??? 摘 要： 介紹了生物發(fā)酵過(guò)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)以ARM處理器S3C44B0X為核心，在嵌入式操作系統(tǒng) uC/0S-Ⅱ下實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與顯示，并利用PTR2000實(shí)現(xiàn)了與上位機(jī)" title="上位機(jī)">上位機(jī)之間的無(wú)線通信。
??? 關(guān)鍵詞： ARM? VC? 無(wú)線傳輸
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??? 近年來(lái), 生物工程技術(shù)越來(lái)越引起科技界、工業(yè)界和政府部門(mén)的重視。生物工程的許多成果需要經(jīng)過(guò)發(fā)酵過(guò)程而轉(zhuǎn)化為工業(yè)產(chǎn)品，因此,發(fā)酵罐及其系統(tǒng)在生物工程中顯得越來(lái)越重要。發(fā)酵過(guò)程是涉及微生物細(xì)胞生長(zhǎng)代謝的復(fù)雜過(guò)程,是一非線性的時(shí)變系統(tǒng),影響因素復(fù)雜,參數(shù)相關(guān)性嚴(yán)重。因此,發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程的參數(shù)測(cè)量、操作監(jiān)視成為生物工程優(yōu)化管理與自動(dòng)化的關(guān)鍵問(wèn)題。本文采用ARM單片機(jī)對(duì)發(fā)酵罐中的環(huán)境變量進(jìn)行自動(dòng)采集、存儲(chǔ)、顯示，并將這些數(shù)據(jù)經(jīng)PTR2000無(wú)線傳輸模塊傳至控制中心的上位機(jī)（上位機(jī)軟件系統(tǒng)采用VC++）實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)" title="下位機(jī)">下位機(jī)的串行通信和對(duì)數(shù)據(jù)的分析、存盤(pán)、打印、報(bào)警、顯示等功能，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)酵系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控、優(yōu)化了生產(chǎn)工藝、提高了設(shè)備的可利用率。該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高、可靠性好、實(shí)用性強(qiáng)，有很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。
１系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
??? 由于實(shí)際發(fā)酵過(guò)程比較復(fù)雜，涉及到微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝，是一個(gè)具有時(shí)變性、隨機(jī)性和多變量輸入的動(dòng)態(tài)過(guò)程。有些變量（如菌體濃度、基質(zhì)濃度、產(chǎn)物得率等）在線檢測(cè)困難，且不能直接作為被控變量，因此，在發(fā)酵過(guò)程中主要采用與質(zhì)量有關(guān)的變量，如溫度、攪拌轉(zhuǎn)速、PH值、溶解氧濃度、通氣量、泡沫高度等作為被控變量。針對(duì)發(fā)酵過(guò)程中影響微生物代謝的各環(huán)境參數(shù)的重要性，本系統(tǒng)只對(duì)溫度、PH值、溶解氧濃度和泡沫高度進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣。
系統(tǒng)在工廠控制中心室配置一臺(tái)PC機(jī)作為上位機(jī)，在工廠發(fā)酵罐現(xiàn)場(chǎng)使用可擴(kuò)展的ARM單片機(jī)作為下位機(jī)，即ARM單片機(jī)同現(xiàn)場(chǎng)的發(fā)酵罐直接相連，按照溫度、PH值、溶解氧濃度、泡沫高度的順序分回路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集" title="數(shù)據(jù)采集">數(shù)據(jù)采集、顯示，再通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，而上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并繪制成實(shí)時(shí)曲線顯示，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)酵罐的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖如圖１所示。
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２ 硬件設(shè)計(jì)
??? 系統(tǒng)下位機(jī)采用基于ARM7TDMI-S內(nèi)核μC/OS-II的低功耗ARM處理器S3C44B0X，它是三星公司專為手持設(shè)備和一般應(yīng)用提供的高性價(jià)比的微控制器解決方案。S3C44B0X具有ARM處理器的所有優(yōu)點(diǎn)：低功耗、高性能 。具有豐富的片上資源：8KB高速緩存、可配置的片內(nèi)SRAM、LCD控制器、兩路握手功能的UART（通用串行口）、四路DMA控制器、系統(tǒng)管理功能（片選邏輯、FP/EDO/SDRAM控制器）、五路帶PWM的定時(shí)器、I/O接口、RTC（時(shí)鐘）、八路10位ADC、IIS總線、同步SIO接口和為系統(tǒng)提供時(shí)鐘的PLL倍頻電路，且S3C44B0X集成了LCD控制器，可以將顯示緩存中的數(shù)據(jù)傳送到外部的LCD驅(qū)動(dòng)電路中，非常適合嵌入式產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。由于使用了該處理器眾多功能模塊使得本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，減少了系統(tǒng)的復(fù)雜度。
2.1 無(wú)線傳輸模塊
由于S3C44B0X處理器要采集發(fā)酵現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，然后傳輸給上位機(jī)進(jìn)行處理。若使用RS485或者CAN等網(wǎng)絡(luò)，因這些網(wǎng)絡(luò)均基于有線傳輸，使用中不僅要考慮成本，而且還要考慮數(shù)據(jù)傳輸中的干擾因素。而無(wú)線傳輸成本相對(duì)低，并且傳輸中的干擾較少，這在一定程度上提高了傳輸?shù)目煽啃?，具有一定的?yōu)勢(shì)。因此本系統(tǒng)采用基于nRF401的無(wú)線通信模塊PTR2000，該器件采用抗干擾能力較強(qiáng)的FSK調(diào)制/解調(diào)方式，工作頻率穩(wěn)定可靠、外圍元件少、功耗低、便于設(shè)計(jì)生產(chǎn)，是目前集成度最高的一種無(wú)線傳輸芯片。S3C44B0X處理器含有兩路握手功能的UART接口，系統(tǒng)將UART0的TXD、RXD直接與PTR2000相連接。
上位機(jī)通過(guò)PTR2000與S3C44B0X進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。PTR2000與PC機(jī)相連接時(shí)必須經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換，即將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232C電平，用一片MAX232芯片便可以完成該轉(zhuǎn)換。用串口" title="串口">串口的RTS與PTR2000的TXEN連接來(lái)控制PTR2000無(wú)線收發(fā)模塊的收發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)換。
2.2 數(shù)據(jù)采集模塊及液晶顯示
下位機(jī)系統(tǒng)每隔1秒鐘通過(guò)四個(gè)傳感器分別對(duì)發(fā)酵罐的溫度、PH值、溶解氧和泡沫高度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。由于各傳感器的輸出均為模擬信號(hào),而A/D" title="A/D">A/D轉(zhuǎn)換器采集接收的是電壓信號(hào),所以各傳感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)變送器進(jìn)行信號(hào)變換后,輸出的電壓信號(hào)為0～5V，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器傳至S3C44B0X處理器進(jìn)行處理。S3C44B0X自身雖集成有8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，但沒(méi)有采樣保持電路，其內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換只能輸入0～100Hz的模擬信號(hào)，因此需要進(jìn)行擴(kuò)展。系統(tǒng)采用AD7829器件作為A/D轉(zhuǎn)換器，利用S3C44B0X的PD口發(fā)出的脈沖作為AD7829的CONVEST的負(fù)脈沖進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)實(shí)現(xiàn)發(fā)酵罐的多參數(shù)采集。
液晶系統(tǒng)采用精電蓬遠(yuǎn)公司的MOBI2006液晶顯示器，該顯示器為128×64點(diǎn)陣圖形液晶，可顯示8行西文、數(shù)字字符或者4行漢字，系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示發(fā)酵過(guò)程中溫度、PH值、溶解氧濃度、泡沫高度的值。圖2為硬件設(shè)計(jì)原理圖。
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3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，將系統(tǒng)軟件分為下位機(jī)軟件和上位機(jī)軟件分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。
3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)采用當(dāng)前流行的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù),采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ,并使用ARM和Thumb指令集混合編譯來(lái)優(yōu)化代碼密度。首先，將實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ移植到S3C44B0X嵌入式微處理器上，將系統(tǒng)所要完成的功能細(xì)化為幾個(gè)核心任務(wù)，由μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)內(nèi)核進(jìn)行調(diào)度，以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的并行操作，使系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性得到大幅提升。按系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能要求，整個(gè)系統(tǒng)劃分為幾個(gè)并行存在的任務(wù)，占先式操作系統(tǒng)對(duì)任務(wù)的調(diào)度是按優(yōu)先權(quán)的高低進(jìn)行的。系統(tǒng)的所有任務(wù)按其優(yōu)先級(jí)從高到低的順序依次是：系統(tǒng)監(jiān)視、LCD顯示和數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)采集部分在定時(shí)器中斷程序中執(zhí)行，即每1秒鐘按溫度、PH值、溶解氧濃度、泡沫高度的順序分回路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。其中，系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)用來(lái)監(jiān)視其他任務(wù)。當(dāng)被監(jiān)視任務(wù)在執(zhí)行過(guò)程中出現(xiàn)差錯(cuò)時(shí)，系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)將按照預(yù)先設(shè)定的處理表對(duì)其進(jìn)行處理，使出錯(cuò)的任務(wù)恢復(fù)正常運(yùn)行，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化操作，初始化所有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分配堆棧空間，然后建立任務(wù)間通信的信號(hào)量或消息隊(duì)列，進(jìn)行任務(wù)建立及分配任務(wù)優(yōu)先權(quán)。所有新建的任務(wù)被置為就緒態(tài)，系統(tǒng)程序從優(yōu)先權(quán)最高的任務(wù)開(kāi)始執(zhí)行。圖3為下位機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行流程圖。圖4是下位機(jī)系統(tǒng)軟硬件原理圖。
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3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
?? ? 為實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理，需編制上位機(jī)監(jiān)控界面。若采用專業(yè)的組態(tài)軟件編制，對(duì)系統(tǒng)的硬件配置要求很高，同時(shí)價(jià)格也非常昂貴，且不便于軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與升級(jí)。采用VC++來(lái)編寫(xiě)上位機(jī)監(jiān)控軟件，采用基于Windows的窗口化程序設(shè)計(jì)MFC，人機(jī)界面不但生動(dòng)直觀，而且操作簡(jiǎn)單，用它來(lái)實(shí)現(xiàn)底層的通信控制有著更快的效率。上位機(jī)軟件系統(tǒng)包括通信模塊和監(jiān)控程序兩部分。
3.2.1 通信模塊
??? ?在標(biāo)準(zhǔn)RS-232串口通信方面，VC++提供了具有強(qiáng)大功能的通信控件MSComm。該控件可設(shè)置串行通信的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，對(duì)串口狀態(tài)及串口通信的信息格式和協(xié)議進(jìn)行設(shè)置，是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的10位串口通信，包括8位數(shù)據(jù)、1位起始位和1位停止位。在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)過(guò)程中觸發(fā)OnComm事件，通過(guò)編程訪問(wèn)CommEvent的屬性了解通信事件的類型，進(jìn)行各自的處理。每個(gè)通信控件對(duì)應(yīng)一個(gè)串口，可以設(shè)計(jì)多個(gè)通信控件來(lái)訪問(wèn)多個(gè)通信口。控件提供了功能完善的串口數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收功能，MSComm控件具有兩種處理方式：事件驅(qū)動(dòng)方式，由MSComm控件的OnComm事件捕獲并處理通信錯(cuò)誤及事件；查詢方式，通過(guò)檢查CommEvent屬性的值來(lái)判斷事件和錯(cuò)誤。本系統(tǒng)采用事件驅(qū)動(dòng)方式。
3.2.2 監(jiān)控程序設(shè)計(jì)
通過(guò)VC圖形編程工具，監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)發(fā)酵過(guò)程中各環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及曲線、歷史數(shù)據(jù)及曲線的顯示。
進(jìn)入監(jiān)控主界面，首先要對(duì)串行口進(jìn)行初步設(shè)置,然后按下開(kāi)始按鈕使系統(tǒng)開(kāi)始工作。此時(shí)界面開(kāi)始動(dòng)態(tài)顯示各發(fā)酵環(huán)境控制量的數(shù)值，而且還能夠反映出蠕動(dòng)泵的開(kāi)與關(guān)（分別用綠色和紅色表示）的狀態(tài)、控制循環(huán)水通斷的循環(huán)泵的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。主界面中還標(biāo)出了純凈空氣及溫控循環(huán)水的流動(dòng)方向，同時(shí)主界面能夠?qū)崟r(shí)顯示發(fā)酵過(guò)程的當(dāng)前時(shí)間、發(fā)酵系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間，在主界面中發(fā)酵罐的基本概況一目了然，如圖5所示。
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在曲線菜單項(xiàng)中，能夠以圖形曲線的方式顯示發(fā)酵過(guò)程數(shù)據(jù)的變化情況，如圖6所示。通過(guò)此功能，對(duì)發(fā)酵過(guò)程可有一個(gè)直觀的了解，并以此作為判斷發(fā)酵過(guò)程是否正常的依據(jù)。接收到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)在接收數(shù)據(jù)區(qū)中顯示的同時(shí)，也被存入一個(gè).txt文件和Access數(shù)據(jù)庫(kù)中?？梢源蜷_(kāi)指定路徑.txt文件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，另外也可以點(diǎn)擊設(shè)置菜單項(xiàng)中的“數(shù)據(jù)庫(kù)管理”子菜單項(xiàng)對(duì)Access數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理、編輯,利用Access數(shù)據(jù)庫(kù)的強(qiáng)大數(shù)據(jù)管理功能進(jìn)行數(shù)據(jù)的管理。
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??? 基于ARM處理器實(shí)現(xiàn)了生物發(fā)酵遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究，其硬件設(shè)計(jì)本著低成本、低功耗、小體積和實(shí)時(shí)性的設(shè)計(jì)思想，建立了基于S3C44B0X的下位機(jī)嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、LCD顯示、無(wú)線數(shù)據(jù)通信等功能，使系統(tǒng)的整體性能有了很大的提高。利用VC++實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)酵過(guò)程的上位機(jī)監(jiān)控，監(jiān)控系統(tǒng)界面具有罐體溫度、PH值、溶解氧濃度、泡沫液位等參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、處理以及實(shí)時(shí)曲線顯示、報(bào)表打印等功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)酵系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控。人機(jī)界面不但生動(dòng)直觀，而且操作簡(jiǎn)單。該系統(tǒng)在發(fā)酵罐自動(dòng)化改造中已經(jīng)取得了良好的效果,具有很好的工程推廣價(jià)值。該系統(tǒng)也可擴(kuò)展應(yīng)用到其他領(lǐng)域相關(guān)過(guò)程的控制中。
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