基于S3C2440 微處理器的實驗室儀器設備智能控制系統

翟 麗

（南京審計大學實驗中心， 南京 211815）

0 引 言

隨著物聯網的發展，物聯網涉及的領域較多，例如農業、工業、交通、醫療以及軍事等，其未來發展趨勢是實現物與物、物與人的進一步結合，以達到智能化控制的目的。 實驗室儀器設備是高等院校的固定資產，實驗室人員需要對儀器設備進行科學管理，良好的實驗室儀器設備管理對于科研的發展和學校的實驗教學都起到了積極的促進作用。 高校實驗室在創新人才培養和科學研究的過程中具有不可或缺的重要地位。 其建設和管理維護在一定程度上反映了高校的綜合實力和整體發展水平［1］。 對于高校實驗室而言，實驗室儀器設備智能管理控制不僅能夠提升學生的思維能力，還能夠提高學生未來的就業競爭力。 對于工業實驗室而言，實驗室儀器設備智能管理控制能夠確保實驗環境穩定，為工業的發展創造出發展條件［2］。 無論是哪一種實驗室科研類型，智能管理控制效果亟待加強。 S3C2440 微處理器是基于ARM920T 核的16／32 位RISC 微處理器，運行頻率高達500 MHz，主要面向手持設備以及高性價比、低功耗的應用，適用于開發各類高端手持、小型終端以及網絡應用產品［3］。 因此，本文利用S3C2440 微處理器，設計了實驗室儀器設備智能管理控制系統，以系統響應時間為主，最大限度地提高系統運行效果。

1 硬件設計

1.1 XPD 變頻器

本文設計的XPD 變頻器利用了網絡通信技術，將實驗室儀器設備智能管理控制系統中的各種元件連接在一起，形成一個較大通信網絡，為系統提供遠程控制與遠程監控功能［4］。 本文利用PLC 控制器與XPD 變頻器的控制設備相連，利用RS232／RS485接口，與PLC 控制器、系統進行智能通信。 在實驗室儀器設備智能管理控制數據通信的過程中，本文主要利用rofiBus、ModBus 通訊，有效地減少了變頻器與系統之間的布線干擾問題，對于提高數據傳輸效率，提高系統運行效率具有重要作用。 XPD 變頻器的通信配置參數見表1。

表1 XPD 變頻器的通信配置參數表Tab. 1 Communication configuration parameters of XPD frequency converter

本文設計的XPD 變頻器是由LCD 顯示器、及WinCC Web Navigator 服務器構成，通過ProfiBus—DP 現場總線進行數據通信，傳輸智能管理控制數據；WinCC Web Navigator 服務器通過以太網與S7－300 PLC 進行通信，訪問相應的控制數據。 XPD 變頻器集合了較多的優勢，安裝簡便，傳輸速率較快，調試速度快，能夠適應實驗室儀器設備智能管理控制系統的運行環境。

1.2 核心電路設計

主要控制模塊要實現與網絡的通信、與無線傳感網的串行通信、Qt（應用程序開發框架）的展示等功能。 為了滿足上述的性能要求，該處理器選用三星S3C2440 微處理器。 系統采用S3C2440 作為嵌入式處理器，基于32 位的RISC 命令集，為單片機設計提供了低成本，完成低功耗和高性價比的設計。由于采用了16 KB 的高速緩存器和16 KB 的高速緩存器作為ARM 核心，在大大降低系統開銷的同時，也更有效地去除了不必要的部件，尤其適合在低功率應用中使用。 核心電路有包括了2 MB 的Nor Flash 和256 MB 的NandFlash 的板載ROM、64 MB的SDRAM、612 MHz 的晶振電路和其他一些電路。其硬件組成框圖如圖1 所示。

圖1 網關主控模塊結構圖Fig. 1 Structure of gateway master control module

控制器接收到強電信號，并將強電信號傳輸到實驗室相關設備中，使其處于導通狀態。 在實驗開始時，打開開關，實驗室相關儀器設備立刻進入工作狀態，保證實驗進行效率。

2 軟件設計

2.1 建立網絡服務

網絡功能模塊是Linux 系統中非常重要的一個部分，網絡功能模塊的目的就是為上層提供網絡服務，而網絡服務的基礎是底層的網絡設備。 網絡設備是網絡服務得以實現的硬件基礎，一方面將接收到的數據傳遞到上層，另一方面將來自上層的數據通過特定的媒介訪問控制方式發送出去。 Linux 系統中網絡設備的體系可以劃分為4 層，分別為：網絡協議接口層、網絡設備接口層、設備驅動功能層和網絡設備與媒介層。 網絡服務實現的基礎就是在Linux 系統下開發適用于DM9000 網卡的網絡設備驅動程序。 Linux 網絡設備驅動的4 層體系結構如圖2 所示。

圖2 Linux 網絡設備驅動的4 層體系結構圖Fig. 2 Four－tier architecture of Linux network device driver

系統拓展節點與傳感器／控制器節點之間通過網絡實現數據的傳輸，拓展節點與上位機之間通過串口實現數據傳輸。

2.2 系統智能通信功能

本文在設計了軟件架構的基礎上，對實驗室管理控制系統的智能通信功能進行設計。 物聯網的核心思想在于數據交換與數據通信，在此理念下，研究中將智能通信功能分為2 部分設計。 一部分為實驗室預約階段通信功能設計；另一部分為實驗室使用階段通信功能設計。 本文假定實驗室預約階段的系統中存在s個時隙，并分成了l個子幀，每個子幀由l個時隙組成，則實驗室預約階段的通信時隙分配公式具體如下：

其中，F為物聯網結構中，實驗室預約階段的通信時隙分配結果；si為第i個預約時期的時隙。在相同的條件下，得出實驗室使用階段通信時隙分配公式見如下：

其中，K為物聯網結構中，實驗室使用階段通信時隙分配結果；li為第i個子幀的時隙；fi為系統通信的第i個網絡節點。 在物聯網條件下，實驗室管理控制系統的智能通信功能，主要是將實驗室中的基本數據進行提取后，傳輸到系統中，并存儲在數據庫中，保證實驗室數據得到基本管理，進而提高系統物聯網通信效果。

2.3 實驗室儀器設備智能管理控制數據庫

智能管理控制數據庫為實驗室儀器設備管理控制系統的核心部分，是系統設計的關鍵部分之一。數據庫是分析、處理、整理、加工數據的管理方式和有關邏輯架構的組織過程。 合理地設計數據庫，能有效地降低數據冗余量，提高執行速度，提高數據庫的穩定性，并有助于后續的數據共享。 為了實現實驗室儀器設備智能管理的精準控制，本文在通信數據、實驗室數據采集的基礎上，建立了實驗室儀器設備智能管理控制數據庫。 本文主要將實驗室相關數據存儲在數據庫中，縮短實驗室數據查找時間，進而提高系統運行效率。 實驗室儀器設備智能管理控制數據庫結構見表2。

表2 實驗室儀器設備智能管理控制數據庫Tab. 2 Intelligent management and control database of laboratory instruments and equipments

由表2 可知，本文選取了登錄名稱、地址、實驗室預約數據、使用數據、儀器使用頻率、維護數據、用戶權限數據等作為數據庫存儲內容。 用戶登錄功能主要是獲取登錄者的身份和驗證密碼的正確性，對設備用戶和實驗室管理員以外的用戶進行限制登錄。 用戶登錄成功后，需要按照注冊用戶的身份，轉入相應的操作界面，并進行相應的初始化。 系統客戶端的功能模塊是一樣的，通過用戶的帳號來判斷用戶的權限，并可以訪問對應的權限接口，在自己的權限范圍內完成相應的菜單操作。 用戶登錄后檢索對應的字段名，即可得出實驗室相關數據，減少了數據查找時間，進而縮短系統響應時間，提高系統整體運行效率。

3 系統測試

為了驗證本文設計的控制系統是否具有實用價值，本文對上述系統進行測試。 首先，調試XPD 變頻器與PCL 控制器這2 個硬件，使硬件處于正常運行狀態；其次，調試系統軟件，使軟件運行正常；最后，測試系統整體控制效果，在系統整體運行正常的條件下，將傳統實驗室儀器設備智能管理控制系統，與本文設計的基于S3C2440 微處理器的實驗室儀器設備智能控制系統進行對比。 具體測試過程及測試結果詳述如下。

3.1 測試過程

在進行測試前，本文將XPD 變頻器與PCL 控制器按照使用說明安裝完畢后，對其進行調試。 在XPD 變頻器的各個電路節點進行電流測試，電流均在1.9 A 左右，并未出現電流過載現象，可以保證XPD 變頻器的運行正常。 PCL 控制器安裝完畢后，電源處的電壓為12 V，紅色指示燈、黃色指示燈、綠色指示燈依次亮起，中間間隔為1 min，黑色指示燈未亮起，可以保證PCL 控制器的運行正常。 硬件調試結束后，本文對軟件進行調試，使軟件在一定的負載下，能夠穩定工作24 h，保證系統軟件運行正常。在系統硬件與軟件調試好后，將硬件與軟件相連接。軟件調試參數見表3。

表3 軟件調試參數Tab. 3 Software debugging parameters

點擊權限設置為管理員后，輸入正確的用戶名、密碼，點擊登錄，進入到系統中。 點擊對應的數據采集、處理、存儲模塊，能夠得出相應的管理控制數據，可以保證系統整體運行正常。

系統中存在3 個使用標簽、1 個預約標簽、1 個管理標簽，標簽測試過程中，將數據、天線號、次數、RSSI、設備均進行了管理。 數據類型以實驗室使用日期為開頭，夾雜了設備與其他相關數據。 其中，實驗設備65535 使用次數較多，本文標簽測試以該設備為主，經過測試后，得到標簽數目為5 個，測試速率為42 次／s。 標簽個數與實際個數相一致，可以保證系統運行效果。

3.2 測試結果

在上述測試條件下，本文隨機選取出1 000 ～8 000 人，使其同時登錄實驗室儀器設備智能管理控制系統。 并將傳統實驗室儀器設備智能管理控制系統的響應時間，與本文設計的基于S3C2440 微處理器的實驗室儀器設備智能控制系統的響應時間進行對比，具體測試結果見表4。

表4 測試結果Tab. 4 Test results

由表4 可知，本文分別選取了1 000 人、2 000人到8 000 人的同時登錄人數。 登錄人數越多，對系統的壓力越大，測試對系統運行效果的影響。 根據表4 內容，繪制對比圖，如圖3 所示。

圖3 測試結果對比圖Fig. 3 Comparison Chart of Test Results

在其他條件均不變的情況下，傳統實驗室儀器設備智能管理控制系統的響應時間相對較長，隨著同時登錄人數的增加，系統響應時間隨之延長。 當系統同時登錄人數超過4 000 人時，系統響應時間增加速度加快。 當系統同時登錄人數達到8 000 人時，系統響應時間達到了2.03 s，影響了系統運行效果。 因此，使用傳統智能管理控制系統能夠接受同時登錄人數為5 000，超出此人數，系統將會出現卡頓、甚至崩潰的現象，智能管理控制效果隨之下降，系統整體運行水平亟待加強。

本文設計的基于S3C2440 微處理器的實驗室儀器設備智能控制系統的響應時間相對較短，始終在0.07 s 以內。 并且，當系統登錄人數超過5 000人后，本文設計的系統響應時間穩定在0.06 s 左右，并不會影響系統整體運行效果。 因此，使用本文設計的智能管理控制系統能夠接受同時登錄人數可達8 000 人及以上，系統并不會出現卡頓或崩潰的現象，系統整體運行水平較高，智能管理控制水平隨之提升，符合本文研究目的。

4 結束語

近些年來，科研實驗室的建設加快，推動了科技技術的發展，為高校、工業等領域創造了價值。 實驗室儀器設備智能管理控制效果，是實驗室未來發展的關鍵指標。 在管理控制過程中，主要以集中資源管理控制為主，發揮出各個管理智能的優勢，為實驗室提供良好的使用環境。 為了進一步提高實驗室儀器設備智能管理控制效果，本文設計了基于S3C2440 微處理器的實驗室儀器設備智能控制系統，有效地應對了實驗室科研建設的挑戰。