摘 要： 介紹了一種基于MC68EZ328微處理器的嵌入式系統(tǒng)在糧情監(jiān)控系統(tǒng)中的應用，闡述了嵌入式系統(tǒng)的規(guī)劃方案、硬件構成和功能，并在此基礎上提出了完整的軟件、硬件實現方法。
關鍵詞： 嵌入式系統(tǒng) 硬件平臺 軟件平臺 監(jiān)控系統(tǒng)
中國是人口大國，糧食的生產和儲備至關重要。隨著科學技術的不斷進步，人們不僅對糧情監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性提出更高的要求，而且對系統(tǒng)的智能化也提出很高的要求，于是微機監(jiān)控系統(tǒng)被廣泛應用。目前微機監(jiān)控系統(tǒng)按照系統(tǒng)的結構可以分為二種：集散式控制系統(tǒng)（DCS）和現場總線控制系統(tǒng)（FCS）。二者雖然在系統(tǒng)結構上有區(qū)別，但控制思想是一致的，即控制系統(tǒng)的數據采集器和控制執(zhí)行器在空間上分散分布，而控制操作由系統(tǒng)中的控制器集中完成。微機監(jiān)控系統(tǒng)中的監(jiān)控主機就是系統(tǒng)中的集中控制器，它對采集到的數據進行處理，并控制相關設備工作。目前，使用工業(yè)控制計算機作為監(jiān)控主機的較多。工業(yè)控制計算機具有很高的性能和很好的抗干擾能力，能夠長期穩(wěn)定地運行。其缺點是價格較高、體積笨重、安裝操作不方便，在一些工業(yè)應用中并不實用。隨著微電子技術的發(fā)展，微處理器的集成度越來越高，性能越來越強。基于嵌入式處理器的嵌入式系統(tǒng)由于具有性能較高、成本較低、體積小巧、使用靈活方便的優(yōu)點，已經可以取代通用的工控機而在監(jiān)控系統(tǒng)中作為監(jiān)控主機起到集中控制器的作用。
1 監(jiān)控系統(tǒng)的總體設計方案
糧情監(jiān)控系統(tǒng)在結構上分為二層網絡。上面一層網絡采用高速以太網，在每個糧倉都安裝一臺計算機系統(tǒng)作為現地控制單元（LCU），也稱為現地工作站，作為糧倉內的主控制器。中央控制室內的管理主機可以通過以太網與各個糧倉的現地控制單元進行通信?，F地工作站將糧倉內的溫度和濕度數據通過以太網傳送給管理主機，管理主機對采集到的數據建立數據庫進行分析，管理主機也可以通過以太網發(fā)送控制指令給現地工作站。下面一層采用現場總線，糧倉的現地工作站通過現場總線與總線上的智能采集器和智能控制器通信，交換信息發(fā)送指令，進行數據采集和控制。糧倉內外溫濕度采集由基于8051微控制器的智能采集器完成。智能采集器具有現場總線接口，使用數字式溫度傳感器DS18B20采集溫度，使用濕度傳感器采集濕度。糧倉內外的儲糧設備由現場總線上的基于8051微控制器的智能控制器來控制。糧倉的現地工作站可以通過現場總線發(fā)送控制命令給智能控制器，由智能控制器執(zhí)行機械通風和谷物冷卻等調節(jié)措施。某糧庫糧情監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)結構如圖1所示。
這種二層網絡的糧情監(jiān)控系統(tǒng)在上層使用了以太網通信。以太網通信速率高、通信距離遠，因此系統(tǒng)可以消除干擾、提高穩(wěn)定性并可以實現大量數據的實時傳送。在底層采用速度快、抗干擾性能好的現場總線可以簡化現場接線，另外也可以提高通信效率，減少采集信息的誤碼率。其次，這種二層網絡結構的糧情監(jiān)控系統(tǒng)在底層網絡中加入控制節(jié)點，實現了監(jiān)控一體，提高了自動化水平和生產效率，是儲糧技術上的新突破。另外，在糧倉外安裝現地控制單元，可以進行現地查詢和操作，為操作人員提供了方便。由于使用了現地工作站, 現地工作站可以實現現地監(jiān)控主機的功能。這樣底層的網絡可以脫離上層網絡獨立使用，大大提高了系統(tǒng)的靈活性和可擴展性。
2 嵌入式系統(tǒng)在糧情監(jiān)控系統(tǒng)中的使用及設計
在這種二層網絡的糧情監(jiān)控系統(tǒng)方案中，安裝在糧倉的現地工作站是整個系統(tǒng)的關鍵。通常的解決方案是采用一臺工控機作為現地工作站。這種方案的優(yōu)點是開發(fā)難度小、技術成熟，在工控機內安裝以太網卡和現場總線接口卡，再開發(fā)應用軟件，就可以滿足應用。但這種方案中所有的硬件都需要購買，技術含量低、成本很高，而且安裝維護十分不方便。在需求數目比較大時，這種方案并不適合。在某糧庫糧情監(jiān)控系統(tǒng)中，由于對現地工作站的性能要求并不高，又鑒于嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)點，系統(tǒng)決定采用自行設計的一款基于嵌入式系統(tǒng)的現地工作站取代工控機進行現地控制。根據某糧庫糧情監(jiān)控系統(tǒng)的要求，這種嵌入式現地工作站的核心采用Motorola 的32位嵌入式微處理器MC68EZ328，系統(tǒng)中固化了Linux操作系統(tǒng)和應用軟件，擴展了以太網接口和現場總線接口，支持LCD顯示和鍵盤操作。雖然這個嵌入式系統(tǒng)的功能沒有工控機強大，但是成本很低、在現場安裝維護十分方便、易操作。對于糧情監(jiān)控系統(tǒng)這種任務不多的情況，這是一種很好的方案。
2.1 系統(tǒng)硬件平臺設計
嵌入式現地工作站由CPU模塊和若干個擴展模塊組成。CPU模塊是系統(tǒng)的核心，上面有一個CPU的最小系統(tǒng)，包括微處理器、電壓管理、時鐘電路、DRAM、Flash Memory等部分。外圍還擴展了LCD接口、鍵盤接口和串口，以及總線驅動電路等。其硬件結構如圖2所示。嵌入式現地工作站采用了motorola公司的68K系列中的68EZ328嵌入式微處理器，它主要有以下優(yōu)點：
(1)糧情監(jiān)控系統(tǒng)對嵌入式工作站的性能要求不高，但對成本比較敏感。68EZ328的性能并不出眾，整數運算只有2.7MIPS (16MHz)，但其價格很低。
(2)68EZ328集成度比較高，提供了大量的片上外設接口，降低了系統(tǒng)的開發(fā)難度。特別是LCD控制器和DRAM控制器，使LCD和DRAM的擴展變得相當簡單。
(3)68EZ328微處理器提供8位和16位的外部數據接口，這樣微處理器可以方便地擴展外圍電路。
(4)68EZ328嵌入式微處理器支持通過串口下載程序到DRAM運行，使系統(tǒng)開發(fā)難度降低。
(5)68EZ328嵌入式微處理器應用廣泛，技術支持較好。
嵌入式現地工作站(Embed LCU)是一個嵌入式系統(tǒng)。它的硬件結構與一般通用的計算機系統(tǒng)類似，但也有其獨有的特點。嵌入式現地工作站的硬件核心是嵌入式微處理器的最小系統(tǒng)。最小系統(tǒng)由嵌入式微處理器、復位電路、電源電路和時鐘電路以及程序存儲器和數據存儲器組成。嵌入式微處理器的最小系統(tǒng)可以運行固化在程序存儲器中的嵌入式操作系統(tǒng)和應用程序。但如果要應用到實際系統(tǒng)中，滿足系統(tǒng)的功能要求，還要在外部擴展一些需要的功能電路和通信接口電路。在為某糧庫糧情監(jiān)控系統(tǒng)設計的嵌入式現地工作站中，為了實現現地查詢和操作的功能，擴展了鍵盤和LCD顯示屏。為了實現和中央控制室內的監(jiān)控主機進行通信，擴展了10MB以太網接口電路。為了實現對糧倉內外檢測節(jié)點和控制節(jié)點進行控制和通信，擴展了CAN總線接口電路。
現地嵌入式工作站與上位機的通信采用以太網，以太網通信接口由以太網控制器CS8900A及其外圍電路實現。另外68EZ328微處理器還集成了一個UART（通用異步收發(fā)模塊）接口，它支持標準的異步傳輸協議，支持300bps～1152kbps的波特率。利用這個UART接口可以擴展出如圖3所示的RS-232通信接口電路。
嵌入式現地工作站與下位機通過CAN總線通信。由于CAN總線控制器SJA1000與微處理器的接口采用的是分時復用的地址/數據總線，而嵌入式微處理器68EZ328采用的是分開的數據總線和地址總線，所以68EZ328的地址線和數據線與SJA1000的復用的地址線和數據線不能直接相連。為了解決這個問題，設計中采用PC機中的CAN總線適配卡的設計方案，即使用一個單片機系統(tǒng)負責收發(fā)CAN總線信號，在單片機系統(tǒng)和嵌入式微處理器之間采用一片雙口RAM作為緩沖單元，實現嵌入式微處理器和單片機系統(tǒng)之間的數據傳送，完成微處理器的CAN總線通信功能。CAN總線接口的系統(tǒng)框圖如圖4所示。在CAN總線控制器和CAN總線接口芯片之間，為了增強CAN總線通信的抗干擾能力，使用了2個由高速光耦6N137構成的隔離電路，光耦兩側采用DC-DC對兩側的電源進行了隔離，從而大大提高通信的可靠性和穩(wěn)定性。
2.2 系統(tǒng)軟件平臺設計
嵌入式工作站的軟件平臺是以嵌入式Linux為核心的操作系統(tǒng)，它與底層的硬件進行交互，為上層應用程序提供一個執(zhí)行環(huán)境。
一個最小的嵌入式Linux系統(tǒng)僅僅需要：(1)一個用以引導的可用工具；(2)一個具備進程管理，內存管理的Linux微內核；(3)一個初始化進程。
要使最小嵌入式系統(tǒng)具有實用性還需要具備：(1)各種必須的硬件驅動程序；(2)一個或幾個應用進程提供最終的應用功效。隨著對系統(tǒng)要求的增加(如連接以太網網絡等)，還需要增加下列組件：一個文件系統(tǒng)及TCP/IP網絡協議棧。本文設計的嵌入式系統(tǒng)包括：(1)系統(tǒng)引導模塊，其中包括對CPU工作模式和寄存器的設置，也稱片級初始化；對必須的外部設備設置并提供讀寫驅動，也稱板級初始化。(2)Linux內核模塊，改成適合MC68EZ328微處理器無內存管理的特點。(3)文件系統(tǒng)鏡像模塊，提供初始化進程的程序和應用程序。
3 結束語
本文針對糧情監(jiān)控系統(tǒng)的特點，提出了一種基于嵌入式系統(tǒng)的糧情監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案。該方案已在中央直屬某糧庫中實際應用，并取得了良好的經濟效益。
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