鹤壁恒科完成：新型嵌入式工控量热仪

  1 引言

    现在大多数的发电厂、煤炭矿厂以及各大小级别实验室中所使用的工控量热仪都是这样的一个框架：完成仪器试验测试控制的下位机控制模块；提供人机交互，传输和接收命令、数据的上位机模块；以及两模块间的连接通信设备。在此系统中下位机通常使用的是单片机来完成对试验仪器的控制，并负责从通信设备 usb68013接收到数据，提取相应的试验控制命令来控制仪器试验。这里主要讨论的是系统上位机的构建和实现，对下位机不做进一步的讨论了。那么对于系统的上位机通常的做法就是使用pc机，当然，通用pc机有着丰富的资源，不管是它的 cup时钟频率、内存资源、以及对系统各种软硬件管理的能力等，都有着其它替代品不可比拟的优势。但是，使用 pc作为设备的上位机，一个昀大的缺点就是它体积大、不便携等，同时，随着仪器生产商为了能降低生产成本，因此，在能完成仪器整体功能的同时，极力的去寻找使仪器体积小、便携、近似 pc机功能的上位机系统。因此，基于 arm嵌入式系统应用于这样的仪器上就是个非常好的方案。

    2 系统设计方案

    嵌入式工控量热仪必须要在追求仪器设备体积小、便携的基础上，力求实现原来量热仪设备相应的功能，因此，得到下面几点设计方案：

    ①使用主频尽可能高的微处理芯片，同时具有很好的内存管理功能；

    ②对于片上资源和各种外设的接口的扩展。考虑到数据存储、内核、文件系统、图形库及应用程序在系统中所占资源，选用合适的 Flash闪存和 SDRAM;同时，与外围仪器的连接通信扩展出一个 USB Host接口、一个网口 RJ45、一个标准串口等；

    ③为了实现人机交互和仪器的便携，系统中设计出触摸屏式高级用户交互图形操作界面；

    2.1系统硬件框架图

    如上图，系统上位机中使用的微处理芯片是三星公司的 arm920T S3C2410A;Flash存储器采用 Samsung公司的 K9F1208U0M Nand Flash存储器，存储容量为 64MB,这种非易失性存储器是高数据存储密度的理想解决方案，它能擦写一百多万次，具有很长的使用寿命； SDRAM存储器采用 HY57V561620CT,在此使用两块，每块大小为 32MB;为了实现人机交互，以及从系统便携等方面考虑，系统使用了触摸屏，当然还扩展出串口、网口等，以上就是整个系统上位机的硬件框架。上位机和下位机间的通信设备使用的是 EZ-USB68013,它负责从上位机接受数据和命令，并把下位机实验数据以及各种状态返回到上位机，而它在 linux下驱动编写和移植留到下面再讨论。

    2.2系统上位机软件组成
    2.2.1嵌入式操作系统设计与移植

    在整个系统的设计与实现中内核的配置和移植是非常重要的，本系统使用的是韩国 mizi公司免费提供的嵌入式 linux操作系统，本操作系统体积小、方便剪裁，同时它又包含了现有使用的大部分外围设备的驱动，因此，使用此操作系统可以降低开发成本、加快系统的开发。Arm-linux嵌入式操作系统的移植主要包括如下几步：①建立交叉编译环境。交叉编译环境的建立是进行 arm嵌入式项目开发的基础，它的搭建主要需要三个软件包：binutils、 gcc、glibc.其中 binutils主要用于生成一些辅助工具，如 objdump、as、ld等；gcc是用来生成交叉编译器 arm-linux-gcc;glibc主要提供用户程序所使用的一些基本的函数库。当然，交叉环境的搭建是比较复杂的，很多步骤都涉及到硬件平台的选择，因此，本系统使用的是成都博睿公司所提供的交叉编译器，而对交叉环境的具体搭建这里就不作进一步的讨论了。

②修改配置文件，配置内核。修改配置文件使系统启动时自动挂载 devfs文件系统，配置内核使内核支持 yaffs文件系统。

③根据系统需求添加相应的外围设备的驱动。本系统中使用了 EZ-usb68013来实现上、下位机的数据通信，那么就必须要在上位机中添加该通信设备的驱动。

    2.2.2图形库 qte的配置和移植

    Qte是荷兰 Trolletch公司的图形化界面开发工具Qt的嵌入式版本，它通过QtAPI与Linux I/O直接交互，拥有较高的运行效率，而且整体采用面向对象编程，拥有良好地体系架构和编程模式，它采用 framebuffer作为底层的图形接口，并使用 c++进行封装，具有良好的移植性，同时，我们可以把用 Qt的Designer开发出来的GUI应用程序，通过交叉编译后可直接移植到Qte嵌入式平台。

    3 Qte平台上用户系统实现及测试

    通过上面的讨论，本系统的各模块都已经成功的设计出并得以实现。由于系统基于QTE设计出图形用户界面，则提供良好的人机交互，使系统更易于操作和管理。经过试验测试，本系统上位机各模块能够很好的达到设计的目标，整个上位机系统控制下位机试验，并把结果正确显示出。

    4 结论

    本文根据需要对嵌入式工控量热仪的上位机软、硬件平台设计和构建进行了深入的讨论，并得出了方案的详细实现过程，昀终还给出了系统试验测试框图，从而验证了嵌入式工控量热仪的可行性、实用性。本系统的创新点有以下几点：①系统上位机利用arm嵌入式平台来代替原来的pc机，这样使成本降低了，昀重要就是嵌入式平台相比于pc机体积更小，这样设备就越便携、实用；②系统使用QT跨平台语言来编写系统的应用程序，这样程序具有良好的移植性，同时，系统设计开发出用户界面，并用触摸屏代替传统的鼠标和键盘，具有友好的人机交互。