基于ARM11的粉体动态定量称重控制器设计

王 莉，牛群峰，张治功，惠延波

(河南工业大学电气工程学院，河南郑州 450001)

0 引言

近年来嵌入式技术得到了迅猛发展，嵌入式微处理器具有体积小、低功耗、软硬件可裁剪、成本低等优点，嵌入式软件系统主要是针对操作系统而言，不同场合和应用领域可以选择不同的操作系统，常见的有嵌入式Linux系统、Widonws CE、实时系统VxWorks和μC/OS-II等。Linux系统属于开源系统，内核可以任意裁剪移植，几乎支持所有的硬件驱动程序和网络协议，有很好的应用性。文中基于嵌入式控制技术，采用ARM11嵌入式控制器，以Linux为软件平台设计了一种粉体动态定量称重控制器，实现油脂加工企业豆粕等粉体物料参数设置、在线动态定量称重和远程称重过程监控管理等功能。

1 系统总体设计

系统采用嵌入式微处理器作为现场称重控制器的控制核心，总体方案结构框图如图1所示。整个系统由称重传感器、智能仪表和执行秤体部件组成。智能仪表包括嵌入式微处理器、触摸屏、信号调理电路、通讯接口等外围扩展模块；执行秤体部件包括气缸、快中慢放料斗、称重斗等部件。

图1 总体方案结构框图

2 控制器硬件结构设计

系统控制器控制核心采用ARM11芯片S3C6410。S3C6410处理器采用ARMv6架构，是一个16/32位RISC微处理器，有丰富的内部资源，采用64/32位内部总线架构，64/32位内部总线结构由AXI、AHB和APB总线组成，存储器系统具有双重外部存储器端口、DRAM和FLASH/ROM/DRAM端口。S3C6410包括很多片上功能外设：Camera接口，TFT24bit真彩色LCD控制器，系统管理单元(电源时钟等)，4通道的UART，32通道的DMA，4通道定时器，通用I/O口，I2S总线，I2C总线，USB Host，高速USB OTG，SD Host 和高速MMC卡接口以及内部PLL时钟发生器，处理器方便外部扩展。

(1)处理器主模块：系统电源模块采用LTC3406，ARM Core的供电电压为1.1 V，DDR为1.8 V.复位电路采用IMP811TEUS芯片，它可以提供稳定的触发信号，将机械按键转化为复位信号，为处理器提供复位重启信号。S3C6410内部有3个PLL，分别是APLL、MPLL、EPLL.经过分频可以得到各种相应的时钟源，如Nand时钟发生器、MFC时钟发生器，用于UART和SPI的时钟发生器等。文中采用12 MHz晶振。

(2)内存与外部存储电路：S3C6410内部有DRAM控制器，支持多种内存。可以支持SDR SDRAM，动态SDR SDRAM，DDR SDRAM 和动态DDR SDRAM。文中采用动态DDR SDRAM，型号为K4X51163PG-FGC6。

(3)外部存储Nand电路：相对于Nor Flash来说，Nand Flash的价格更便宜，所以一般都从Nand中启动引导系统，然后在内存上执行主程序代码。S3C6410支持Nand引导，硬件实现了将Nand Flash 中前8 K的内容搬到内存中执行，然后在跳到内存中执行。所以写程序时，前面8 K的程序要写成引导程序。文中选用Nand Flash 为K9F2G08，大小为256 M，能够存储较大的程序与数据。

(4)信号调理模块：粉体动态定量称重控制器采用多个称重传感器分布安装在称重斗上，控制器采用托利多的拉压式S型传感器，信号放大电路设计中AD588BQ芯片产生精准的10．000 V桥激励电压，OP213放大器满足称重传感器的小范围输入，因此减小非线性误差。

(5)A/D转换器：经过调理后的传感器信号送入S3C6410自带的A/D转换模块，进行模数转换。S3C6410采用8通道复用的ADC转换，10位分辨率，最大采样频率1 MHz，最大转换率为可达500 kSPS.

(6)LCD显示与触摸屏：系统采用的LCD液晶显示屏为4.3英寸，分辨率为640×480。S3C6410有专用的LCD控制器，控制器的数据端口和控制信号在GPI管脚和GPJ管脚上复用管脚，将GPICON和GPJCON控制寄存器设为10，驱动接口有4种，采用RGB接口。

(7)通讯模块：S3C6410提供有4个独立的串行UART端口。每个端口可以通过中断或DMA的方式与CPU进行数据交换。串行通信接口标准是RS-232C，通过串行通信能够使仪表实现通信同时完成组网。通过MAX232和SP3232都能够实现电平转换。对于带有以太网接口的智能仪表可以在工业现场组网成Ethernet总线，也可以接入Internet网络。S3C6410内部没有集成以太网控制器，系统采用DM9000以太网控制器。

3 软件设计

控制器整体软件设计包括Linux系统搭建、嵌入式驱动程序设计、触摸屏图形界面设计、应用程序设计和算法研究实现等[3]。

3．1 Linux系统搭建

u-boot移植：BootLoader就是启动加载程序，因为CPU上电启动以后要进行一部分硬件的初始化等操作，再来引导Linux操作系统启动。u-boot是BootLoader的一种，它可以支持多种处理器、多种操作系统。u-boot要完成的主要功能有：初始化SDRAM(DDR)，从Flash上读出内核，初始化时钟，关看门狗，硬件相关的初始化(如网卡和串口)等。控制器用到的开发环境与工具有Ubuntu10．10、交叉编译器arm-linux-gcc-4．3．2、u-boot1．1．6源码。在Linux服务器上安装交叉编译工具链arm-linux-gcc-4．3．2，用解压缩命令将其解压到/usr/local/arm目录下，然后就可以使用arm-linux-gcc命令来编译程序。编译u-boot时，首先要下载u-boot1．1．6源码，然后放到Ubuntu10．10服务器上解压缩，最后配置之后用arm-linux-gcc命令编译。编译之后会生成system．map、u-boot elf/u-boot．bin、和u-boot．srec4个文件，此时将生成的u-boot．bin二进制文件下载到Nand中。u-boot启动之后可以通过串口观察到启动信息如图2所示。

图2 u-boot移植后启动界面

Linux内核的移植与裁剪：u-boot启动之后会加载内核镜像，加载之后就将控制权交给内核。但是对于启动的过程来说内核最终要挂接根文件系统，内核也需要对源码进行修改配置、编译之后才能使用。移植前下载Linux内核，文中采用的版本是2．6．36．2。将下载好的内核源码Linux2．6．36．2．tar．gz放到Linux服务器Ubuntu10．10上，解压缩。然后完成修改顶层的Makefile文件，配置内核，生成内核镜像文件，启动内核等工作。启动界面见图3。

图3 u-boot移植后启动界面

制作根文件系统：Linux的根文件系统存放系统启动所必须的文件，如内核的镜像文件、内核启动后要运行的第一个程序init、给用户提供界面的shell、以及应用程序所依赖的库，这些集合统称为根文件系统。Linux文件系统的选择与硬件相关，因为仪表中需要大量的数据存储，所以使用Nand Flash存储器，而YAFFS格式的文件系统最合适Nand Flash。确定制作1个YAFFS文件系统作为根文件系统。制作并移植根文件系统的步骤包括创建目录、创建节点、安装glibc库、制作镜像文件等，最后烧写到nand相应的分区。根文件系统移植后界面如图4所示。

图4 根文件系统移植后界面

3．2 嵌入式驱动程序设计

S3C6410的A/D转换器AIN0-AIN3为模数转换正常通道，AIN4-AIN7为触摸屏通道。A/D转换的驱动程序是该控制器的核心驱动，关系到仪表采集数据的精度。该控制器A/D驱动是字符设备驱动，包括cdev结构体创建设备号、定义file_operations结构体、填充file_operations结构中的成员函数、填写注册和卸载驱动模块函数、模块声明加载与卸载等步骤，驱动程序编写完成之后用make module命令编译成模块生成1个．KO文件，然后将这个．KO文件放到服务器上下载到文件系统中，最后用insmod命令加载驱动，之后应用程序就能够调用驱动读取AD转换的数据。

触摸屏的驱动与A/D转换驱动的结构相同，只要将A/D转换的模式设置成自动X|Y位置转换模式即可。需要注意的是触摸屏与A/D共用一个中断，同时使用时，在A/D转化时会导致触摸屏不能使用，解决的方法是在ADC驱动里，开始A/D转换前屏蔽触摸屏中断，转换完后再开中断。

Linux为显示设备专门提供了一类驱动程序，叫帧缓冲(FrameBuffer)设备驱动。实际操作中用户只要在显示缓冲中填写要显示的数据，帧缓冲驱动所做的工作主要是：编写初始化函数初始化LCD控制器，然后分配一片缓冲区空间将起始地址给LCD控制器，最后注册fb_info结构体。填充fb_info结构体中函数指针fb_ops的结构成员。

3．3 嵌入式应用程序设计

系统整个工作流程：秤体模式、空中量等参数设置后，控制快中慢放料斗实现快、中、慢三级给料，将称重传感器的实时信号经信号调理之后送给微处理器，微处理器根据传感器数据，当物料达到设定值时关闭上面的放料斗，称重斗卸料，如是包装秤，控制夹住包装袋，包装完成后松袋，完成称量工作。参数设置、称量结果等数据在触摸屏显示，工作过程参数和数据可以通过通讯接口传给上位机，也可以通过打印口输出。整个工作过程根据控制程序和算法，实现粉体物料参数设置、在线动态定量称重和远程称重过程监控管理等功能，在保证称重精度的前提下，提高了称重速度。控制器软件流程图如图5所示。

图5 控制器软件流程图

3．4 数据滤波和空中量自动修正算法

该控制器的信号波动具有周期性，且在拐角地方具有突变性，经过分析各种滤波算法的优缺点后，采用滑动平均滤波算法对干扰有良好的抑制。

控制器采用三级给料装置，以大幅减少落料冲击力和空中落料误差引起的计量误差。仪表最后显示的称重数值为停慢进、关进料门后，停慢进时刻实测数值加上空中落料之和。此外，设计了一种空中量自动修正算法，使控制器进行几次称重计量后，误差精确地控制在要求范围之内。

算法每进行一组称重计量，实时迭代称重误差，修正空中量，使误差快速收敛到系统满足的最小误差值，迭代结束。空中量初始值、修正次数、修正幅度进行初始化设置。

算法的具体实现：根据用户设定的修正次数CORRECT_NU，如CORRECT_NU=4，那么每当称量4次为一组，将其每次误差值(实际的重量减去设定值，有正有负)加和平均。然后根据设定的修正幅度(小于修正的次数)SCOPE_NU得出修正后的误差值AF_COR= XSCOPE_NU/CORRECT_NU。最后将此误差值作为下一组称重计量的空中量修正值，作为新的空中量，进行下一组称量，误差达到设定值结束迭代。

空中量自动修正算法子程序：

#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 结束语

文中设计了一种基于ARM11的粉体动态定量称重控制器。详细介绍了该仪器的硬件组成和软件设计。该仪器采用ARM11嵌入式控制器，以Linux为软件平台完成了A/D转换，触摸屏等驱动程序及应用程序的编写，研究数据滤波和称重误差修正算法以提高称重精度，实现油脂加工企业豆粕等粉体物料参数设置、在线动态定量称重和远程称重过程监控管理等功能。该仪器具有体积小、精度高、功能可扩展等优点，为粉体物料动态计量手段提供一种有效途径。该仪器可根据不同行业需求，在软件上稍作更改即可进行功能扩充或修改，应用于加工过程中需要动态定量称重的许多行业，应用前景广泛。

参考文献：

[1] 牛群峰，王莉．基于ARM9的粮食在线计量智能控制系统．仪表技术与传感器．2011 (12)：70-72．

[2] 赵广平，孙雯萍，孙建军．电子称重技术现状及发展趋势．仪表技术与传感器，2007 (7)：76-77．

[3] 张治功．嵌入式粉体计量管理控制技术研究：[学位论文]．郑州：河南工业大学，2013.