0 引言

   　 靜力測量可用于許多不同的測量系統中。目前大多數工業控制系統、地質勘測系統以及建筑測量中所使用的計量設備(衡器)的測量模型大多建立于杠桿原理或彈性原理，其平衡方程均建立在靜力平衡的基礎之上。隨著微電子技術的進一步發展、嵌入式芯片的大量引入、控制功能的完善、速度及組態軟件以及圖像處理技術的發展，目前已出現了很多新型靜力測量系統。當今的靜力測量系統正沿著微型化、智能化和網絡化的主流方向發展。

   　 在以前主從式單片機實現的靜力測量系統中，主單片機負責管理整個系統，從單片機負責實現具體的功能，然后通過增加外設來實現顯示和打印功能。整個系統只有一個主程序，其中包括系統控制模塊、驅動和用戶界面程序。這樣，系統的硬件軟件功能的可擴展性以及通信方式、數據存儲能力就受到了很大的限制。針對這些問題并結合實際的項目需要，本文提出并研制了一種基于ARM920T內核的嵌入式靜力測量系統。

1 靜力測量原理及系統要求

　　靜力測量一般是采用半導體應變電阻的特性來實現的。這可在宏觀上用金屬絲應變電阻方程來描述：

　　對于半導體材料，其電阻的變化率△R／R主要由△ρ／ρ引起，這種變化取決于它的電阻應變，所以，可得到下列公式：

　　式中，π為壓阻系數，σ為應力，E為彈性模量，ε為應變，μ為泊松比。

　　半導體應變片的靈敏度為：

　　靜力測量一般通過單橋或雙橋橋式電路來實現，在圖1所示的電橋中，在初始狀態，橋是平衡的，也就是B、D兩點的電壓為0。而在力的作用之下，由于壓力電阻的特殊屬性，應力變化導致R1電阻阻值發生變化，從而使得橋臂不平衡，這個不平衡會反映在電阻R1的電壓上。該電壓再經過放大電路放大，最終作為AD轉換器的輸入電壓信號。這里需要注意的重要一點是，電阻RL兩端的電位均是以電源E的一半為參考的，因此，在電路設計時，這一點需要充分考慮。

　　靜力測量系統往往工作于較為惡劣的環境，通常是在野外進行，很多的數據和信息都不能在現場得到及時的處理，因此，要求系統具有較強的抗干擾能力、強大的系統處理功能及較多的外圍支持設備，同時要具有良好而美觀的用戶界面、較大的數據存儲空間和很好的程序模塊化，此外，它還應　　具有良好的數據和圖像處理功能，以便任務完成后能在脫離現場的空間對所獲數據和信息進行處理并得出想要的結果。

2 系統硬件設計

　　基于目標系統功能的要求，本設計中整個系統的核心處理器和操作系統分別選定三星公司基于ARM9內核的S3CFS2410處理器和目前比較流行的Linux操作系統。同時，其硬件系統還需具備處理能力和外設比較豐富的ARM處理器、適當大小的內存、存儲容量匹配的閃存、顯示設備和交互設備接口、串口和USB口、網絡控制器和網口、模數轉換模塊、外部中斷接口、紅外線收發器、實時時鐘和在線調試ICE接口等。其功能方框圖如圖2所示。

　　采用圖2所示的結構進行設計可以最大程度地實現核心板的擴展功能。該設計在核心板上集成有ARM處理器S3CFS2410；內存63 M字節的SDRAM由兩片K4S561632組成；10 MB的以太網控制器選用CS8900Q3；64 M字節的Nand Flash閃存選用K9F1208，而2MB的Nor Flash閃存則選用SST39VF1601。S3CFS2410是三星公司的一款基于ARM920T內核的16、32位RISC嵌入式微處理器，主要面向手持設備以及高性價比、低功耗的應用。它的運行頻率可以達到203 MHz。此外，S3CFS2410集成的資源還包含有LCD控制器、SDRAM控制器、3個通道的UART、4個通道的DMA、4個具有PWM功能的計時器和一個內部時鐘、8通道的10位ADC、觸摸屏接口、IIS總線接口、2個USB主機接口、1個USB設備接口、2個SPI接口、看門狗計數器、117個通用I／O口和24個外部中斷源、8通道的10位AD控制器、一個具有日歷功能的RTC和具有PLL的芯片時鐘發生器。由于該芯片用MPLL產生主時鐘，因此能夠使主處理器的工作頻率高達203 MHz。

　　本設計在硬件實現方案上充分考慮到系統的可擴展性和核心板布局的靈活性，因而采用了拔插式的核心板布局。其他各外部功能處理模塊(如鍵盤、模數轉換電路、通用I／O口、液晶屏、觸摸屏、網絡接口、USB接口、無線收發模塊、串口UART、VGA轉化電路和電源模塊)均采用擴展接口的形式來實現其模塊功能，主要用來完成數據的收發、網絡通訊、鍵盤操作以及圖像處理和顯示。通過這些特殊功能模塊可對現場得到的數據進行特定的處理，以便很好地完成人機交互界面和通過外設對系統核心模塊的控制，具體接口方式如圖3所示。

3 系統軟件設計

　　本系統的編譯和調試可采用ADS1.2工具。該工具的功能非常強大，能支持多種ARM內核以及ARM匯編語言、C語言、C++等。而且在進行各種參數設置時，不必記憶大量的參數格式，而是可直接在窗口中設置。它能夠支持映象仿真，并可配合調試硬件邏輯SUPERJTAG實現在線調試。

　　由于本系統是一個基于ARM的嵌入式Linux系統平臺，系統最為關鍵的是實現引導程序，植入Linux操作系統，而不很關心具體的應用。所以，軟件系統的主要任務是實現一個性能優良的引導程序，以使Linux操作系統能夠良好地運行起來。事實上，在嵌入式系統中，通常并沒有像PC機中BIOS那樣的同件程序，因此，整個系統的加載啟動任務就完全由Boot Loader來完成。完成硬件檢測和資源分配后，只要將閃存中的BootLoader讀到系統的RAM中，然后將控制權交給Boot Loader即可。Boot Loader的主要運行任務是將內核映象從閃存讀到RAM，然后跳轉到內核的入口點去運行，也就是開始啟動操作系統。

　　由于Boot Loader的實現依賴于CPU的體系結構，因此大多數Boot Loader都分為階段一和階段二兩大部分。依賴于CPU體系結構的代碼(比如設備初始化代碼等)通常都放在階段一中，且通常都用匯編語言來實現，以達到短小精悍的目的。而階段二則通常用C語言來實現，這樣可以實現更復雜的功能，而且代碼會具有更好的可讀性和可移植性。

　　Boot Loader的階段一通常包括以下步驟(以執行的先后順序列出)：

　　◇硬件設備初始化；

　　◇為加載Boot Loader的階段二準備RAM空間；

　　◇拷貝Boot Loader的階段二到RAM空間中；

　　◇設置好堆棧；

　　◇跳轉到階段二的C入口點。

　　Boot Loader的階段二通常包括以下步驟(以執行的先后順序列出)：

　　◇初始化本階段要使用到的硬件設備；

　　◇檢測系統內存映射(memory map)；

　　◇將kernel映像和根文件系統映像從Flash上讀到RAM空間中；

　　◇為內核設置啟動參數；

　　◇調用內核。

　　接下來就是內核的編譯、目標文件系統的制作以及調試仿真實現程序各模塊的固化。這些均可選取一下的交叉編譯工具來實現。本系統選擇Redhat9.0(Linux操作系統)，其交叉編譯工具有兩個：一個是cross-2.95.3.tar.bz2，安裝此編譯器只需要在／usr／local下建立一個arm目錄再執行解包命令即可。當編輯／etc／bashrc文件并在最后增加路徑／usr／local／arm／2.95.3／bin之后，再編澤內核或其它應用程序時，均可用arm-linux-來指定交叉編譯器。另一個編譯器是MIZI提供的arm41安裝包，它的安裝必須有binutils、gcc、glibc等幾包存在。當有其它應用時，還需要安裝另外的工具，它們都會安裝在／opt／host／arm41下，而不需要再手工設置路徑。

　　為了將Linux內核固化，需要將該程序和模塊添加到根文件系統中。為此，本設計制作了demo.cramfs這樣一個根文件系統。其具體操作步驟如下：

　　(1) 將demo.cramfs拷貝到任意目錄下；

　　(2) 在該目錄下建立兩個目錄dirl和dir2；

　　(3)將目標文件系統demo.cramfs掛接到目錄dir1；

　　(4) 將目錄dir1下的內容壓縮；

　　(5) 與目錄dir1卸載掛接，將此壓縮包解壓到錄dir2下，然后刪除此包；

　　(6) 將驅動程序、應用程序分別拷貝到dir2／usr／和應用程序對應的目錄下。

　　經過上面的步驟便可將驅動程序和應用程序添加到了demo.cramfs中。然后將mkcramfs文件拷貝到dir2所在目錄。運行該命令成功后便可生成所期待的根文件系統了。

　　最后就是系統軟件具體應用代碼的調試和映像文件的燒寫。調試的方式可分為三種：ADS裝栽映象調試、通過串口輸出信息到主機的調試、通過外部的ARMJTAG代理軟件和SUPERJTAG電路協作調試。在調試Boot Loader或者內核過程中，可通過主機上的DNM或者超級終端程序來顯示目標板的各種輸出信息。

4 結束語

　　從硬件和軟件兩部分的工作情況看，其硬件模塊能正常運行，電路板的工作電壓轉換后工作正常，轉換效率、電壓波動和電流大小均能達到設計要求；而系統軟件引導程序也能正常實現目標板各種資源的初始化設置和管理。Linux操作系統和文件系統在建立相應的工作環境，并正確進行相應配置后，通過相應命令操作可順利制作出對應的映象文件。此映象文件成功后，內存中的程序也可以按照預期正常運行，并能夠實現操作系統各種基本功能和文件系統的各種管理。此外，筆者還進行了應用程序的二次開發，最終研制成功了一套嵌入式靜力測量系統。實踐表明，該系統設計合理、性能穩定、功能強大、運行可靠，具有很好的應用前景.