基于ARM核微处理器的便携式管道泄漏检测仪

构成

　　本文所研制的检漏仪是基于ARM核嵌入式微处理器的新一代嵌入式系统。ARM微处理器功耗低、成本低、性能强；支持ARM/THUMB双指令集；配有丰富的标准软件开发工具和调试环境。而且ARM核也以其高性能、小体积、低功耗、紧凑代码密度和多供应源的出色结合而著名，是目前公认的最领先的32位嵌入式RISC微处理器核。系统结构如图2所示。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2 ARM嵌入式系统框图

系统设计分析如下:
①数据采集由一片CPLD(复杂可编程逻辑器件)来产生控制时序，控制逻辑主要包括:多路选择地址C0～C2、采样保持S/H、启动A/D、双端口写入允许WR、写入地址以及一帧数据满后的中断请求IRQ等信号，主要时序关系如图3所示。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图3 数据采集时序图

②采用Philips公司的LPC2214的微处理器，用它来对采集到的数据进行处理、显示操作。LPC2214是基于ARM7 TDMI核的RISC微处理器，ARM7TDMI为低功耗、高性能的16/32位核，最适合对价格及功耗敏感的场合。LPC2214在ARM7TDMI核的基础上扩展了一系列通用外围器件：112个通用I/O口，4个串行口，2个32位定时器，9个外部中断，通过片内PLL可实现高达60MHz的操作频率。

③采集电路与ARMCPU用8KB双端口RAM和中断方式交换采集数据，RAM内可设两个缓冲区交替工作，双端口RAM可直接与ARM嵌入式系统的扩展总线连接。

④设计中选择TI公司的TLC5540高速模数转换芯片，其具有8位分辨率，内置采样和保持电路，该芯片采用一种改进的半闪结构、CMOS工艺制造，因而大大减少了器件中比较器的数量，而且在高速转换的同时，能够保持低功耗，转换速率可达40MB/s。

⑤由于要移植嵌入式操作系统，所以要扩展2M的Flash(SST39VF160)和8M的RAM（IS61LV25616AL），嵌入式操作系统、应用程序的代码和文件系统均存储在Flash中。

⑥采用普通I/O口来扩展外部键盘，形成4×4的矩阵键盘。分别对应"0，1，2，3，4，5，6，7，8，9"、"."、左移、右移、前翻页、后翻页和确认键。实现对各测控模块组态信息的设置以及显示画面的切换。
⑦选用控制器为SED1335的单色STN图形液晶，其点阵为320×240，考虑到LCD控制器的工作电压为5V，而主CPU的工作电压为3.3V，因此采用74HCT164245对数据总线进行电平转换。

软件设计

1 操作系统选择

　　支持32位ARM CPU的嵌入式操作系统有很多，现在市场上几个著名的商业嵌入式操作系统主要有Vxwork、QNX、Windows CE等。Linux则以其免费的、源代码公开的特殊魅力，在嵌入式系统中得到广泛的应用，嵌入式Linux具有以下特点：

①Linux开放的源码，丰富的软件资源。

②功能强大的内核，性能高效、稳定，多任务易于裁减。

③完善的网络通信、图形、文件管理机制。

④支持大量的周边硬件设备。

⑤良好的开发环境，不断发展的开发工具集。

⑥价格低廉有效降低产品成本。

μClinux是一套非常优秀的嵌入式自由软件，是Linux 2.0/Linux 2.4版本的一个分支，它被设计用来应用微处理器领域。由于μClinux操作系统是源代码公开的，其硬件相关部分可以通过定义一些函数移植到不同的硬件平台，具有Linux的宿主机开发环境，有GNU的交叉编译器的支持，有操作系统的源代码，因此开发基于嵌入式系统的应用程序将非常方便。

2 软件功能设计

　　软件主要包括系统软件和应用软件两部分，如图4所示。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　图4 系统软件结构及组成图

　　ARM Bootloader完成ARM的初始化、存储器的设置以及嵌入式 μcLinux的加载，最后控制权交给 μcLinux操作系统，此后系统在μcLinux的管理下运行应用程序；应用程序包括中断处理、数值计算、键盘处理、泄漏点位置及参数显示，显示软件完成320×240点阵LCD模块的驱动、汉字及图表曲线的显示等功能。由于μcLinux是多任务系统，上面几个处理任务可以设计成独立进程，程序设计变得简单。

结束语

　　该仪表设计主要采用了ARM微处理器、μcLinux操作系统以及数值信号处理方法，在嵌入式系统中实现了高精度的信号采集和快速的数值分析算法。该便携式泄漏检测定位仪在实际应用中取得了良好效果，可以用于煤气、城市自来水、天然气等管道的泄漏检测定位。