0 引言
嵌入式系统（EmbeddedSystem）[1]是一种软硬件可扩充或裁减的专用计算机系统，以面向应用为主，是将计算机技术、半导体技术和电子技术以及各个行业的具体应用相结合后的产物。相对于传统的8/16位单片机，嵌入式系统具有速度高，容量大，扩充性能良好，实时性强，并可执行多任务操作系统的特点，因此很适合高性能流量表的设计，尤其适用于对功能、可靠性、成本、体积或功耗要求严格的应用场合。随着集成电路的发展，32位处理器的价格不断下降，具有更高性能，功能强大，具有更广泛意义的嵌入式产品得到应用，具有实用价值的嵌入式流量采集与处理方案已成为可能。为此，在ARM[2]嵌入式系统的基础上设计了高精度的远程流量计。该流量计具有16位的数据采集精度，大容量的数据存储，具有打印和显示功能，并可通过以太网实现远程通信。
1 系统组成和工作原理
流量计的系统组成如图1所示。该仪表是二次表，主要用于测量液体的瞬时流量和累积流量。系统使用的是ARM处理器芯片S3C44B0x[3]。ARM体系结构目前被公认为是业界领先的32位嵌入式RISC微处理器结构，占据高性能、低功耗、低成本的嵌入式应用领域的领先地位。S3C44B0x具有ARM7TDMI核，适用于实时环境。它速度快（主频为66MHz），数据处理能力强；支持在片调试；能产生全64位结果的增强型乘法器；嵌入式ICE硬件提供在片断点和调试点支持，具有良好的开发环境[4]。其片上资源非常丰富，包括：
图1 远程流量计系统结构框图
（1）内核带8KBcache，有4种电源控制模式；
（2）外部存储控制器和LCD控制器；
（3）2通道DMA和8通道10-bitADC输入；
（4）2通道UART（支持16-byteFIFO）；
（5）1通道SIO接口和I2C控制器；
（6）5通道PWM调制输出；
（7）看门狗定时器和带PLL的片内时钟发生器；
（8）8通道外部中断输入和71个通用I/O端口；
（9）带日历功能的实时时钟（RTC）。
ARM处理器S3C44B0x的上述功能充分满足流量计开发所需的各种资源，并具有强大的后续开发能力，为系统升级提供了广阔的平台。基于ARM嵌入式系统的远程流量计实现的功能有：
（1）丰富、强大而可靠的通讯能力（带光电隔离的RS232串口，以太网口）。
（2）16位A/D和频率信号转换器测量精度非常高，并且抗干扰能力强。
（3）瞬时流量和累积流量的LED显示。
（4）具有无纸记录功能，连接微型打印机可打印出流量曲线及需要的历史数据。
（5）具有断点保护能力，断电后数据可保存几十年以上。
（6）具有特定的看门狗电路、自诊断功能和报警功能。
流量计的信号采集、LED显示通过ARM处理器的GPIO口实现；存储器SDRAM用于运行程序，FLASHROM则用来存放源程序代码，系统运行时代码释放到SDRAM里运行应用程序。此外，FLASHROM也可保存流量数据，实现无纸记录功能。RS-232串行通信口由ARM处理器的UART口实现，用于打印流量曲线和历史数据。通过专用的以太网卡芯片，流量计可实现10Mbps的以太网通信，可和局域网内的上位机进行远程数据访问。
2 流量数据的采集和处理
流量数据的采集是流量二次表的基本功能。数据采集精度是流量表的一个重要指标，能够反映流量表的总体性能。采集精度越高，则获得的流量数据就越合理，流量表也就越受用户欢迎。目前的流量计大都是基于8位的单片机系统设计的，受单片机处理位数的影响，流量计的采集精度也就局限在8位（二进制数）。基于ARM嵌入式系统的远程流量计由于使用的是32位处理器芯片，因此能够处理大于8位数据精度的流量数据采集，大大提高了流量数据的精确性，具有很高的应用价值。
流量计需要处理的是瞬时流量数据和累积流量数据，其数据采集电路含有两个信号输入端：模拟流量信号输入端和频率流量信号输入端。模拟信号输入端用于测量4～20mA或0～10mA的模拟流量信号。流量计对模拟流量信号采集选用的是16位串行A/D转换器ADS1110。ADS1110具有I2C串行接口，体积小，最高可到240次/s的采样速率，适合应用于便携式仪表和体积、功耗及精度要求严格的场合。由于S3C44B0x处理器也具有I2C接口，使得电路设计很简单，如图2所示。AI+和AI-为模拟流量信号输入端，经ADS1110模/数转换后的16位二进制数通过I2C串行总线（IICSCL，IICSDA）输入到S3C44B0x处理器的I2C接口，处理器通过I2C中断接收数据并进行处理。
图2 模拟流量信号采集电路
频率流量信号来自流量变送器（转换器），它将流量信号转换为0～10kHz的频率信号。用频率对流量信号传送可以基本不损失精度，这是它的优点。流量变送器输出的频率流量信号通常是正弦波、三角波、矩形脉冲三种波形，幅度：低电平（0～2V），高电平（3～24V）。对频率信号进行采集的原理框图如图3所示。频率输入信号（f+，f-）经限幅、滤波、隔离和比较器输出，形成标准的0～10kHz方波，作为外部中断信号送入处理器执行中断计数。该电路具有很好的抗干扰能力，可以滤去10kHz以上的高频干扰信号，使有效信号进入处理器计数；光电隔离则对流量计起保护作用。
图3 频率流量信号的采集框图
采集后的流量数据需要经过处理变为累积流量和瞬时流量的实际值。对于不同的流体瞬时流量和累积流量的计算有统一的公式。当输入为模拟差压信号时，瞬时流量的计算公式为
（1）
式中q瞬时流量；qmax流量测量上限；Ai经无量纲处理后的差压信号。
当输入为频率信号时，瞬时流量的计算公式为：
（2）
式中：f脉冲输入信号频率，Hz；Ri瞬时流量单位时间换算系数；Kt脉冲输出流量计流量系数。
累积流量可以通过瞬时流量获得，它们之间的计算公式为
(3)
式中Q累积流量值；Δt采样周期；KT积算倍率。
经计算得到的流量数据需要保存和显示，流量数据存储选用FLASHROM，具有2M的大容量，即可保存流量数据，还可以同时保存系统配置文件和用户程序。整个程序流程如图4所示。
图4 程序流程图
3 RS-232和以太网通信
流量计具有通信功能，即可同上位机通信，也可用于2台可编程仪表之间的通信。一般流量计的通信标准常用RS-232或RS-485，RS-232的通信距离只能达到几十m，但可与计算机直接连接，适用于通信距离较短的场合；RS-485的通信距离可达2km，但必须是点对点通信，在局域网中需要和PC机相连才能入网。基于ARM嵌入式系统的远程流量计不仅具有RS-232串行通信接口，还具有以太网口，可以直接通过以太网连接在局域网内实现远程通信，不受距离的约束。
远程流量计的RS-232通信接口是通过ARM处理器的UART串行口实现的。RS-232接口除了可以和上位机进行近距离通信，在流量计中主要是和微型打印机连接，打印流量数据和流量随时间变化的历史曲线。流量计的以太网口是通过专用的网卡驱动芯片RTL8019AS与处理器的GPIO口和数据线相连实现的，可以实现10Mbit/s速率的以太网通信。其结构示意图如图5所示。由于处理器S3C44B0x和以太网控制器RTL8019AS具有不同的工作电平，使用了74LCX16245作为总线驱动器。AT93C46是三线串行接口的EEPROM，用以保存RTL8019AS的配置信息，包括IP地址的分配。20F001N为低通滤波器，网络数据经滤波后通过以太网协议在局域网内传输，从而实现流量计和上位机之间的远程通信。一个标准的以太网物理传输帧由七部分组成，除了数据段长度不定外，其他部分的长度固定不变。数据段为46～1500字节，超过1500字节时要拆分成多个帧传输。一个局域网内可以并入任意多个远程流量计，并不影响彼此之间的通信。由RTL8019AS以太网控制器实现的以太网通信速率为10Mbit/s的带宽，因此流量计适合应用于10Mbit/s局域网的远程数据通信。系统组成如图6所示。
图5 以太网接口示意图
图6 流量计远程通信系统
4 结束语
随着嵌入式技术的不断应用和发展，设计了基于ARM嵌入式系统的远程流量计，可以测量4～20mA或0～10mA的模拟流量信号及0～10kHz的频率流量信号，运算精度优于0.0001%。流量数据可以通过以太网进行远程传输。
参考文献：
[1] 王田苗.嵌入式系统设计与实例开发.北京：清华大学出版社，2002.
[2] SteveFurber.ARMSoC体系结构.田泽等，译.北京：北京航空航天大学出版社，2002.
[3] S3C44B0xARM开发板使用说明.上海：复旦金海博科技有限公司，2002.
[4] 姜平，姜虎强，巴文厂.基于ARM的汽车电动助力转向系统.仪表技术与传感器，2007（10）：62-64.
