基于ARM的新型生物发酵罐的设计

2010-07-09吴晶

制造业自动化 2010年7期

吴晶

（华南理工大学自动化学院，广州 510641）

0 引言

随着生物工程的不断发展，生物制药出现了广阔的发展前景。目前，生物制药及其试验研究的装置主要是中小型的发酵罐，其控制系统主要是根据经验设计的开关控制，调节合适控制参数的过程繁琐，控制性能较差，因此开发适用于工业级的生物发酵控制系统具有重要的现实意义。中小型的生物发酵罐控制器采用的是单片机或者PLC，软件开发调试环境繁琐，开发周期长，采用嵌入式系统可以有效的解决这些问题，嵌入式系统具有友好的软件开发环境，联机调试方便，实时性好。

1 系统总体方案设计

考虑到生物发酵过程是一个时变、非线性、不确定等多变量的耦合系统。生物发酵受发酵罐温度，发酵液的PH值，罐压，溶解氧（DO）等因素的影响。如采用单一控制器，那么硬件电路的设计复杂，控制任务多，加重可处理器负荷，降低运算速度。同时任务间耦合使得软件程序的编制非常复杂。经综合考虑后，本系统采用上下位机模式设计，上位机（S3C2410）移植了嵌入式Linux操作系统以及MiniGUI实现友好的人机交换界面，在线实时数据处理，数据备份；下位机（S3C44BO）为发酵系统控制器主要完成数据采集、数字滤波、控制器计算、数字量输出以。上下与位机通信采用先进的快速的现场总线—CAN总线。系统层次分明，分工明确,各司其职。如图1为总的系统框图。

2 上位机硬件系统设计

嵌入式处理器S3C2410A是韩国SamSung公司的一款基于ARM920T内核的16/32位RISC嵌入式微处理器，其内核频率可达200～266 MHz，片上资源非常丰富，可以简化外围电路设计，降低功耗。其低廉的价格、丰富的外设资源（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）。通过扩展外围设备可满足系统要求。

2.1 最小系统设计

最小系统主要包括时钟电路，电源电路，复位电路及存储电路。时钟电路为控制器及外设提供时钟信号。电源设计采用两片LM1117系列低压差直流稳压芯片将5V的直流供电电源分别转为1.8V和3.3V。复位电路采用可靠的看门狗复位。外扩SDRAM用于存放执行代码和变量，扩展NORFlash存储器是使应用程序可以直接在Flash内运行，加快运行速度。

图1 系统总体框图

2.2 通讯接口电路设计

系统用到的通讯接口包括以太网接口，JTAG，USB，串口。使用以太网接口从宿主机高速下载内核有和文件系统映像。采用CS8900A以太网控制器，挂在S3C2410A的数据和地址总线上进行扩展。JTAG在系统中主要是用来程序的在线调试，以及U-Boot程序的烧写。USB接口用来外接U盘进行数据备份，防止数据因掉电丢失。

2.3 触摸屏和LCD接口设计

S3C2410A有专门的LCD控制器，通过总线驱动芯片给LCD提供信号。本系统采用了电阻式触摸屏。电阻式触摸屏安装在LCD上，工作的实质是对X、Y两个方向电阻分压的测量， S3C2410片内集成了触摸屏控制器，用于控制四线电阻式触摸屏，按顺序完成X坐标点采集和Y坐标点采集。从而实现人机交互。

2.4 CAN节点的硬件电路设计

CAN收发器选择SJA1000高速收发器。为了进一步提高系统的抗干扰能力，S3C2410与收发器SJA1000通过高速光耦6N137后与SJA1000相连。而且光耦部分电路所采用的两个电源必须完全隔离；否则光耦也就失去了意义；所以电路增加了DC-DC电源隔离模块。CAN_H接总线的高电平端；CAN_L接总线的低电平端。在CAN总线的两端加有个120Ω的电阻；这个电阻对于总线阻抗的匹配起着相当重要的作用。

3 下位机硬件设计（智能控制节点）

本设计选用的S3C44B0是SamSung公司新推出的一款功能强大的超低功耗的具有ARM7TDMI内核的32位微控制器。两个32位定时器、八路10位ADC、四路CAN通道和PWM通道以及多达九个的外部中断,内部嵌入256K字节高速Flash存储器和16K字节静态RAM,等。丰富的片上资源完全可以满足一般的工业控制的需要，同时还可以减少系统硬件设计的复杂度。作为本设计的核心部件，S3C44B0不仅担起智能控制器的作用，同时还作为CAN的节点控制器，与上位机实现数据传输与交换。

3.1 温度自动控制

密闭式循环水浴温控系统，进水经过补水阀进入加热室经可控硅电加热，热水流入发酵罐外壁夹套（这样可以使发酵罐受热均匀），夹套中冷水再进入加热室加热循环利用。采用进口PT100温度电极对温度信号采集，利用智能PID控制电加热过程既保证了温控的快速性又实现了节能过压保护，并进行过热保护及液位监测。上位机实时显示温度，及给定温度的设置。

图2 发酵系统简单示意图

3.2 PH自动控制

采用梅特勒pH电极、变送器及信号传输线由下位机对发酵液pH进行检测并完成实时数据发送，下位机利用智能控制算法控制蠕动泵自动添加酸、碱来实现精确控制pH。上位机界面实现功能手动、关闭、自动三档切换、PH值曲线、加酸、加碱量曲线、酸、碱加入量累计显示记录。

3.3 DO自动控制

下位机采用梅特勒DO电极、变送器及信号传输线对DO检测，可通过转速、补料、气流量压力等进行联动控制，智能PID控制来控制搅拌转速，空气流量，使溶解氧这个以往较难控制的参数，也达到了很理想的控制效果。上位机实DO值给定设置，实时显示，DO值曲线[4]。

3.4 电机控制

直流电机带动发酵专用标准桨以及消泡桨来完成搅拌系统设计。采用PI全数字化闭环电机转速自动调速。

系统中使用了多个蠕动泵完成消泡剂的注入，原料补给等，蠕动泵流量和转速是一个线形的恒定关系（即流量由电动机转速决定），本系统采用步进电机控制蠕动泵从而更好地控制流量。PWM脉冲输出的频率决定步进电机的转速从而决定蠕动泵的流量。

4 软件设计

4.1 上位机软件设计

4.1.1 操作系统选择

综合比较Window CE，VxWorks，uc/OS，Linux等几种操作系统。考虑开发成本，本系统选Linux，Linux的源代码是开放的，内核可以定制的，其系统内核最小只有约134kB。具有良好的可移植性，人们已成功使Linux运行于数百种硬件平台之上。

4.1.2 数据库选择

本系统中涉及大量数据的储存和操作，因此选择一个合适的数据库非产重要。考虑在嵌入式系统中由于软硬件资源有限，不可能安装庞大的数据库（如Oracle）。本系统选用嵌入式数据库SQLite，SQLite是一个小型嵌入式数据库。它是可以较为方便地应用于嵌入式系统中。其源代码完全开放，程序员直接在应用程序进程中利用C/C++程序调用相应的API来数接口来实现数据库的管理[5]。

4.1.3 图形用户界面

MiniGUI是一个面向实时嵌入式系统或者实时系统的轻量级图形用户界面支持系统，是我国为数不多的在国际比较知名自由软件之一。MiniGUI遵循GPL条款发布，发展到今天，MiniGUI已进入成熟和稳定阶段，已经在各领域（如工业控制系统及工业仪表，机顶盒等）得到广泛应用。

4.1.4 系统移植

本部分完成系统平台的搭建，主要流程：首先在宿主机（PC）上建立交叉编译环境（即在主机上完成可在目标机上运行的程序的开发），然后是Bootloader的移植，本系统采用U-Boot（完成系统的启动，初始化硬件平台，实现内核映像，根文件系统映像的下载），再次是系统内核的定制，涉及到LCD，触摸屏，CAN总线，SD卡驱动程序的设计。最后是制作根文件系统，根文件系统包括所有的应用程序，设备文件，系统配置文件，库（MiniGUI库，SQlite）等。