基于ARM 的无线生物发酵监测系统的设计
2007-10-26 19:22:23   来源：江苏大学   评论：0 点击：

近年来，生物工程技术越来越引起科技界、工业界和政府部门的重视。生物工程的许多成果需要经过发酵过程而转化为工业产品，因此，发酵罐及其系统在生物工程中显得越来越重要。发酵过程是涉及微生物细胞生
长代谢的复杂过程，是一非线性的时变系统，影响因素复杂，参数相关性严重。因此，发酵生产过程的参数测量、操作监视成为生物工程优化管理与自动化的关键问题。本文采用ARM单片机对发酵罐中的环境变量进行自动采集、存储、显示，并将这些数据经PTR200o无线传输模块传至控制中心的上位机(上位机软件系统
采用VC++)实现上、下位机的串行通信和对数据的分析、存盘、打印、报警、显示等功能，从而实现了对发酵系统生产过程的实时远程监控、优化了生产工艺、提高了设备的可利用率。该系统自动化程度高、可靠性好、实用性强，有很好的市场应用前景。
1系统总体设计
由于实际发酵过程比较复杂，涉及到微生物细胞的生长和代谢，是一个具有时变性、随机性和多变量输入的动态过程。有些变量(如菌体浓度、基质浓度、产物得率等)在线检测困难，且不能直接作为被控变量，因此，在发酵过程中主要采用与质量有关的变量，如温度、搅拌转速、PH值、溶解氧浓度、通气量、泡沫高度等作为被控变量。针对发酵过程中影响微生物代谢的各环境参数的重要性，本系统只对温度、PH值、溶解氧浓度和泡沫高度进行实时采样。系统在工厂控制中心室配置一台PC机作为上位机，在工厂发酵罐现场使用可扩展的ARM 单片机作为下位机，即ARM 单片机同现场的发酵罐直接相连，按照温度、PH值、溶解氧浓度、泡沫高度的顺序分回路进行数据采集、显示，再通过无线数据传输模块将数据传送到上位机，而上位机对数据进行处理并绘制成实时曲线显示，从而实现发酵罐的远程数据采集和监测。系统基本结构框图如图1所示。
2硬件设计
系统下位机采用基于ARM7TDMI—S内核~C／OS—II的低功耗ARM 处理器S3C44B0x，它是三星公司专为手
持设备和一般应用提供的高性价比的微控制器解决方案。S3C44B0x具有ARM处理器的所有优点：低功耗、性能。具有丰富的片上资源：8KB高速缓存、可配置的片内SRAM、LCD控制器、两路握手功能的UART(通用
串行口)、四路DMA控制器、系统管理功能(片选逻辑、FP，ED0／SDRAM 控制器)、五路带PWM 的定时器、I／O接口、RTC(时钟)、八路10位ADC、IIS总线、同步SIO接口和为系统提供时钟的PLL倍频电路，且S3C44B0x集成了LCD控制器，可以将显示缓存中的数据传送到外部的LCD驱动电路中，非常适合嵌入式产品的开发。由于使用了该处理器众多功能模块使得本系统结构紧凑，减少了系统的复杂度。
2．1无线传输模块
由于．S3C44B0X处理器要采集发酵现场数据，然后传输给上位机进行处理。若使用RS485或者CAN等网络，因这些网络均基于有线传输，使用中不仅要考虑成本，而且还要考虑数据传输中的干扰因素。而无线传输成本相对低，并且传输中的干扰较少，这在一定程度上提高了传输的可靠性，具有一定的优势。因此本系统采用基于nRF401的无线通信模块PTR2000，该器件采用抗干扰能力较强的FSK调制／解调方式，工作频率稳定
可靠、外围元件少、功耗低、便于设计生产，是目前集成度最高的一种无线传输芯片。S3C44B0x处理器含有两路握手功能的UART接口， 系统将UAR11D的TXD、RXD直接与PI"R200O相连接。
上位机通过PTR2000与S3C44B0x进行实时通信。PTR2000与PC机相连接时必须经过电平转换， 即将，I，rL电平转换为RS一232C电平，用一片MAX232芯片便以完成该转换。用串口的RTS与PTR2000的TXEN连接来控制f，I"R200o无线收发模块的收发状态转换。
2．2数据采集模块及液晶显示
下位机系统每隔1秒钟通过四个传感器分别对发酵罐的温度、PH值、溶解氧和泡沫高度进行实时检测。由于各传感器的输出均为模拟信号，而AID转换器采集接收的是电压信号，所以各传感器输出的模拟信号经过变送器进行信号变换后，输出的电压信号为0～5V，再经AID转换器传至S3C44B0X处理器进行处理。S3C44B0X自身虽集成有8路10位A／D转换器，但没有采样保持电路，其内部集成的A／D转换只能输入0～100Hz的模
拟信号，因此需要进行扩展。系统采用AD7829器件作为A／D转换器，利用S30 B0x 的PD 口发出的脉冲作为
AD7829的CONVEST的负脉冲进行模数转换，同时实现发酵罐的多参数采集。液晶系统采用精电蓬远公司的MOBI2006液晶显示器，该显示器为128x64点阵图形液晶，可显示8行西文、数字字符或者4行汉字，系统可实时显示发酵过程中温度、PH值、溶解氧浓度、泡沫高度的值。图2为硬件设计原理图。
3系统软件设计
根据系统的设计要求，将系统软件分为下位机软件和上位机软件分别进行设计。
3．1下位机软件设计
下位机软件设计采用当前流行的嵌入式系统开发技术，采用嵌入式实时操作系统~C／OS—II，并使用ARM
和Thumb指令集混合编译来优化代码密度。首先，将实时操作系统~C／OS—II移植到S3C44BOX嵌入式微处理
器上，将系统所要完成的功能细化为几个核心任务，由~C／OS—lI实时内核进行调度， 以实现多任务的并行操作，使系统的可靠性和实时性得到大幅提升。按系统实为实现对现场的远程实时监控和管理， 需编制上位机监控界面。若采用专业的组态软件编制，对系统的硬件配置要求很高，同时价格也非常昂贵， 且不便于软件系统的开发与升级。采用VC++来编写上位机监控软件，采用基于Windows的窗口化程序设计MFC，人机界面不但生动直观，而且操作简单，用它来实现底层的通信控制有着更快的效率。上位机软件系统包括通信模块和监控程序两部分。