基于ARM的新型生物發酵罐的設計

吳 晶

（華南理工大學 自動化學院，廣州 510641）

0 引言

隨著生物工程的不斷發展，生物制藥出現了廣闊的發展前景。目前，生物制藥及其試驗研究的裝置主要是中小型的發酵罐，其控制系統主要是根據經驗設計的開關控制，調節合適控制參數的過程繁瑣，控制性能較差，因此開發適用于工業級的生物發酵控制系統具有重要的現實意義。中小型的生物發酵罐控制器采用的是單片機或者PLC，軟件開發調試環境繁瑣，開發周期長，采用嵌入式系統可以有效的解決這些問題，嵌入式系統具有友好的軟件開發環境，聯機調試方便，實時性好。

1 系統總體方案設計

考慮到生物發酵過程是一個時變、非線性、不確定等多變量的耦合系統。生物發酵受發酵罐溫度，發酵液的PH值，罐壓，溶解氧（DO）等因素的影響。如采用單一控制器，那么硬件電路的設計復雜，控制任務多，加重可處理器負荷，降低運算速度。同時任務間耦合使得軟件程序的編制非常復雜。經綜合考慮后，本系統采用上下位機模式設計，上位機（S3C2410）移植了嵌入式Linux操作系統以及MiniGUI實現友好的人機交換界面，在線實時數據處理，數據備份；下位機（S3C44BO）為發酵系統控制器主要完成數據采集、數字濾波、控制器計算、數字量輸出以。上下與位機通信采用先進的快速的現場總線—CAN總線。系統層次分明，分工明確,各司其職。如圖1為總的系統框圖。

2 上位機硬件系統設計

嵌入式處理器S3C2410A是韓國SamSung公司的一款基于ARM920T內核的16/32位RISC嵌入式微處理器，其內核頻率可達200～266 MHz，片上資源非常豐富，可以簡化外圍電路設計，降低功耗。其低廉的價格、豐富的外設資源（PWM，8通道10位精度ADC，4通道DMA控制器，I2C，SPI， 24位真彩LCD控制器，USB等）。通過擴展外圍設備可滿足系統要求。

2.1 最小系統設計

最小系統主要包括時鐘電路，電源電路，復位電路及存儲電路。時鐘電路為控制器及外設提供時鐘信號。電源設計采用兩片LM1117系列低壓差直流穩壓芯片將5V的直流供電電源分別轉為1.8V和3.3V。復位電路采用可靠的看門狗復位。外擴SDRAM用于存放執行代碼和變量，擴展NORFlash存儲器是使應用程序可以直接在Flash內運行，加快運行速度。

圖1 系統總體框圖

2.2 通訊接口電路設計

系統用到的通訊接口包括以太網接口，JTAG，USB，串口。使用以太網接口從宿主機高速下載內核有和文件系統映像。采用CS8900A以太網控制器，掛在S3C2410A的數據和地址總線上進行擴展。JTAG在系統中主要是用來程序的在線調試，以及U-Boot程序的燒寫。USB接口用來外接U盤進行數據備份，防止數據因掉電丟失。

2.3 觸摸屏和LCD接口設計

S3C2410A有專門的LCD控制器，通過總線驅動芯片給LCD提供信號。本系統采用了電阻式觸摸屏。電阻式觸摸屏安裝在LCD上，工作的實質是對X、Y兩個方向電阻分壓的測量， S3C2410片內集成了觸摸屏控制器，用于控制四線電阻式觸摸屏，按順序完成X坐標點采集和Y坐標點采集。從而實現人機交互。

2.4 CAN節點的硬件電路設計

CAN收發器選擇SJA1000高速收發器。為了進一步提高系統的抗干擾能力，S3C2410與收發器SJA1000通過高速光耦6N137后與SJA1000相連。而且光耦部分電路所采用的兩個電源必須完全隔離；否則光耦也就失去了意義；所以電路增加了DC-DC電源隔離模塊。CAN_H接總線的高電平端；CAN_L接總線的低電平端。在CAN總線的兩端加有個120Ω的電阻；這個電阻對于總線阻抗的匹配起著相當重要的作用。

3 下位機硬件設計（智能控制節點）

本設計選用的S3C44B0是SamSung公司新推出的一款功能強大的超低功耗的具有ARM7TDMI內核的32位微控制器。兩個32位定時器、八路10位ADC、四路CAN通道和PWM通道以及多達九個的外部中斷,內部嵌入256K字節高速Flash存儲器和16K字節靜態RAM,等。豐富的片上資源完全可以滿足一般的工業控制的需要，同時還可以減少系統硬件設計的復雜度。作為本設計的核心部件，S3C44B0不僅擔起智能控制器的作用，同時還作為CAN的節點控制器，與上位機實現數據傳輸與交換。

3.1 溫度自動控制

密閉式循環水浴溫控系統，進水經過補水閥進入加熱室經可控硅電加熱，熱水流入發酵罐外壁夾套（這樣可以使發酵罐受熱均勻），夾套中冷水再進入加熱室加熱循環利用。采用進口PT100溫度電極對溫度信號采集，利用智能PID控制電加熱過程既保證了溫控的快速性又實現了節能過壓保護，并進行過熱保護及液位監測。上位機實時顯示溫度，及給定溫度的設置。

圖2 發酵系統簡單示意圖

3.2 PH自動控制

采用梅特勒pH電極、變送器及信號傳輸線由下位機對發酵液pH進行檢測并完成實時數據發送，下位機利用智能控制算法控制蠕動泵自動添加酸、堿來實現精確控制pH。上位機界面實現功能手動、關閉、自動三檔切換、PH值曲線、加酸、加堿量曲線、酸、堿加入量累計顯示記錄。

3.3 DO自動控制

下位機采用梅特勒DO電極、變送器及信號傳輸線對DO檢測，可通過轉速、補料、氣流量壓力等進行聯動控制，智能PID控制來控制攪拌轉速，空氣流量，使溶解氧這個以往較難控制的參數，也達到了很理想的控制效果。上位機實DO值給定設置，實時顯示，DO值曲線[4]。

3.4 電機控制

直流電機帶動發酵專用標準槳以及消泡槳來完成攪拌系統設計。采用PI全數字化閉環電機轉速自動調速。

系統中使用了多個蠕動泵完成消泡劑的注入，原料補給等，蠕動泵流量和轉速是一個線形的恒定關系（即流量由電動機轉速決定），本系統采用步進電機控制蠕動泵從而更好地控制流量。PWM脈沖輸出的頻率決定步進電機的轉速從而決定蠕動泵的流量。

4 軟件設計

4.1 上位機軟件設計

4.1.1 操作系統選擇

綜合比較Window CE，VxWorks，uc/OS，Linux等幾種操作系統。考慮開發成本，本系統選Linux，Linux的源代碼是開放的， 內核可以定制的，其系統內核最小只有約134kB。具有良好的可移植性，人們已成功使Linux運行于數百種硬件平臺之上。

4.1.2 數據庫選擇

本系統中涉及大量數據的儲存和操作，因此選擇一個合適的數據庫非產重要。考慮在嵌入式系統中由于軟硬件資源有限，不可能安裝龐大的數據庫（如Oracle）。本系統選用嵌入式數據庫SQLite，SQLite是一個小型嵌入式數據庫。它是可以較為方便地應用于嵌入式系統中。其源代碼完全開放，程序員直接在應用程序進程中利用C/C++程序調用相應的API來數接口來實現數據庫的管理[5]。

4.1.3 圖形用戶界面

MiniGUI是一個面向實時嵌入式系統或者實時系統的輕量級圖形用戶界面支持系統，是我國為數不多的在國際比較知名自由軟件之一。MiniGUI遵循GPL條款發布，發展到今天，MiniGUI已進入成熟和穩定階段，已經在各領域（如工業控制系統及工業儀表，機頂盒等）得到廣泛應用。

4.1.4 系統移植

本部分完成系統平臺的搭建，主要流程：首先在宿主機（PC）上建立交叉編譯環境（即在主機上完成可在目標機上運行的程序的開發），然后是Bootloader的移植，本系統采用U-Boot（完成系統的啟動，初始化硬件平臺，實現內核映像，根文件系統映像的下載），再次是系統內核的定制，涉及到LCD，觸摸屏，CAN總線，SD卡驅動程序的設計。最后是制作根文件系統，根文件系統包括所有的應用程序，設備文件，系統配置文件，庫（MiniGUI庫，SQlite）等。

圖3 上位機軟件配置圖

4.1.5 應用程序

應用程序所需要完成的功能主要分為：數據的接收、數據存儲、數據顯示和數據傳輸。

數據通信：通過CAN接受由下位機發送過來的環境境參數數據（溫度，PH，DO，轉速）。將上位機設置參數，指令傳遞給下位機。

數據存儲：將數據通過USB接口傳輸到U盤中機備份上，避免由于斷電造成的大量數據丟失。

數據顯示：主要是由MiniGUI實現的操作，包括將數據可視化地顯示出來，以及對于系統參數的設置等。

4.2 下位機軟件設計

下位機完成溫度，PH，DO，轉速，罐壓信號的數據采集，數據濾波，設計控制算法控制相應裝置動作，并將數據通過CAN總線發送到上位機。

圖4 下位機主程序和中斷服務程序

5 結束語

本文詳細闡述了一種基于LINUX+ARM的新型生物發酵罐的設計。相對與傳統的PLC+觸摸屏來說大大節約開發成本，設計靈活多樣，可移植性強。但由于LINUX的實時性不是很好。因此對硬件電路的設計要求較高。在有充裕的研發投入的條件下，可以考慮實時性，圖形界面更好的WINCE操作系統。

[1] 馬忠梅,等.ARM&Linux嵌入式系統教程[M].北京:北京航天航空大學出版社,2004.

[2] 曹吉花,郭煥銀,黃理軍.可編程控制器在啤酒發酵溫度控制中的應用[J].控制系統,2009,3.

[3] 張光新,啤酒生產過程的全自動控制及其應用研究[D].浙江大學,2002.

[4] 南忠良,等.微生物發酵過程環境控制系統的研究[J].天津輕工業學院學報,2002,9.

[5] 楊永清,等.ARM嵌入式Linux系統開發技術[M].北京:電子工業出版社,2008.