??? 摘 要： 介紹了生物發(fā)酵過程監(jiān)測系統(tǒng)的設計。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下實現(xiàn)了發(fā)酵過程中現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與顯示，并利用PTR2000實現(xiàn)了與上位機" title="上位機">上位機之間的無線通信。
??? 關鍵詞： ARM? VC? 無線傳輸
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??? 近年來, 生物工程技術越來越引起科技界、工業(yè)界和政府部門的重視。生物工程的許多成果需要經(jīng)過發(fā)酵過程而轉化為工業(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越重要。發(fā)酵過程是涉及微生物細胞生長代謝的復雜過程,是一非線性的時變系統(tǒng),影響因素復雜,參數(shù)相關性嚴重。因此,發(fā)酵生產(chǎn)過程的參數(shù)測量、操作監(jiān)視成為生物工程優(yōu)化管理與自動化的關鍵問題。本文采用ARM單片機對發(fā)酵罐中的環(huán)境變量進行自動采集、存儲、顯示，并將這些數(shù)據(jù)經(jīng)PTR2000無線傳輸模塊傳至控制中心的上位機（上位機軟件系統(tǒng)采用VC++）實現(xiàn)上、下位機" title="下位機">下位機的串行通信和對數(shù)據(jù)的分析、存盤、打印、報警、顯示等功能，從而實現(xiàn)了對發(fā)酵系統(tǒng)生產(chǎn)過程的實時遠程監(jiān)控、優(yōu)化了生產(chǎn)工藝、提高了設備的可利用率。該系統(tǒng)自動化程度高、可靠性好、實用性強，有很好的市場應用前景。
１系統(tǒng)總體設計
??? 由于實際發(fā)酵過程比較復雜，涉及到微生物細胞的生長和代謝，是一個具有時變性、隨機性和多變量輸入的動態(tài)過程。有些變量（如菌體濃度、基質濃度、產(chǎn)物得率等）在線檢測困難，且不能直接作為被控變量，因此，在發(fā)酵過程中主要采用與質量有關的變量，如溫度、攪拌轉速、PH值、溶解氧濃度、通氣量、泡沫高度等作為被控變量。針對發(fā)酵過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)只對溫度、PH值、溶解氧濃度和泡沫高度進行實時采樣。
系統(tǒng)在工廠控制中心室配置一臺PC機作為上位機，在工廠發(fā)酵罐現(xiàn)場使用可擴展的ARM單片機作為下位機，即ARM單片機同現(xiàn)場的發(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，再通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳送到上位機，而上位機對數(shù)據(jù)進行處理并繪制成實時曲線顯示，從而實現(xiàn)發(fā)酵罐的遠程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測。系統(tǒng)基本結構框圖如圖１所示。
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２ 硬件設計
??? 系統(tǒng)下位機采用基于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備和一般應用提供的高性價比的微控制器解決方案。S3C44B0X具有ARM處理器的所有優(yōu)點：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的定時器、I/O接口、RTC（時鐘）、八路10位ADC、IIS總線、同步SIO接口和為系統(tǒng)提供時鐘的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驅動電路中，非常適合嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)。由于使用了該處理器眾多功能模塊使得本系統(tǒng)結構緊湊，減少了系統(tǒng)的復雜度。
2.1 無線傳輸模塊
由于S3C44B0X處理器要采集發(fā)酵現(xiàn)場數(shù)據(jù)，然后傳輸給上位機進行處理。若使用RS485或者CAN等網(wǎng)絡，因這些網(wǎng)絡均基于有線傳輸，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。而無線傳輸成本相對低，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。因此本系統(tǒng)采用基于nRF401的無線通信模塊PTR2000，該器件采用抗干擾能力較強的FSK調制/解調方式，工作頻率穩(wěn)定可靠、外圍元件少、功耗低、便于設計生產(chǎn)，是目前集成度最高的一種無線傳輸芯片。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。
上位機通過PTR2000與S3C44B0X進行實時通信。PTR2000與PC機相連接時必須經(jīng)過電平轉換，即將TTL電平轉換為RS-232C電平，用一片MAX232芯片便可以完成該轉換。用串口" title="串口">串口的RTS與PTR2000的TXEN連接來控制PTR2000無線收發(fā)模塊的收發(fā)狀態(tài)轉換。
2.2 數(shù)據(jù)采集模塊及液晶顯示
下位機系統(tǒng)每隔1秒鐘通過四個傳感器分別對發(fā)酵罐的溫度、PH值、溶解氧和泡沫高度進行實時檢測。由于各傳感器的輸出均為模擬信號,而A/D" title="A/D">A/D轉換器采集接收的是電壓信號,所以各傳感器輸出的模擬信號經(jīng)過變送器進行信號變換后,輸出的電壓信號為0～5V，再經(jīng)A/D轉換器傳至S3C44B0X處理器進行處理。S3C44B0X自身雖集成有8路10位A/D轉換器，但沒有采樣保持電路，其內(nèi)部集成的A/D轉換只能輸入0～100Hz的模擬信號，因此需要進行擴展。系統(tǒng)采用AD7829器件作為A/D轉換器，利用S3C44B0X的PD口發(fā)出的脈沖作為AD7829的CONVEST的負脈沖進行模數(shù)轉換，同時實現(xiàn)發(fā)酵罐的多參數(shù)采集。
液晶系統(tǒng)采用精電蓬遠公司的MOBI2006液晶顯示器，該顯示器為128×64點陣圖形液晶，可顯示8行西文、數(shù)字字符或者4行漢字，系統(tǒng)可實時顯示發(fā)酵過程中溫度、PH值、溶解氧濃度、泡沫高度的值。圖2為硬件設計原理圖。
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3 系統(tǒng)軟件設計
根據(jù)系統(tǒng)的設計要求，將系統(tǒng)軟件分為下位機軟件和上位機軟件分別進行設計。
3.1 下位機軟件設計
下位機軟件設計采用當前流行的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術,采用嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ,并使用ARM和Thumb指令集混合編譯來優(yōu)化代碼密度。首先，將實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ移植到S3C44B0X嵌入式微處理器上，將系統(tǒng)所要完成的功能細化為幾個核心任務，由μC/OS-Ⅱ實時內(nèi)核進行調度，以實現(xiàn)多任務的并行操作，使系統(tǒng)的可靠性和實時性得到大幅提升。按系統(tǒng)實現(xiàn)的功能要求，整個系統(tǒng)劃分為幾個并行存在的任務，占先式操作系統(tǒng)對任務的調度是按優(yōu)先權的高低進行的。系統(tǒng)的所有任務按其優(yōu)先級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行數(shù)據(jù)采集。其中，系統(tǒng)監(jiān)視任務用來監(jiān)視其他任務。當被監(jiān)視任務在執(zhí)行過程中出現(xiàn)差錯時，系統(tǒng)監(jiān)視任務將按照預先設定的處理表對其進行處理，使出錯的任務恢復正常運行，提高系統(tǒng)運行的可靠性。系統(tǒng)運行時，首先進行系統(tǒng)初始化操作，初始化所有數(shù)據(jù)結構，分配堆?？臻g，然后建立任務間通信的信號量或消息隊列，進行任務建立及分配任務優(yōu)先權。所有新建的任務被置為就緒態(tài)，系統(tǒng)程序從優(yōu)先權最高的任務開始執(zhí)行。圖3為下位機系統(tǒng)的運行流程圖。圖4是下位機系統(tǒng)軟硬件原理圖。
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3.2 上位機軟件設計
?? ? 為實現(xiàn)對現(xiàn)場的遠程實時監(jiān)控和管理，需編制上位機監(jiān)控界面。若采用專業(yè)的組態(tài)軟件編制，對系統(tǒng)的硬件配置要求很高，同時價格也非常昂貴，且不便于軟件系統(tǒng)的開發(fā)與升級。采用VC++來編寫上位機監(jiān)控軟件，采用基于Windows的窗口化程序設計MFC，人機界面不但生動直觀，而且操作簡單，用它來實現(xiàn)底層的通信控制有著更快的效率。上位機軟件系統(tǒng)包括通信模塊和監(jiān)控程序兩部分。
3.2.1 通信模塊
??? ?在標準RS-232串口通信方面，VC++提供了具有強大功能的通信控件MSComm。該控件可設置串行通信的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，對串口狀態(tài)及串口通信的信息格式和協(xié)議進行設置，是一個標準的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)過程中觸發(fā)OnComm事件，通過編程訪問CommEvent的屬性了解通信事件的類型，進行各自的處理。每個通信控件對應一個串口，可以設計多個通信控件來訪問多個通信口。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：事件驅動方式，由MSComm控件的OnComm事件捕獲并處理通信錯誤及事件；查詢方式，通過檢查CommEvent屬性的值來判斷事件和錯誤。本系統(tǒng)采用事件驅動方式。
3.2.2 監(jiān)控程序設計
通過VC圖形編程工具，監(jiān)控軟件實現(xiàn)發(fā)酵過程中各環(huán)境參數(shù)的實時數(shù)據(jù)及曲線、歷史數(shù)據(jù)及曲線的顯示。
進入監(jiān)控主界面，首先要對串行口進行初步設置,然后按下開始按鈕使系統(tǒng)開始工作。此時界面開始動態(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泵的開與關（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)泵的開關狀態(tài)。主界面中還標出了純凈空氣及溫控循環(huán)水的流動方向，同時主界面能夠實時顯示發(fā)酵過程的當前時間、發(fā)酵系統(tǒng)啟動時間，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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在曲線菜單項中，能夠以圖形曲線的方式顯示發(fā)酵過程數(shù)據(jù)的變化情況，如圖6所示。通過此功能，對發(fā)酵過程可有一個直觀的了解，并以此作為判斷發(fā)酵過程是否正常的依據(jù)。接收到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)在接收數(shù)據(jù)區(qū)中顯示的同時，也被存入一個.txt文件和Access數(shù)據(jù)庫中?？梢源蜷_指定路徑.txt文件對數(shù)據(jù)進行編輯，另外也可以點擊設置菜單項中的“數(shù)據(jù)庫管理”子菜單項對Access數(shù)據(jù)庫進行管理、編輯,利用Access數(shù)據(jù)庫的強大數(shù)據(jù)管理功能進行數(shù)據(jù)的管理。
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??? 基于ARM處理器實現(xiàn)了生物發(fā)酵遠程監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)研究，其硬件設計本著低成本、低功耗、小體積和實時性的設計思想，建立了基于S3C44B0X的下位機嵌入式開發(fā)平臺，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、LCD顯示、無線數(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++實現(xiàn)了對發(fā)酵過程的上位機監(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、處理以及實時曲線顯示、報表打印等功能，實現(xiàn)了對發(fā)酵系統(tǒng)生產(chǎn)過程的實時遠程監(jiān)控。人機界面不但生動直觀，而且操作簡單。該系統(tǒng)在發(fā)酵罐自動化改造中已經(jīng)取得了良好的效果,具有很好的工程推廣價值。該系統(tǒng)也可擴展應用到其他領域相關過程的控制中。
參考文獻
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