基于ARM和WINCE的嵌入式热流计的设计

基于ARM和WINCE的嵌入式热流计的设计
摘要：为了进一步提高热流计的处理速度和精度，并给用户提供良好的操作界面，本文设计了一种基于WinCE 和ARM处理器的嵌入式热流计系统。

本系统以ARM9类型的微处理器S3C2410为核心，实现了高速数据采集误差校正。

实验结果表明，本系统充分考虑的影响热流损失的相关因素，较传统的基于8位处理器的热流计在处理速度和用户操作界面上都有了较大的提高。

关键词：ARM；Windows CE；嵌入式系统；热流计
中图分类号：TP274文献标识码：A文章编号：1672－9870（2008）02－0132－03
收稿日期：200712
基金项目：黑龙江省发展信息产业专项资金项目（2006411171703）
作者简介：刘延军（1978
线、数据及仪器的工作状态；（5）打印及接口电
路：打印现场采集到的数据及相关报表信息；（6）串行通讯接口电路：将测量过程中的一些重要数据上传到上位PC 机，生成上位机的数据库，便于日后分析、研究及管理；（7）存储器及接口电路：将用户感兴趣的曲线及数据存储到大容量的FLASH 存储器中；（8）触摸屏及其接口电路：完成“人/机”交互操作；（9）其它辅助电路：完成对各部分电路之间的连接、协调与控制，如蓄电池的充电以及LCD 的“对比度”和“亮度”调节功能，通过调节这些按键以使LCD 在不同场合都可以清晰显示，仪器硬件设计的原理图如图1所示。

图1嵌入式热流计硬件原理图
Fig.1
Hardware scheme of embedded heat flux gage
1.2仪器主要器件的结构
（1）本仪器为便携式设备，为满足仪器功耗低、体积小，携带方便等特点，本系统的处理单元选用S3C2410（ARM ）芯片做控制核心。

此MCU 主频可达203MHz ，具有丰富的片内资源：1个LCD 和触摸屏接口；2个USB HOST ，S3C2410内置的，符合USB 1.1，注意这两个USB HOST 接口是复用的，一个USB Device ，S3C2410内置的，符合USB 1.1；2路UART 串行口，波特率可高达115200bps ，并具有RS232电平转换电路，开关电源，分布式电源供电，3V 锂电池，提供CPU 内置RTC 操持电源等［2］。

（2）微型打印机：新荣达电子RD-D 系列针式微型打印机专为仪器仪表面板安装而设计，采用独特的面板式嵌入结构，便可将整个打印机固定在仪表面板上。

换纸方式为前换纸方式。

操作简单方便，配置字符集一、二，可编辑下载不同字体、不同点阵的汉字、字符，可编辑下载希望打印的图形，可编辑下载整个需要打印内容。

（3）FLASH 存储器：为了使测量记录及曲线
查看方便并便于数据库管理，本仪器外部扩展了容量高达16M 的FLASH 存储器SST39V60。

（4）由于本仪器一般在户外使用，而彩色LCD 在阳光下显示不清晰，故LCD 选用宽视角的单色320X240点阵的图形液晶显示器，具有丰富的图形和文字显示画面，最大程度地反映热流计工作的现场信息。

（5）由于S3C2410是3.3V 系统，故选用工作电源为3V 的SP3232E 进行RS232电平转换。

（6）A/D 模块：A/D 转换芯片采用T1公司的ADS8364芯片，它有6个独立数据输出通道；模拟信号差分输入；6个独立的16位ADC ；采样频率最高为250MHz ；采样精度到最后两位，且抗噪性能好。

通过FPGA 内产生的采样时钟信号控制A/D 模块的采样频率。

FPGA 输出宽度为一个时钟周期的低电平脉冲到HOLD_X 引脚，A/D 转换开始，经16.5个时钟周期后A/D 转换完成。

A/D 模块根据FPGA 内产生的读信号和通道选择信号选择相应的FIFO 存储数据。

（7）传感器模块：传感器模块可根据所采集的数据来选择，本系统主要运用于热流密度测量，所以采用CAPTEC 热流传感器，该传感器采用超薄设计（0.4mm ），从而使测量误差降至最低。

风速传感器采用编码器记录脉冲个数。

2软件设计
2.1操作系统定制
系统选用了Microsoft Windows CE （简称“WinCE ”）操作系统。

WinCE 是一个紧凑的、高效且可扩展的32位操作系统，支持多种处理器产品，包括x86，Xscale ，ARM ，MIPS 等系列，也可自己开发相关硬件的BSP 包，允许开发人员选择合适硬件。

它拥有多线程、多任务和确定性的实时、完全抢占式优先级的操作系统环境，专门面向只有有限资源的硬件系统；同时，它的模块化设计方式使得系统开发人员和应用开发人员能够为多种多样的产品来定制它，可以选择、组合和配置Win-CE 的模块和组件来创建用户版的操作系统［3］。

Platform Builder 是开发基于Win CE 嵌入式操作系统的开发工具，提供了将定制的操作系统下载到目标平台的所有工具。

本文利用Windows 的Platform Builder 4.0对Win CE 操作系统进行定
制，删除其中不需要的功能块，精简组件，使系统
刘延军，等：基于ARM 和WINCE 的嵌入式热流计的设计
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占用更少的内存。

在系统定制过程中，各部分的关
系如图2所示［4］。

图2WinCE 定制系统流程图
Fig.2
Flow diagram of WinCE custom-made system
Win CE 中设备驱动程序可以通过模块方式动态地加载和卸载，也可以直接编译到内核中。

前者使用灵活，可以减小内核，但因嵌入式系统要求所有设备在初始化后全部就绪，不能在使用时加载设备的驱动模块。

所以，本系统中所有的设备驱动程序都直接编译进内核。

2.2应用程序的编写
应用程序是实现系统所需功能的核心部分，本系统的应用程序主要由三部分构成，包括A/D 采样计算、误差校正程序、用户接口程序及显示、打印程序。

A/D 采样计算部分主要负责对采集到的温度、风速等模拟信号进行数模转换。

误差校正程序主要负责对采集到的数据进行处理，将影响热损失的其它因素考虑进去，通过计算得出实际的热流损失。

用户接口程序主要提供友好的界面，并将完整的数据信息传达给用户。

其主程序模块化流程图如图3
所示。

图3应用程序流程图
Fig.3
Flow diagram of application progarm
3实测数据及结果分析
通过对锦州石化总厂管线热损工程对比测试，
该线总长14m ，分室内段和室外段。

室内段用复合硅酸盐涂料层(80mm )，室外段用石棉毡(10mm )、珍珠岩(100mm )、外包铁皮。

其室外段测试结果如表1所示。

表1
热流计测量数据对比
Tab.1Comparision of heat flux gage measurement data
实际测试结果表明，本文所设计的嵌入式热流计与日本HIT 热流计的相对误差为3.5%，对国产NWY
15%~15%之内为一级测试精
度。

因此，本文设计热流计的测量结果是可信的。

4结束语
本文所提出的基于ARM 硬件平台及Win CE 操作系统的嵌入式热流计，解决了传统热损失检测过程中存在的诸多问题，提高了检测精度，使其更加接近热损失真实值。

为环境保护节能提供了可靠的参考依据。

该设计具有如下特点：
（1）采用ARM 核使系统小型化，便于提高性能和与各种外设连接扩展。

（2）Win CE 嵌入式操作系统的应用，为功能的扩展、修改、版本升级提供了稳定、可靠的软件平台。

（3）通过精确有效的误差修正算法，使得该系统真正实现了热损失的实时、精确测量。

参考文献
［1］司光宇．热流密度的准确测量—智能热流计［J ］．大庆石
油学院学报，1994，6：113
57．
测点仪器热流测定
值(w/m 2)表面温度(℃)环境温度(℃)
风速(m/s )发射率热流真值(w/m 2)相对误
差(%)嵌入式热流计1231340138155760
4<1
0.75
895
HIT
1231395.6511151290
9
<1
0.7
928
3.5
NWY 4
123
1535850860
60
4
<1
0.75
1008
11.2
长春理工大学学报（自然科学版）2008年
134。