基于嵌入式Linux的粘度计设计*

2015-05-09黄战华

传感技术学报 2015年1期

关键词：细分触摸屏液体

黄战华,谌刚

(天津大学精密仪器与光电子工程学院,光电信息技术教育部重点实验室(天津大学),天津 300072)

基于嵌入式Linux的粘度计设计*

黄战华*,谌刚

(天津大学精密仪器与光电子工程学院,光电信息技术教育部重点实验室(天津大学),天津 300072)

传统的旋转式粘度计的测量方式具有许多弱点,比如使用单片机进行控制,因此主要采用黑白液晶屏,显示效果不佳,其操作采用不便捷的按键式,转速控制简单,可调的转速档位较少等。本文主要介绍了一种新型的触摸屏粘度计的设计。它采用ARM9,CPLD和触摸屏搭建硬件平台,Linux系统和QTE为软件平台,使用细分精确控制步进电机,有更好的触摸屏界面和粘度测量方法。此粘度计具有直观的彩色触摸显示屏操作,随意的转速控制,自动扫描式测量,无需电脑即可进行流变数据分析等优点。并且具有良好的可扩展性。

粘度计;嵌入式Linux;扫描测量;触摸屏;ARM

粘度测量在食品,石油,化妆品,涂料等各行各业都起到了越来越大的作用,各种行业的标准的制定也涉及到粘度值,粘度计的市场也逐年增大,对粘度计的性能,功能和使用体验也提出了一定的要求。

粘度计的研究国外一直处于领先的水平,目前国外对于基于嵌入式系统的粘度计的研究已经有相关成果[1-4],BROOKFIELD公司也推出了一些相关产品,但是其在触摸屏上能完成的工作较少,只是复刻了传统粘度计的操作方法,并让操作变得直观一些,对于在不连接PC时的功能没有更好的扩充;而国内相关研究较少,主要集中在粘度计的功能扩展上的一些讨论[5-11]。本文主要介绍在触摸屏粘度计的基础结构的设计和实现一些更加高级的测量方法,以及讨论基于此方案的一些优势和其他可能的使用方法。

对于旋转式粘度计,传统的粘度计有机械指针式和数字液晶屏显示两种类型,操作多采用按键操作,在不同的功能间切换需要重复按键数次才能完成,显示效果也不够理想,多采用象征字符表示功能,可选择的电机转速也是有限的几个,测量功能单一,无法实现自动测量,另外,测量结果的展示和保存的功能也比较不完善,目前其最佳的方案是采用与计算机相连实现数据的实时处理和保存。

结合ARM和嵌入式Linux系统开发的触摸真彩屏粘度计,其操作上使用触摸点按,快速切换到需要的功能,操作直观,显示完善准确,测量功能得到加强,转速选择可以让用户自定义,测量结果可以在大屏幕上直接显示和分析,也可以直接保存成文件和传输到电脑。从而大大提升了粘度计的使用体验。

对于非牛顿液体,传统的粘度计需要使用计算机联机,才能进行高级的粘度测量和流变曲线分析[12-16]。使用该系统,可以不使用电脑就直接进行高级的粘度测量和转速控制,同时可以在触摸屏上面绘制出转速粘度曲线,流变曲线,通过屏幕绘制的曲线可以对液体的流变特性进行简单的分析,这对于传统粘度计是无法办到的。

1 旋转粘度计的测量原理

普通单圆筒式同轴圆筒结构的旋转粘度计的结构如图1所示,当液体为牛顿液体时,可以推导出粘度计算公式马古尔斯式

(1)

对于相对测量,此公式可以写成

(2)

图1 旋转粘度计结构

式(2)中,f称为流场系数,只与转筒的内外筒尺寸有关,M是扭矩,ω为转筒旋转的角速度[17-19]。我们需要用扭矩传感器测量出转筒旋转过程中的扭矩,结合转筒的角速度和转子的型号就可以测量出液体的粘度。当使用自定义的转子时,我们通过已知粘度的液体测量f值,之后就可以用此转子和转筒来测量粘度。

2 硬件电路结构设计

系统的硬件电路如图2所示。

图2 硬件电路结构

为了满足系统的CPU能运行Linux,负载彩色触摸屏的能力和成本控制,我们选用的是三星的ARM9系列的S3C2440,通过ARM的系统总线连接CPLD来控制系统的其他电路。与CPLD连接的SRAM保存细分数据,通过CPLD提供的读写时序信号将SRAM数据写入DAC来实现步进电机的细分控制。ADC可以将从扭矩传感器,温度传感器的输入模拟信号转换成数字信号,然后通过CPLD传入ARM处理。系统可以通过串口和USB与上位机进行通信。

3 步进电机细分控制

为了控制步进电机在低速运转和高速运转时都能稳定的运行,在步进电机不同的转速下,我们分别对步进电机进行32,16,8,4细分。对于步进电机的驱动电路,我们使用的DAC和驱动芯片是NJU39610和NJM3771,NJU39610的写时序入图3所示。

NJU39610写数据分单脉冲写入和双脉冲写入两种模式,图2所示的这种模式是双脉冲写入模式,每次写数据期间写入两个数据,分别对应DAC的两个通道的数据,这两个通道的数据经过转换成为步进电机驱动芯片NJM3771的控制信号。NJM3771通过控制信号来准确控制步进电机的相电流实现步进电机的细分运行。

与CPLD相连的SRAM为8位数据线,为了实现步进电机的各种细分,我们将SRAM地址[9:0]对应的内存分成4段,对应于地址[9:8]分别为00,01,10,11。每段内存都分别保存着对应于32,16,8,4细分需要循环写入到NJU39610的两个通道的256个细分数据。电机运行时,低位[7:0]进行逐位循环读。将这段内存中的256个数据循环写入NJU39610的两个通道,每个通道128个数据。每个数据8位,最高位代表电流的方向,低7位表示电流的大小。在Linux加载驱动的时候将这4×256个数据保存到SRAM中,启动步进电机时,只需要开启CPLD中相关的读写时序和设置[9:8]地址线的值切换到细分相应的地址段即可完成电机的细分运转。

通过使用多重的细分控制和稳定的读写时序,可以让步进电机运行的更加平稳,转速更加均匀,在低转速和高转速下均可以稳定的满足粘度计的运转需求。

图3 芯片NJU39610写时序

4 Linux驱动和软件实现

为实现更好的界面,我们使用了Linux+QTE的方式来实现触摸屏的界面,由于Linux的应用是无法直接访问硬件底层的,需要实现驱动来帮助应用程序控制CPLD实现相关的功能,我们实现了两个驱动来完成这些任务,一个驱动完成步进电机细分控制,另一个驱动完成ADC数据的读取,两个驱动都挂在Linux的Platform总线上。

图4 软件操作流程

软件方面,QTE使用了4.8.5版本,界面采用触摸屏操作。主要完成触摸小键盘,触摸界面和系统控制的开发,软件的流程如图4所示。自动测量界面实现了粘度的自动扫描测量,实现方式为,使转子在某个转速下旋转,直到扭矩稳定再跳到下一个转速值,如此反复实现扫描测量。在实验的小节中,将展示初期的触摸界面。

5 实验

步进电机运转速度和NJU39610的读写频率是线性关系,因此保证NJU39610的读写频率的稳定性和线性度至关重要。我们使用ARM的PWM作为读写信号的频率基准来控制步进电机的转速,ARM的PWM频率可以通过Linux驱动来修改,最终测量的频率的误差如图5所示。

图5 PWM频率误差测量结果

图5中,横轴表示ARM的PWM输出频率,纵轴为误差,从图中可以看出,计算出的PWM频率误差和实际测量出来的PWM频率误差的差值在所有的频率范围内都是保持一致的,为0.013%,这个误差是由ARM系统频率的固定误差导致的,是无法消除的。系统的另一个误差是由于计算结果输入到ARM的寄存器必须把浮点数取整所导致的。由于使用了嵌入式Linux系统,资源充足,因此在实际的测量中,我们可以通过计算出写入寄存器后数据对应的实际频率,并且以该实际频率为基准计算粘度来消除这个误差。因此对应于电机旋转转速的PWM频率的误差可以缩小到0.013%。这个误差对粘度测量完全可以忽略。

ARM输出的PWM脉冲到CPLD,CPLD内部以此PWM为基准输出NJU39610的写时序,精确控制电机的转速,而SRAM和CPLD的配合实现的细分让电机在低转速的情况下依然能够平稳的转动。

系统的最终实验图如图6,为了验证系统的正常工作,我们用润滑油进行了粘度测量实验,首先假定其粘度为10000cP,用这个值进行转子的校准,转子校准完成以后,我们用这个转子进行主界面的测量和自动测量界面的测量验证。

图6 实验装置图

图7 转子校准界面

转子校准的界面如图7,通过设定转速范围,转速间隔,校准液粘度等数值以后,启动校准,系统自动用不同转速对转子的F值进行校准,图中斜线为转速值,水平曲线为当前转速的F值,水平的直线为F平均值,也是我们所取得转速值。实验结果可知转子运转稳定,计算出的F数在不同的转速下有很高的稳定性。表明了系统的稳定性。主界面如图8所示,在该界面下我们设置转速为10r/min,测量结果显示,粘度在10 000cP附近,表示可以用校准后的转子进行正常的测量。自动测量的界面如图9,该界面可以自动测量设定好的转速范围,转速间隔的各种转速下的粘度值,并用图表显示,实验结果表明,系统粘度测量稳定,在不同的转速值下,粘度测量结果稳定可靠,满足设计需求。

图8 主测量界面

图9 自动测量界面

传统粘度计测量牛顿液体时,必须非常慎重的选择转速,因为扭矩和转子转速的线性空间是有限的,本粘度计可以选择较大范围的进行扫描测量,直接找到最佳的线性度区间,测量出最佳线性范围的粘度值,或者在最佳粘度范围取平均得液体的粘度值,这对粘度测量的稳定性和准确性都有较大的提升。

对于非牛顿液体,扭矩和转速没有良好的线性关系,传统粘度计的少量的转速取值是不够的。由于本系统使用了高级的硬件配置和嵌入式Linux系统,通过高密度的粘度自动扫描测量,此粘度计可以分析出牛顿液体的粘度-转速曲线或流变曲线,这些曲线可以作为这种物质的一种特征曲线,并且这些曲线可以保存到Flash,U盘中作为该液体的分析材料,或者发送给PC进行处理,同时,在不使用PC的情况下,可以通过在屏幕界面上直接观察液体的相关曲线快速的对液体的流变特性进行简单的分析,这对于传统粘度计也是无法办到的。

6 结论

通过搭建触摸屏粘度计平台,和相应的验证,我们了解到此粘度计具有高精度转速控制,更好的操作体验,自动扫描式测量,绘制液体粘度特性曲线等优点。同时,此平台是基于ARM和Linux设计的,具有很好的软件、硬件功能可扩展性。比如,为系统添加网卡支持使粘度计具有联网粘度在线测量的能力,添加打印机使粘度计具备自动测量报告打印等诸多功能,对粘度计的使用便捷度将有更大的提升。

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Design of Viscometer Based on Embedded Linux*

HUANGZhanhua*,SHENGang

(College of Precision Instrument and Optoelectronics Engineering,Tianjin University,Key Laboratory of Opto-electronics Information Technology(Tianjin University),Ministry of Education,Tianjin 300072,China)

Traditional viscometer has more vulnerability.It uses SCM to control so it has bad visual effect for it mainly uses B and W screen LCD;and it is operated based on inconvenient touch-tone switch;what’s more,there are less rotate speed gears for adjusting.In order to overcome these disadvantages,a new design of viscometer was proposed,whose hardware platform was built out by adopting ARM9,CPLD and touch screen,and software platform was based on Linux and QTE.It contains the accurate control system of the stepper motor subdivision,touch-screen interface and viscosity measurement methods.This viscometer has many advantages,such as intuitive touch operation,color display,free rotation rate control,automatic scanning measure,and rheological data analysis without PC.And it has good scalability.

viscometer;embedded Linux;scanning measure;touch screen;ARM