的時間內(nèi)取樣N次去掉最大和最小值然后取平均值的方法減少測量誤差。測量電壓V為：

   
    在系統(tǒng)設(shè)計時，也充分考慮了抗干擾的要求。在硬件的設(shè)計中，采取了同軸電纜作為傳輸媒質(zhì)、模擬地與數(shù)字地分開、光電隔離、系統(tǒng)加屏蔽罩等措施。軟件設(shè)計中加入數(shù)字濾波、定時自檢等措施抗干擾。

4 嵌入式Liinux系統(tǒng)的設(shè)計
    嵌入式Linux系統(tǒng)不是針對某個硬件平臺而開發(fā)的，所以進(jìn)行Linux移植時必須針對相應(yīng)的硬件對Linux內(nèi)核加以裁減、修改和補(bǔ)充。磁場測量系統(tǒng)采用的是基于ARM9內(nèi)核的硬件平臺，下面介紹該硬件平臺下的Linux系統(tǒng)移植過程和方法。
4．1 建立交叉編譯環(huán)境
    在進(jìn)行移植前，首先要建立開發(fā)平臺的ARM—Linux交叉編譯環(huán)境。linux下的交叉編譯環(huán)境主要包括針對目標(biāo)系統(tǒng)幾部分：編譯器gcc；二進(jìn)制工具binutils：標(biāo)準(zhǔn)c庫glibc；linux內(nèi)核頭文件。
4．2 啟動代碼的移植
    啟動代碼主要完成硬件檢測和系統(tǒng)引導(dǎo)，建立內(nèi)存空間映射圖，為正確調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核做好準(zhǔn)備。系統(tǒng)加電后，由引導(dǎo)代碼進(jìn)行基本的硬件初始化，然后把內(nèi)核經(jīng)映像裝入內(nèi)存運(yùn)行。啟動代碼必須針對不同的硬件而設(shè)計，本測量系統(tǒng)選擇了當(dāng)前流行的U-BOOT引導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行了修改移植。
    U-BOOT的啟動具體可分為兩個階段，分別為硬件的初始化和內(nèi)核調(diào)用的準(zhǔn)備。U—BOOT為開源軟件，可找到很多接近目標(biāo)開發(fā)板的參考程序。本系統(tǒng)在參考韓國某公司開發(fā)的VIVI啟動代碼的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改和移植，減少了開發(fā)時間且代碼健壯性好。
4．3 Linux內(nèi)核的移植
    Linux內(nèi)核的移植是整個嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵部分。Linux內(nèi)核移植需要完成內(nèi)核與啟動代碼的銜接部分的移植以及硬件相關(guān)部分的移植，如CPU、中斷控制器、定時器、內(nèi)存控制器等的移植。根據(jù)磁場測量系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，Linux內(nèi)核的移植分為以下四個步驟：
    (1)首先是選擇內(nèi)核版本、建立交叉編譯環(huán)境。本系統(tǒng)選擇的Linux內(nèi)核版本為2．4．18，交叉編譯工具選擇arm-1inux-gcc 3．3．2；
    (2)然后是配置和編譯內(nèi)核，針對硬件對源碼作必要的修改。①先修改根目錄下的Makefile文件，分別指定目標(biāo)平臺為ARM和指定交叉編譯器是arm-1inux-gcc 3．3．2；②接著對linux內(nèi)核進(jìn)行配置，此過程必須根據(jù)系統(tǒng)硬件和功能進(jìn)行裁剪。進(jìn)入linux內(nèi)核目錄輸入命令make menuconfig，其配置方式為通過圖形方式進(jìn)行配置，對驅(qū)動程序進(jìn)行裁剪；③配置完成后保存退出，輸入Make命令，編譯成功后會在arch／arm／boot目錄中生成內(nèi)核的鏡像；
    (3)接著制作根文件系統(tǒng)并掛載。要實現(xiàn)程序固化，還必須將程序和模塊添加到根文件系統(tǒng)中。在程序的設(shè)計中，本系統(tǒng)主要是使用軟件QT進(jìn)行觸摸屏界面的開發(fā)和相關(guān)功能的設(shè)計；
    (4)最后是下載、調(diào)試內(nèi)核并運(yùn)行。

5 結(jié)語
    電磁測量已廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)，隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，對磁場測量系統(tǒng)的精度和擴(kuò)展功能要求越來越高。本文的創(chuàng)新之處是將當(dāng)前流行的嵌入式Linux系統(tǒng)和磁場測量技術(shù)結(jié)合起來，構(gòu)建了一個系統(tǒng)功能豐富、易用性好且擴(kuò)展功能強(qiáng)的智能化磁場測量系統(tǒng)。在實際應(yīng)用中可提高測量系統(tǒng)的實時性和多任務(wù)處理的能力，符合當(dāng)前測量發(fā)展的需要。