基于arm的虚拟直流电测量仪器
摘 要： 为了提高直流电测量精度并简化直流电相关数据采集和处理的流程，设计了一种基于4位半BCD输出的A/D转换直流电测量虚拟仪器。该仪器测量采用了具有双积A/D转化的ICL7135芯片完成直流电数据采集，采用ARM9嵌入式芯片和Linux+Qt/E系统进行数据处理和显示。软件部分采用模块化设计，可以对数据进行多种计算机处理。该系统抗工频干扰性能好，测量精度高，接口丰富，系统应用方便，软件功能强大。相关的实验取得了预期良好的效果。
关键词： A/D转换； 嵌入式系统； ICL7135； 虚拟仪器
中图分类号： TN919?34； TP368 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）08?0133?03
0 引 言
虚拟仪器是在计算机技术的基础上发展起来的，结合数据采集技术，实现各种电量的测量[1]。在直流电测量时，采用速度高的AD，工频电压等干扰量使得测量结果不稳定。本文采用了转换速度低双斜积分式4位半单片A/D转换器ICL7135实现了一种直流电测量仪器。ICL7135输入阻抗达109 Ω以上，对被测电路几乎没有影响；有自动校零；精确的差分输入电路；自动判别信号极性；可输出超、欠压输出信号；采用位扫描与BCD码输出[2]。计算机系统采用嵌入式ARM开发板，有串口、网口、USB接口。可实现通道选择、数据处理、存储、共享、传输。
1 系统构成
系统由ICL7135外围电路及与ARM开发板接口电路组成，ICL7135外围电路如图1所示。
ICL7135采用了双电压供电。SingnalInput为被测电压输入，2脚为基准电压，22引脚为时钟输入[3]，频率100～200 kHz之间，不同的时钟输入决定了采样速率，时钟频率为120 kHz是可以有效地抑制工频干扰。23引脚输入电压极性，D1～D5分别为输出电压低位到高位，B1，B2，B4，B8对应的BCD码。ICL7135时钟输入信号由ARM2440的12 MHz晶振通过74HC4040芯片64分频得到187.5 kHz；每秒约4次A/D在转换。与ARM接口电路参见图2。
ICL7135的D1～D5分别接ARM2440的GPG0，GPG3，GPG5，GPG6，GPG7引脚；B1，B2，B4，B8接GPG8～GPG11脚；CLK和74HC4040的Q5端相连。ICL713转换完毕后D5～D4时序如图3所示。ICL7135AD转换完毕后D5产生脉冲，B1～B8输出最高位数值的BCD码，接着D4～D1分别输出下一位数值的BCD码[4]。
2 驱动程序
嵌入式系统采用ARM2440开发板，操作系统为Linux，虚拟仪器驱动程序流程图如图4所示。
其中全局变量GPG（0，3，5，6，7）设置为外部中断模式，GPG（8～11）设置成I/O模式；vaule[ ]存取A/D转换后各位的数值。
3 应用程序设计
嵌入式系统对实时性的要求高，对的GUI提出了更高的要求，嵌入式GUI必须占用空间小、可裁减定制、运行速度快，而且要满足高可靠性和高性能。当前嵌入式轻型GUI的工具库有很多，如Microwindows，MiniGUI，Xfree86，Ot/E等[5]。Qt/E作为嵌入式GUI的实现工具，支持帧缓冲驱动，它可以在没有X?Server或XLib的支持的条件下直接写帧缓冲，节省了内存使用，提高了程序的运行效率[6]。
3.1 交叉编译环境（基于ubuntu?10）
第1步 安装交叉编译工具链[7]：
解压arm?linux?gcc?3.4.1.tar.bz2
解压后的默认目录/usr/local/arm/3.4.1，修改/etc/profile设置环境变量
PATH=/usr/local/arm/3.4.1/bin：￥PATH
第2步 编译tslib?1.4：触摸屏库
解压到/home下
#./autogen.sh
#./configure ??prefix=/home/linux/mytslib ??host=arm?linux ac_cv_func_malloc_0_nonnull=yes
#make
#make install
第3步 交叉编译QT：解压 qt?embedded?linux?opensource?src?4.4.2.tar.gz
进入解压目录运行：
#./configure ?embedded arm ?xplatformqws/linux?arm?g++ ?qt?libpng ?qt?gfx?linuxfb ?qt?gfx?qvfb ?qt?gfx?vnc ?qt?gfx?transformed ?qt?gfx?multiscreen ?qt?kbd?usb –libdir /lib ?confirm?license ?qt?mouse?tslib ?I /home/linux/mytslib/include ?L /home/linux/mytslib/lib
通过configure配置可以增加或者裁减掉opengllibpnglibjpeg等库支持。
#make
#make install
设置Qt环境变量：
QTEDIR=Qt目录
PATH= Qt目录/bin/：￥PATH
LD_LIBRARY_PATH= Qt目录/lib/：￥LD_LIBRARY_PATH
配置完成后用QCreater编写程序，交叉编译成arm开发板可执行文件。
3.2 应用软件编写
Qt采用C++语言编写。为了体现程序可读性，为显示、存储、传输部分分别建立了类[8]。
程序框图如图5所示。
其中：
（1）数据采集部分参考代码：
intfd=open（设备）
read（fd，buffer）
（2）曲线以图片形式存储到U盘参考代码：
fn="/udisk/"+QString：：number（num）+".png"；
pixmap=QPixmap：：grabWidget（&figure）；
pixmap.save（fn，"png"））
远程传输采用串口参考代码：
fd=open（"/dev/ttySAC1"，O_RDWR|O_NOCTTY|O_NDELAY）；
write（fd，data）
图6为虚拟仪表在arm2440开发板运行界面。
4 结 语
本为设计了一种基于嵌入式ARM系统的虚拟仪器，该仪器抗干扰性强，测量精度高，且接口丰富，可实现数据处理、存储、共享，传输。本仪器设置了串口通信传输距离近，如需远程传输数据可采用Socket编程[9]，基于TCP/IP协议实现可靠数据传输。
参考文献
[1] 徐波，童悦.基于虚拟仪器的高准确度电子式电流互感器模拟输出校验系统[J].电力自动化设备，2011，31（2）：146?148.
[2] 王存堂，陈刚，徐国芳.基于ICL7135的电子水平仪[J].灯与照明，2006，30（3）：49?51.
[3] 廖钜锋.7135在智能电压/电流表中的应用[J].中国仪器仪表，2004（5）：44?45.
[4] 井俊凯，章广富，刘明兰.PIC单片机与7135在温度变送器中的应用[J].2006，30（3）：49?51
[5] 陈重文，杨邦荣，李晓卫，等.基于Qtopia Core的嵌入式Linux GUI平台移植与开发[J].四川理工学院学报，2008，21（1）：50?53.
[6] 张娟，张雪兰.基于嵌入式Linux的GUI应用程序的实现[J].计算机应用，2003，23（24）：11?13.
[7] 谭大鹏，李培玉，潘晓弘.基于Qt/E的嵌入式工业监测轻型图形用户界面构件库开发[J].计算机集成制造系统，2009，15（2）：399?405.
[8] HEIMER M K.HANSEN S.Embedded developmentwith Qt/Embedded [J]. Dr. Dobb’s Journal， 2002， 27（3）： 48?53.
[9] 梁小容，万相奎.基于Linux的嵌入式心电监护仪[J].重庆大学学报，2004，27（10）：14?17.
[10] 金锋，武志辉.轻量级嵌入式Linux图形驱动程序与图形用户接口[J].北京理工大学学报，2008（3）：233?236.
[11] 李聪玲.液氧/煤油发动机试验控制系统软件架构与设计[J]. 火箭推进，2009，35（2）：46?53.
[12] 刘丽宁，李志勋.双曲梁传感器推力测量技术应用[J].火箭推进，2009，35（6）：57?61.
