一種基于嵌入式Linux的磁場(chǎng)測量系統設計

　　1 引言

　　隨著(zhù)科技的發(fā)展，嵌入式操作系統在越來(lái)越多的領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)重要的作用，目前已成為產(chǎn)品技術(shù)水平的標志之一。其中Linux因為其擁有開(kāi)放性、多用戶(hù)、多任務(wù)、良好的用戶(hù)界面、豐富的網(wǎng)絡(luò )功能、可靠的系統安全和良好的可移植等特性被廣泛的應用到儀器測量設備中。

　　傳統的磁場(chǎng)測量設備(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(diǎn)。本文提出一種基于嵌入式Linux的中頻磁場(chǎng)測量系統，它不但可以滿(mǎn)足當前磁場(chǎng)測量數據采集的需要，還因為其嵌入了操作系統Linux，使具有可靠性好、升級方便的特點(diǎn)，既提高了磁場(chǎng)測量的準確性，又為儀器的功能升級帶來(lái)便利?？蓱糜趯?shí)驗室儀器，醫療儀器，姿態(tài)控制，安全檢測等需磁場(chǎng)檢測的領(lǐng)域。

　　2 磁場(chǎng)測量系統的硬件結構

　　磁場(chǎng)測量系統在硬件結構上采用ARM9作為控制器，與信號放大、整流濾波、程控放大等硬件構成了整個(gè)磁場(chǎng)測量系統。而且，測量系統還搭配了USB、RS232、以太網(wǎng)通信接口，系統通訊能力強，可實(shí)現網(wǎng)絡(luò )連網(wǎng)功能。其硬件結構如圖1所示。

　　ARM9嵌入式處理器采用三星公司的$3C2410。S3C2410是基于ARM920T內核的16/32位RISC嵌入式微處理器，主要面向手持設備以及高性?xún)r(jià)比，低功耗的應用。它采用5級流水線(xiàn)和全性能的MMU，同時(shí)該芯片集成了大量的功能擴展單元，例如LCD控制器、I2C總線(xiàn)、觸摸屏接口、USB接口等。強大的芯片功能簡(jiǎn)化了系統設計，不但縮小了系統體積，而且提高了系統的可靠性。

　　USB、RS232和以太網(wǎng)接口可為系統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(shí)現系統聯(lián)網(wǎng)功能。

　　在磁場(chǎng)測量系統中，可使用觸摸屏簡(jiǎn)便地對系統進(jìn)行控制，實(shí)現不同顯示方式切換、參數設置和測量數據保存等功能。

　　磁場(chǎng)測量電壓信號部分，由磁場(chǎng)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。

　　報警輸出可實(shí)現用戶(hù)自設定報警的上下限值，方便用戶(hù)測量現場(chǎng)的監控。

　　3 磁場(chǎng)測量系統前端信號處理模塊

　　磁場(chǎng)測量系統前端傳感器采用的測量方法為電磁感應法。電磁感應法是將測量線(xiàn)圈置入交變磁場(chǎng)中，根據法拉第電磁感應定律在線(xiàn)圈的引線(xiàn)間會(huì )產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，并且感應電動(dòng)勢的大小與穿過(guò)線(xiàn)圈的磁通量的大小成正比。感應電動(dòng)勢e為：

　　測量系統前端信號處理模塊的結構如圖2所示。

　　(1)為了實(shí)現多路磁場(chǎng)傳感器的信號輸入，設計中采用片選芯片74HCl5進(jìn)行通道的選擇。通過(guò)對74HCl53控制端S0，Sl輸入不同的數據組合(00，1O，0l，11)，輸出端lY和2Y就可實(shí)現不同輸入通道的選擇。

　　(2)在整個(gè)系統的電路設計中，前置放大電路的主要作用是將傳感器輸出的、和磁場(chǎng)強度成正比的微弱電壓信號放大。根據其要求，設計的前置放大電路采用了差動(dòng)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、失調小、溫漂小、線(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)。

　　(3)磁場(chǎng)測量系統對不同的測量對象進(jìn)行測量時(shí)，磁場(chǎng)傳感器的感應強度都會(huì )不同。要實(shí)現不同測量對象自適應量程的切換，必須設計一個(gè)放大倍數可調的模塊，而且放大倍數的范圍應較廣?，F采用BURR-BROWN公司的PGA202/203程控儀表放大器，該芯片無(wú)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(mǎn)足系統的需要。

　　(4)因磁場(chǎng)檢測時(shí)會(huì )受到環(huán)境中其它外部磁場(chǎng)的干擾而輸出偏移電壓，所以在電路設計中設有自動(dòng)調零電路，在每次儀器使用前進(jìn)行自動(dòng)校準。實(shí)現方法是在輸入端增加一個(gè)開(kāi)關(guān)，校準時(shí)輸入直接接地，測量時(shí)輸入接傳感器。主控制器將接地時(shí)的輸出記錄在數據區中，并將此輸出作為零點(diǎn)而實(shí)現自動(dòng)調零。

　　(5)該儀器檢測的是交變磁場(chǎng)，所以對磁場(chǎng)的頻率檢測是必需的。實(shí)現方法是將磁場(chǎng)檢測信號通過(guò)一個(gè)過(guò)零比較器變成方波，方波經(jīng)過(guò)二極管將正電壓部分送至單片機的輸入捕捉引腳進(jìn)行頻率檢測。

　　總之，前端信號處理模塊的設計關(guān)系到系統測量數據是否可靠和準確。在設計的過(guò)程中，遇到信號在程控放大倍數設置為1000的時(shí)候會(huì )出現失真的情況，究其原因，是器件PGA202的性能問(wèn)題導致。所以必須根據器件的性能參數選擇合適的放大倍數。

　　電壓的檢測也采用了在一秒的時(shí)間內取樣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：

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

　　4 嵌入式Liinux系統的設計

　　嵌入式Linux系統不是針對某個(gè)硬件平臺而開(kāi)發(fā)的，所以進(jìn)行Linux移植時(shí)必須針對相應的硬件對Linux內核加以裁減、修改和補充。磁場(chǎng)測量系統采用的是基于A(yíng)RM9內核的硬件平臺，下面介紹該硬件平臺下的Linux系統移植過(guò)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(kāi)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系統幾部分：編譯器gcc;二進(jìn)制工具binutils：標準c庫glibc;linux內核頭文件。

　　4.2 啟動(dòng)代碼的移植