（信号与信息处理专业论文）基于arm的激光粒度仪嵌入式控制系统.pdf

l a s e rp a r t i c l es i z ea n a l y z e re m b e d d e dc o n t r o ls y s t e m b a s e do na r m g a o c h e n g - n a n u n d e rt h es u p e r v i s i o no f j i a n g h a i y i n g at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n gs c i e n c e u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y ，2 0 1 2 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：高栽南 日期：2 。j 2 耳s 周了。j i l 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 出开 口保密( 年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名：高栽青导师签名：三2 睨 日期：2 。j 2 年s 月36 目 济南大学硕士学位论文 目录 第一章概述1 1 1 嵌入式系统概述1 1 1 1 嵌入式系统的定义1 1 1 2 嵌入式系统的应用1 1 2 激光粒度仪的原理及研究现状。2 1 3 课题研究的意义及主要创新点。4 1 3 1 课题研究的目的及意义4 1 3 2 课题研究的主要创新点5 1 4 论文的组织结构6 第二章激光粒度仪控制系统总体框架设计7 2 1 激光粒度仪控制系统的组成结构。7 2 2 激光粒度仪控制系统需求分析。8 2 3 激光粒度仪控制系统总体框架设计9 2 4 控制系统硬件设计1 1 2 4 1 硬件总体架构。1 1 2 4 2 主控模块硬件设计1 2 2 4 3 显示模块硬件设计。1 2 2 4 4 其他外围控制电路硬件设计1 4 2 5 本章小结1 5 第三章激光粒度仪控制系统底层软件设计1 6 3 1 引导加载程序1 6 3 1 1b o o t l o a d e r 简介1 6 3 1 2u b o o t 分析与移植17 3 2 嵌入式操作系统2 1 3 2 1 粒度仪控制系统软件总体实现方案一：w i n d o w sc e + e v c 2 1 3 2 2 粒度仪控制系统软件总体实现方案二：嵌入式l i n u x + q t 2 3 3 3 嵌入式l i n u x 内核移植以及根文件系统构建2 5 3 3 1 嵌入式l i n u x 内核移植2 5 基于a r m 的激光粒度仪嵌入式控制系统 3 3 2 嵌入式l i n u x 根文件系统构建2 7 3 4 激光粒度仅嵌入式控制系统驱动程序开发3 0 3 4 1 粒度仪超声器驱动程序。3 2 3 4 2t f t 液晶屏驱动程序3 4 3 5 本章小结3 9 第四章激光粒度仪控制系统应用软件总体设计4 0 4 1p c 端开发环境的建立4 0 4 1 1p c 机操作系统环境4 0 4 1 2o r 4 5 3 开发环境的建立4 2 4 2 嵌入式q 吒应用程序开发流程4 3 4 3 粒度仪控制系统应用软件总体设计4 3 4 3 1 粒度仪自动控制模块业务流程4 4 4 3 2 其他功能模块业务流程。4 5 4 4 本章小结4 7 第五章激光粒度仪控制系统应用软件详细实现4 8 5 1 系统应用软件源代码目录结构及调试平台4 8 5 2 系统开机界面及用户登录模块5 l 5 3 粒度仪控制系统主窗口5 2 5 4 初始参数设置5 3 5 5 通信模块5 4 5 6 测试模块5 5 5 7 超声模块5 8 5 8 本章小结6 0 第六章结论与展望6 1 参考文献。6 3 致 射6 6 附录6 7 济南大学硕士学位论文 摘要 颗粒的大小和分布称为粒度，它是很多以颗粒形态存在的原料或制品的一项重要指 标。激光粒度仪是目前市场上应用最为广泛的粒度测量仪器之一。传统的激光粒度仪大 多是采用普通p c 机作为人机界面进行控制，通过u s b 或r s 2 3 2 串1 2 1 进行数据传输， 控制单片机执行各项操作，这造成仪器的体积偏大、成本偏高。 近年来随着微电子技术的发展，嵌入式微处理器技术迅猛发展，3 2 位微处理器随着 其广泛应用继续走向繁荣，嵌入式技术以其简洁、高效等特点被广泛应用于智能仪器领 域。a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 嵌入式微处理器，以其完善的体系结构，极低的成 本、极低的功耗、极高的性能，及可根据嵌入对象的不同进行功能上的扩展的优势，在 众多种类的嵌入式微处理器中脱颖而出。这使得利用嵌入式技术实现激光粒度仪的智能 控制、便携、一体化设计成为可能。为了进一步提高激光粒度仪的性能，减小粒度仪的 体积，提升粒度测试数据的可靠性，本设计采用由韩国三星公司生产的s 3 c 6 4 1 0 嵌入式 微处理器，并定制了与之配套的软硬件系统平台，设计出用于数据处理和结果显示的应 用程序软件以及系统的人机交互界面，最终完成新型便携式激光粒度仪的设计。 本论文的主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 完成新型便携式激光粒度仪控制系统的总体设计方案，通过对嵌入式l i n u x 与w i n d o w sc e 操作系统以及各类嵌入式微处理器的对比分析后，最终制定了以 $ 3 c 6 4 1 0 为微处理器、嵌入式l i n u x 做为仪器核心操作系统、使用q t 4 完成系统应用软 件开发的系统总体设计方案。 ( 2 ) 完成嵌入式l i n u x 系统在a r m 核心板上的剪切与移植、q t 4 开发环境的搭建 以及部分底层驱动程序的编写，其中重点解决了嵌入式l i n u x 系统下8 4 寸液晶触摸屏 的驱动以及q t 4 库文件交叉编译的问题。 ( 3 ) 利用q t 4 5 3 完成激光粒度仪控制系统应用软件的开发，包括初始参数设置、 测试结果的动态显示、存储、超声以及数据处理等模块。 ( 4 ) 最后，利用北京中芯优电有限公司提供的$ 3 c 6 4 1 0 嵌入式开发板运行调试整 个控制系统开发过程中涉及的所有软件，并给出了实际运行结果。 关键词：激光粒度仪，嵌入式操作系统，a r m ，q t 济南大学硕士学位论文 a b s t r a c t p a r t i c l es i z ei st h es i z ea n dd i s t r i b u t i o no fp a r t i c l e i ti sa l li m p o r t a n ti n d i c a t o ro fg r a n u l a r f o r mr a wm a t e r i a l s l a s e rp a r t i c l es i z ea n a l y z e ri so n eo ft h em o s tw i d e l yu s e dp a r t i c l es i z e m e a s u r i n gi n s t r u m e n t sa tp r e s e n t t h et r a d i t i o n a ll a s e rp a r t i c l es i z ea n a l y z e ri sc o n t r o l l e db ya p cw h i c hs e n d i n gc o m m a n d st ot h em i c r o c o n t r o l l e rt h r o u g hu s bo rr s 2 3 2s e r i a lp o r t t h i s i n c r e a s e st h ec o s ta n ds i z eo ft h ei n s t r u m e n t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , 3 2 - b i te m b e d d e d s y s t e mh a sa r c h i v e dh i g h l yg r o w t h e m b e d d e dt e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di ni n t e l l i g e n t i n s t r u m e n t sf i e l df o ri t ss i m p l ea n de f f i c i e n t a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) e m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o r , w i t hi t sp e r f e c ta r c h i t e c t u r ea n dm a n y o t h e ra d v a n t a g e s ，s t a n d i n go u ti nm a n y k i n d so fe m b e d d e dm i c r o c o n t r o l l e rp r o c e s s o r s t h ei n t e l l i g e n t , p o r t a b l ea n di n t e g r a t i o no f l a s e rp a r t i c l es i z ea n a l y z e rb e c o m ep o s s i b l e t h i sd e s i g nu s e st h e $ 3 c 6 410m i c r o p r o c e s s o r , w h i c hi sp r o d u c t e db yt h es o u t hk o r e a nc o m p a n ys a m s u n ge l e c t r o n i c s ，a n dc u s t o m i z e st h e a c c o m p a n y i n gh a r d w a r ea n ds o r w a r ep l a t f o r m ，a l s od e s i g n st h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r eu s e df o r d a t ap r o c e s s i n ga n dr e s u l t sd i s p l a ya n dm a n - m a c h i n ei n t e r f a c eo ft h es y s t e m c o m p l e t et h e d e s i g no fn e wp o r t a b l el a s e rp a r t i c l es i z ea n a l y z e ra tl a s t t h ew o r ko f t h i sp a p e ri n c l u d e st h ef o l l o w i n gr e s p e c t s ： ( 1 ) c o m p l e t et h eo v e r a l ld e s i g no ft h el a s e rp a r t i c l es i z ea n a l y z e rc o n t r o ls y s t e m b y c o n t r a s ta n a l y s i so ne m b e d d e dl i n u xa n dw i n d o w sc eo p e r a t i n gs y s t e ma n dav a r i e t yo f e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r s ，e v e n t u a l l y , e s t a b l i s h e dt h ef o l l o w i n gd e s i g n ：u s e $ 3c 6 4 10a st h e m i c r o p r o c e s s o r , a n du s ee m b e d d e dl i n u xa st h ec o r eo p e r a t i n gs y s t e m ，u s eq t 4t od e v e l o pt h e a p p l i c a t i o ns o f t w a r e ( 2 ) c o m p l e t et h ec u t t i n ga n dt r a n s p l a n t a t i o no fe m b e d d e dl i n u xs y s t e mo na r mc o r e b o a r d ，a n dt h ep r e p a r a t i o no fq t 4d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t a n dc o m p l e t et h ed e v e l o p m e n t o fs o m el o w - l e v e ld e v i c ep r o g r a m t h i sp a r tf o c u s e do ns o l v i n gt h ef o l l o w i n gp r o b l e m s ：8 4 i n c hl c dt o u c hs c r e e nd r i v e ri ne m b e d d e dl i n u xs y s t e ma n dq t 4l i b r a r yf i l e sa f t e rc r o s s c o m p i l e ( 3 ) d e v e l o pt h ep a r t i c l es i z ea n a l y z e rc o n t r o ls y s t e ma p p l i c a t i o ns o f t w a r eu s i n gq t 4 5 3 t h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ei n c l u d i n gi n i t i a lp a r a m e t e rs e t t i n g s ，d y n a m i cd i s p l a yo ft e s tr e s u l t s ， s t o r a g e ，u l t r a s o m c ，a n dd a t ap r o c e s s i n gm o d u l e ( 4 ) f i n a l l y , d e b u g g i n ga n dr u n n i n ga l lt h es o t b c c a r eb y $ 3c 6 410e m b e d d e dd e v e l o p m e n t b o a r dp r o v i d e db yb e i j i n gt o p e l e cc o ，l t d ，a n dg i v e st h ea c t u a lo p e r a t i o nr e s u l t s k e yw o r d s ：l a s e rp a r t i c l es i z ea n a l y z e r ；e m b e d d e ds y s t e m ；a r m ；q t 1 1 嵌入式系统概述 第一章概述 人们把一种精简的，为特定应用而设计的专用计算机系统称为嵌入式系统 ( e m b e d d e ds y s t e m ) 。而通用计算机，如个人电脑( p c ) ，可以满足广泛的最终用户的 应用需求。一个典型的嵌入式系统通常包括微处理器或者d s p ，它的核心功能往往是处 理一项特殊的任务【1 1 ，所以设计人员能够对嵌入式系统进行优化裁减，从而减小尺寸降 低成本。 1 1 1 嵌入式系统的定义 广义上来讲嵌入式系统就是专用计算机系统的统称，它包括除通用计算机外的所有 计算机系统【2 】。嵌入式系统是软硬件技术高度集成的结合体，硬件通常包括微处理器、 存储器、供电模块以及其他外设；软件通常包括引导加载程序、嵌入式操作系统以及上 层应用程序。 目前国内对嵌入式系统的定义较多，通常会把以应用为核心、以计算机技术为基础、 软件硬件均可剪裁、并适应系统对功耗、成本、功能、体积、可靠性等诸多严格要求的 专用计算机系统称为嵌入式系统3 1 。 1 1 2 嵌入式系统的应用 嵌入式系统在国防、军事工业，信息家电、民用设备，工业领域特别是其中的智能 仪表领域，商业及办公自动化等领域内都有着广泛的应用，嵌入式技术在各行各业中的 应用如图1 1 所示。很多嵌入式系统有一个和p c 机通信的接口用以“维护”或者“测 试”，一般通过r s 2 3 2 进行通信，此类嵌入式系统相对简单一般应用在工业控制领域。 目前，嵌入式系统正逐渐开始拥有屏幕触摸感应和友好的人机交互界面，并且随着触摸 屏技术的快速发展，此类嵌入式系统正在被越来越多的应用在智能仪器和消费电子等领 域。 本课题正是嵌入式技术在智能仪器领域的一个典型应用，现行的嵌入式技术使仪器 不直县筛苴的石吾件空蚀而县能铭白j ：窖虎斯棍粱焦、智能俞新、钋理和昂呆 # 日界而 基于a r m 的激光粒度仪嵌入式控制系统 友好、操作方便的软硬件的结合体。 固 e 困 臣困 臣固 磊习 i _ j 图1 1 嵌入式系统在各行各业中的应用 1 2 激光粒度仪的原理及研究现状 在粉体测量学科中，颗粒一般是指单个尺寸在毫米以下甚至微米级的微小固体微粒 ( 粒子) 。显然如此微小的颗粒的大小无法通过常规测量方法获得，为了克服这一难题， 人们先后发明了多种测量粉体粒径的方法，其中应用较为广泛的有沉降法、筛分法、激 光衍射散射法等【4 】。激光粒度仪是一种利用激光衍射散射法进行粒度分布测试的仪器， 自上世纪八十年代以来，激光粒度测量技术在理论上日趋成熟。相比其他传统测量方法 它有粒径范围宽、测量速度快、重复性好、操作方便等诸多优点，目前激光粒度仪已成 为市面上最流行的粒度测量仪器之一。 激光粒度仪是依据光的衍射( 散射) 现象而设计的，当激光光束遇到颗粒时会在颗 粒表面发生衍射，即会有部分光的传播方向发生偏离【6 1 。微粒越大，其偏离量越小；微 粒越小，其偏离量越大【5 1 ，如图1 2 所示。所以根据采集到的激光束遇到微粒发生衍射 后的光谱信息，经过一定的计算机算法处理之后，就可以计算出粉体样品的粒度，这被 称为粒度的反演运算。 一 小尊蠹校产生缝教糖角戈 竞獭鲢产是的敲舫惫小 图1 2 光的衍射现象示意图 0 l ， 目前，现有的便携式激光粒度仪控制系统普遍采用单片机做为核心控制模块，仪器 的人机界面、数据处理、控制电路全部由单片机完成 9 1 。j l 9 2 0 0 型便携式激光粒度分析 仪是由济南微纳仪器有限公司生产的市场上较为常见的便携式激光粒度仪【1 2 1 ，j l 9 2 0 0 实物图如图1 3 所示。 图1 3j l 9 2 0 0 型激光粒度分析仪 j l 9 2 0 0 型激光粒度仪控制系统的核心处理器采用a t 8 9 s 5 2 型单片机，由于其处理 速度较慢，往往完成一次数据处理过程需要1 0 s 甚至更长时间，并且使用老式l c d 显 示粒度测量结果，人家交互界面的用户体验较差。由于当前市面上的便携式激光粒度仪 基于a r m 的激光粒度仪嵌入式控制系统 i i i i i 普遍存在这些缺点，这使得此类仪器并没有在市场上得到广泛应用。 激光粒度仪技术在国内的起步相对较晚 8 1 。最早是天津大学承接国家六五科技 攻关项目，开始激光粒度仪的研制，并于1 9 8 7 年通过国家科技部的技术鉴定。随后重 庆大学、山东建材学院( 现更名为“济南大学”) 、上海机械学院( 现更名为“上海理工 大学 ) 、丹东仪器仪表研究所等单位相继展开激光粒度仪的研制工作。目前中国市场上 国产激光粒度仪的占有率已经达到8 0 以上【1 0 1 ，并且还在快速增长。在国内粒度仪厂家 中成都精新粉体测试设备有限公司【7 】、欧美克科技有限公司、济南微纳仪器有限公司【1 2 1 、 丹东百特仪器有限公司等几个公司是中国粒度测试仪器的主要生产商。 1 3 课题研究的意义及主要创新点 1 3 1 课题研究的目的及意义 传统的激光粒度仪大多是采用普通p c 机作为控制终端，通过u s b 或r s 2 3 2 串口和 粒度仪内部的控制器进行数据通信，控制单片机微控制器执行各项操作，这造成仪器的 体积偏大、成本偏高。 近年来随着半导体技术的迅猛发展，3 2 位微控制器和f p g a 也随着其广泛应用继 续走向繁荣，因为a r m 系列嵌入式微处理器具有极低的成本、极低的功耗、极高的性 能、自身体系结构发展体系较为完善等诸多优势，使它被广泛应用在信息家电、智能仪 器等众多领域。这使得利用嵌入式技术实现激光粒度仪的智能控制、便携、一体化设计 成为可能。为了进一步提升粒度测试数据的可靠性，减小粒度仪的体积，提高激光粒度 仪的性能，本设计采用$ 3 c 6 4 1 0 微处理器，并定制了与之配套的嵌入式操作系统平台， 开发出用于数据处理和粒度测试结果显示的应用程序软件作为系统人机交互界面【5 】，最 终完成新型便携式激光粒度仪的设计。基于a r m 的激光粒度仪嵌入式控制系统使粒度 仪在结构上更加紧凑，提高了仪器的抗干扰能力和封闭性：另外人机交互界面由q t 开 发完成，操作便捷，具有良好的用户体验。本课题作为嵌入式系统在智能仪表领域的一 个典型应用，涉及到系统硬件设计、嵌入式l i n u x 操作系统的移植、底层驱动程序的开 发、上层应用软件的开发等诸多嵌入式开发的典型过程，不仅实现了激光粒度仪的智能、 便携一体化设计，而且对于其他领域( 特别是在工业自动化领域) 的嵌入式系统设计同 样具有很大的借鉴意义。 济南大学硕士学位论文 1 3 2 课题研究的主要创新点 现有便携式激光粒度仪由于自身的诸多不足，目前在市场上尚未得到广泛应用。目 前，市场上主流的激光粒度仪仍然采用p c 机作为控制端，数据处理和人机交互操作均 在p c 端进行。 图1 4 传统激光粒度仪电路总体框图 传统激光粒度仪控制系统电路总体框图如图1 4 所示，其中p c 机负责数据处理和 人机界面，单片机1 负责数据采集，单片机2 负责外围电路控制。具体控制过程如下， 采集电路采到的数据经过u s b 总线传输给p c 机，经过p c 机的运算后再把处理后得到 的结果数据在p c 机屏幕界面上显示。p c 机控制端发出控制命令，经u s b 总线传输给 单片机1 ，单片机1 分析命令后，再通过r s 2 3 2 串口传送给单片机2 ，单片机2 根据命 令做出那种控制动作。传统激光粒度仪主要存在以下缺点： ( 1 ) 使用粒度仪时必须连接p c 机，设备体积大，操作繁琐，成本较高。 ( 2 ) 数据传输过程容易出现错误影响系统稳定性和精确度。 ( 3 ) 由于单片机的局限性，如片内资源有限、处理执行速度低，无法执行复杂算法等 原因，传统的激光粒度仪不得不采用p c 机作为数据处理和人机交互的控制端。 为了克服现有激光粒度仪的缺陷，真正实现粒度仪的智能控制、便携和一体化设计， 本设计采用韩国三星公司生产的$ 3 c 6 4 1 0 嵌入式微处理器作为控制系统的中央处理器， 嵌入式l i n u x 作为粒度仪软件系统平台，并开发完成用于测试结果显示和数据分析的应 用软件，最终完成新型便携式激光粒度仪的设计，实现了粒度仪的智能、便携和一体化 设计，使得设备体积更小，操作更加灵活方便并且有效降低了仪器的使用成本。 基于a r m 的激光粒度仪嵌入式控制系统 1 4 论文的组织结构 本文旨在设计完成基于$ 3 c 6 4 1 0 的激光粒度仪嵌入式控制系统，真正实现激光粒度 仪的智能、便携一体化设计，全文共分六章，论文的具体组织结构如下： 第一章为概述，总结嵌入式系统和激光粒度仪的基本原理和概念，并阐明本课题设 计的主要目的、意义以及创新点。 第二章提出激光粒度仪控制系统的总体框架设计方案，并完成基于a r m 的激光粒 度仪嵌入式控制系统的总体需求分析，综合系统具体需求分析完成控制系统硬件部分的 详细设计。 第三章完成激光粒度仪控制系统底层软件设计，包括引导加载程序的分析移植、操 作系统内核移植及根文件系统的构建、驱动程序的开发等内容。其中在粒度仪控制系统 软件的总体实现方案中，对嵌入式l i n u x 和w i n d o w sc e 两种操作系统做了详尽的对比 分析。 第四章设计完成激光粒度仪控制系统应用软件的总体设计方案，并在p c 机上完成 用于开发控制系统应用软件的q t 4 嵌入式开发环境的搭建。 第五章开发完成激光粒度仪控制系统应用软件的详细设计工作，首先介绍了应用软 件的源程序代码的目录结构和调试平台，随后依次对粒度仪控制系统应用软件各个功能 模块的具体实现做了详细说明。 第六章总结本文所做的研究工作，并结合目前智能仪器技术的发展趋势提出激光粒 度仪控制系统下一步的改进方案。 济南大学硕士学位论文 第二章激光粒度仪控制系统总体框架设计 2 1 激光粒度仪控制系统的组成结构 激光粒度仪控制系统的组成结构图如图2 1 所示。在颗粒测试过程中，控制系统的 具体工作过程如下：数据采集系统负责收集激光经过颗粒后的散射光谱信号，经过模数 转换、放大等一系列处理之后，光谱信号会以数字信号的形式传到主控系统核心模块中， 主控系统核心模块中的微处理器( $ 3 c 6 4 1 0 ) 对接收到的数据进行处理并向控制器发出 各种控制命令，控制器驱动相应的硬件装置执行各类工作。控制系统的核心是$ 3 c 6 4 1 0 嵌入式微处理器，控制器负责接收并执行控制命令，驱动执行装置完成各类操作。各执 行装置的作用如下： 图2 1 激光粒度仪控制系统的组成结构 进水阀：在粒度仪测试和冲洗过程中控制进水管的进水。 液位检n - 负责监测进水过程，当样品池中水位超过设定好的某一上限值时，立 即向控制系统发出水位满报警信号，同时关闭进水阀，从而实现粒度仪进水的自动 控制。 超声器：使测试样品分散，防止样品在测试过程中发生团聚，保证测试结果的真实、 准确。 搅拌器：对样品进行搅拌，使样品池中的样品混合均匀，搅拌速度可调，保证测 基于a r m 的激光粒度仪嵌入式控制系统 量结果的准确、稳定。 循坏泵：使待测样品在管道中循环流动，防止样品池中的样品沉降，从而实现连 续动态测试。在测试完成后，配合进水装置，完成仪器管道的冲洗过程。 排水阀：测试结束后要冲洗仪器，在冲洗完毕后自动打开排水阀，排出废液。 2 2 激光粒度仪控制系统需求分析 进行嵌入式控制系统的设计和开发，首先应明确系统所要实现的功能以及系统应具 备的性能指标，即先对系统进行总体的需求分析【6 2 1 。本课题的题目是基于a r m 的激光 粒度仪嵌入式控制系统。在性能上，除了要求硬件能够具有可靠性高、能够适应粒度仪 工作的各种环境、性价比高、体积符合粒度仪设计需要等特点外，还必须考虑到激光粒 度仪控制系统某些模块响应的实时性问题。 在功能上，本系统硬件应满足以下几点要求： ( 1 ) 控制系统应搭载款性能优良功能强大的微处理器，以满足激光粒度仪在测试过 程中大量的数据采集、处理和控制任务的要求。 ( 2 ) 控制系统应能够提供良好的人机交互接口，能够支持t f t 型液晶屏，支持6 4 0 * 4 8 0 以上的分辨率，还必须能够通过触摸屏操作，具备高品质电阻式触摸屏接口( 或者电容 式触摸屏接1 ：3 ) 【5 0 1 。 ( 3 ) 控制系统需具备足够大的存储空间最好能够挂载优盘类的移动存储设备，以满足 激光粒度仪测试结果的存储和备份需求。 ( 4 ) 控制系统需具备不少于两个串口、一个u s b 或者s d 接口、一个j t a g 的接口资 源，以实现各子系统间的通信，并且系统应具备良好的接口扩展功能。 软件是整个激光粒度仪控制系统的核心和关键所在，可分为底层软件和上层应用软 件两部分。底层软件包括b o o t l o a d e r 、嵌入式操作系统、底层驱动程序，它直接决定了 软件平台的稳定性、健壮性，以及是否易于扩展和维护。粒度仪控制系统应用程序的基 本业务模块包含以下功能： ( 1 ) 初始参数设定：设置超声时间、平均次数、量程( 测量范围及颗粒分级) ( 3 ) 超声：可自动或手动使超声器开始工作，l o 至3 0 0 秒后超声器自动停止，超声时 间可随时自主设置并且可以显示超声进度。 ( 4 ) 测试背景：当样品池中充满无颗粒液体时能够显示背景的能谱直方图，并将结果 数据存盘。 济南大学硕士学位论文 ( 5 ) 测试过程：当系统处于循环测试状态时，在屏幕上实时显示颗粒浓度、能谱分布 直方图及累积曲线。 ( 6 ) 测试结果：系统计算当前颗粒分布统计结果并在屏幕上显示，可以分别显示数据 表格、直方分布图及累积曲线，并在本地或移动存储设备上保存测量结果。 ( 8 ) 通信：控制系统中核心微处理器能够随时与微控制器以及p c 机进行通信，传递能 谱及状态数据。 图2 2 基于a r m 的激光粒度仪嵌入式控制系统软件需求用例图 2 3 激光粒度仪控制系统总体框架设计 根据激光粒度仪控制系统的需求分析，激光粒度仪控制系统软硬件的总体框图如图 2 3 所示。控制系统的总体架构自底向上依次包括系统硬件平台、应用服务支持层软件 ( 如嵌入式操作系统) 和应用层软件三部分。系统硬件平台包括a r m 最小系统核心板、 微控制器和外围电路。a r m 最小系统核心板由$ 3 c 6 4 1 0 微处理器、存储芯片、基本供 电电路以及串口通信模块组成，本设计继续采用a t 8 9 s 5 2 单片机做为微控制器，外围电 路包括固态继电器开关电路、t f t 液晶屏支持模块等。应用服务支持层软件包括固件引 导程序、嵌入式操作系统、文件系统以及底层驱动程序，设计中选用u b o o t 作为系统 固件引导程序，对w m d o w sc e 和嵌入式l i n u x 两种嵌入式操作系统做了深入分析对比 早人 基于a r m 的激光粒度仪嵌入式控制系统 之后设计最终采用嵌入式l i n u x 作为粒度仪控制系统核心模块的操作系统，采用的 c r a m f s 作为系统的根文件系统，驱动程序包括t f t 液晶触摸屏驱动、超声模块驱动以 及串口驱动等。激光粒度仪控制系统的应用软件由系统开机界面、初始参数设定、超声、 测试和结果处理等功能模块组成，系统开机界面要显示图标l o g o 、仪器型号、软件版本 等控制系统软件的基本信息，初始参数设定包括设定系统超声时间( 单位：秒，可以通 过软键盘任意输入1 0 至3 0 0 之间的数字) 、计算颗粒分布统计结果需要的统计平均次数、 粒度仪的粒径测量范围，测试时屏幕上实时动态显示颗粒浓度、能谱分布直方图和累积 曲线，结果处理时系统根据设定的统计平均次数计算当前颗粒分布统计结果并将结果数 据存盘。 j 爹圈参图制蓼 图2 3 激光粒度仪控制系统软硬件总体框图 济南大学硕士学位论文 2 4 控制系统硬件设计 近年来，嵌入式技术飞速发展以a r m 为代表的3 2 位嵌入式微处理器在诸多领域中 都得到了广泛的应用 1 1 j ，目前国内市场大部分主流的a r m 芯片主频已高达5 0 0 m 以上， 这为实现激光粒度仪的真正智能与一体化设计提供了可能。针对粒度仪的硬件需求，并 从通用性、开发难度、成本等多方面考虑，本文制定了如下硬件平台设计方案。 2 4 1 硬件总体架构 本设计的主要任务就是设计一个以a r m 微处理器为核心的控制系统来控制激光粒 度仪的各项工作( 开关进水阀、开关排水阀、对样品窗中溶液进行超声处理、控制机械 装置对溶液进行循环和搅拌) ，实现激光粒度仪的自动化控制，既能随外界情况的变化 来确定各项工作的施行又能按照程序的设定进行自动测试。 激光粒度仪控制系统硬件框图如图2 4 所示，系统的核心是包含a r m 微处理器的 主控模块。主控模块的中央微处理器采用韩国三星公司生产的主频可高达6 6 7 m h z 的 $ 3 c 6 4 1 0 ，系统存储器由两片1 6 位数据带宽的s d r a m 组成的3 2 位数据带宽的1 2 8 m b 内存和一片2 5 6 m b 的n a n df l a s h 存储器构成，通信模块负责主控模块和控制器以及主 控模块和p c 机之间的数据传递，在设计之初通信模块首先采用r s 2 3 2 串1 2 i 进行通信， 整个系统采用5 v 外接直流电源供电，显示模块支持t f t 液晶屏。 王弪模块 7 l 强刺吧阳l 7超声器 存储器 ! ! l 控制电路i 循环泵 7 电 通 源 信 l a t 8 9 s 5 2 一控制电路p 进水阀 管模 似i 。 。 理 s 3 c 6 4 1 0 i 块 b控制电路i 液位检测 显示模块控制电路i 排水阀 控制电路搅拌器 图2 4 激光粒度仪控制系统硬件框图 基于a r m 的激光粒度仪嵌入式控制系统 2 4 2 主控模块硬件设计 本文选用a r m 做为激光粒度仪控制系统的核心微处理器，a r m 过去被称作高级精 简指令集机器( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ) ，是一个目前在嵌入式系统设计领域被广泛应 用的3 2 位精简指令集微处理器。当下，a r m 系列微处理器已成为全世界应用最为广泛 的3 2 位嵌入式微处理器之一【1 4 j 。 $ 3 c 6 4 1 0 是一款由韩国三星公司生产的基于a r m l1 7 6 j z f s 架构的1 6 3 2 位r i s c 微处理器，它是一款在价格、性能、功耗等方面都十分优秀的嵌入式微处理器。$ 3 c 6 4 1 0 包含1 6 k b 的指令c a c h e 和1 6 k b 的数据c a c h e ，在内核电压为1 1 v 时，可以运行在 5 5 3 m h z ，在内核电压为1 2 的情况下处理器可以拥有高达6 6 7 m h z 的运行频率【1 3 。 $ 3 c 6 4 1 0 集成了许多硬件外设，如显示控制器、c a m e r a 接口、通用i o 端口、u s bh o s t 、 u s bo t g ( 4 8 0 m b p s ) 及3 通道s d m m ch o s t 控制器。其中，显示控制器支持最高分辨 率达1 0 2 4 1 0 2 4 ，支持目前较为流行的s t n 型和t f t 型2 4 b i tl c d 屏，支持r o b 接口 显示输出。粒度仪控制系统的主控模块硬件结构图如图2 5 所示。 图2 5 粒度仪控制系统的主控模块硬件结构图 2 4 3 显示模块硬件设计 显示模块是本设计的重要组成部分，要想完全取代p c 机完成新型便携式激光粒度 仪的智能一体化设计就必须选择一款合适的液晶屏。近年来l c d 液晶屏技术发展迅速， 济南大学硕士学位论文 种类繁多，s t n 和吓t 是目前市场上较为常用的两类l c d 显示器件。根据其实现的具 体原理不同，触摸屏亦可以分为很多种类，其中电容式或电阻式触摸屏是目前市场上较 为常用的两种触摸屏。针对课题设计的具体需求，最终本设计选用的是友达8 4 寸 l c d ( g 0 8 4 s n 0 3 ) t 5 2 1 ，该液晶屏大小为8 4 寸，像素为8 0 0 * 6 0 0 ，液晶屏的具体参数如表 2 1 所示。 表2 1 友达8 4 寸l c d ( g 0 8 4 s n 0 3 ) q # 要参数 技术参数产品类型 t f t 显示屏 屏幕尺寸( 英寸) 8 4 分辨率 8 0 0 * 6 0 0 屏幕比例 4 ：3 视角范围垂直1 4 0 ，水平1 6 0 响应时间 3 0 亮度 2 5 0 c d m 2 对比度 6 0 0 ：1 屏幕颜色 2 6 2 k ( 6 一b i t ) 16 2 m ( 8 b i t ) 功能参数扩展接口l c h l v d s 电力规格工作电压3 3v 标准功耗 3 3w 外观规格外观尺寸 2 0 3 0 1 4 2 5 * 5 7i i r a g 0 8 4 s n 0 3t f t 型l c d 显示模块的硬件结构框图如图2 6 所示。在显示模块设计中， 要使一块l c d 液晶屏正常的工作，需要同时具有相应l c d 的控制器和驱动器。通常生 产液晶屏的厂家都会以c o f c o g 的形式为开发者提供已经开发好的l c d 驱动器，一 般会将其放在屏幕的背面与l c d 玻璃基板集成制作在一起【1 4 】。以往l c d 控制器需要开 发人员用外部的电路来实现，但是随着技术的发展，目前大部分中高端嵌入式微处理器 内部都集成了l c d 控制器，如$ 3 c 2 4 4 0 、$ 3 c 6 4 1 0 的内部都已经集成了l c d 控制器。 这样控制t f t 屏幕所需要的控制信号，就可以由开发人员通过对l c d 控制器的编程来 产生，为系统开发人员节省了大量的时间。 基于a r m 的激光粒度仪嵌入式控制系统 图2 6l c d 显示模块的系统硬件结构框图 2 4 4 其他外围控制电路硬件设计 粒度仪控制系统的外部设备包括搅拌器、循环泵、超声器、进水阀、排水阀等，它 们是通过继电器来控制的。继电器的种类很多，按其内部结构原理不同，可以分为电子、 电磁、固态等。电磁继电器的开关响应是由继电器内部机械部件在输入电流的作用下产 生的相对运动形成的，但是电磁继电器动作时，会对输入电路产生一定的干扰；固态继 电器( s s r ) 2 6 】是一种内部采用光耦隔离的四端有源器件。s s r 的结构类似无触点通断 的电子开关，一共有四个管脚，其中两个做为输入控制端，另外两个管脚为输出控制端 f 巧】。如果在固态继电器的两个输入端子之间出现直流信号，则两个输出端子就会由断开 状态变为连通状态从而实现继电器的