基于SOPC技术的保鲜系统的设计

2013-10-27陈高森张皓然东北石油大学软件学院黑龙江大庆163318

长江大学学报(自科版) 2013年4期

刘伟，陈高森，张皓然 (东北石油大学软件学院，黑龙江大庆 163318)

基于SOPC技术的保鲜系统的设计

刘伟，陈高森，张皓然 (东北石油大学软件学院，黑龙江大庆 163318)

针对现有海鲜运输保鲜技术存在药物残留、新鲜度低的不足，使用SOPC(可编程片上系统)和FPGA(现场可编程门阵列)技术，以Nios处理器为核心，开发了具有自主知识产权的IP核(Intellectual Property core)，设计了一套智能的活海鲜远距离运输保鲜系统。该系统可以智能检测海鲜的生存环境参数、自动水质循环、自动调节温度等。

SOPC；FPGA；Nios处理器；IP核

随着人们生活水平的不断提高，对海鲜的需求量也是日益倍增。2012年，美国农业部的外国农业服务部门(FAS)最新的报告，中国海产品的产量预测为5530×104t，是过去7年的1.25倍[1]。目前市面上主要的海鲜运输手段有干运、淋水运输、冷冻运输、药物运输、巴比妥纳运输等。冷冻运输存在降低海鲜新鲜度的缺点，药物运输存在药物残留的问题[2]。针对以上问题,笔者设计了一种基于SOPC(可编程片上系统)技术的保鲜系统。

1 系统总体设计

保鲜系统要对海鲜的生存环境进行及时的调节，一方面要由加热或制冷装置调节水温，另一方面要对水要进行高效的过滤净化，除去水中的氨氮等有害物质，还要充气增加水中的溶氧量。因此，该系统涉及到活海鲜的养殖技术、以生物学和生物化学为基础的水处理技术、自动控制和给排水技术等[3]。

图1 系统总体描述

保鲜系统主要由硬件系统、软件系统和处理器核心系统3部分构成(见图1)。硬件系统包括负责采集环境参数的传感器，控制通风、照明、制氧等设备的执行机构和开发板组成的下位机。软件系统包括下位机软件和上位机软件，下位机软件由采集软件和控制软件组成，采集软件负责采集含氧量、温度、压力等环境参数并进行分析计算传给控制软件。控制软件则根据采集来的参数协同执行机构进行相应的环境参数调节。上位机软件使用Visual Studio 2008开发一套高效便捷的可视化C/S模式的操作软件，用户可通过触屏对系统进行参数调节、画面监控、数据报表打印等操作。处理器核心系统负责协调硬件系统和软件系统，是整个保鲜系统的核心。

该保鲜系统的处理器核心系统采用SOPC和FPGA技术，应用Nios处理器设计，为系统控制核心。控制系统、采集系统为系统中2个重要的组成部分，也是设计难点。系统功能框图如图2所示。

2 硬件系统设计

2.1采集系统设计

采集系统采集水箱中的水温、液位高度、水质状况等环境参数以及对红外信号的接收与处理。

图2 系统功能框图

1)水温采集水温采集利用温度传感器实现。将温度传感器分多个点布置于水箱的上、中、下3处。温度传感器采集到的水温数据通过A/D转换集成芯片转换成数字量后传入控制系统。

2)液位高度采集液位高度采集通过在水箱中布置多个液位开关来采集液位高度信息。

3)红外接收使用红外遥控器作为遥控控制端，在系统的接收端采用红外接收头，采集到遥控器所发出的信息后采用单总线传输协议将信息传输至核心处理模块。

2.2控制系统设计

控制系统使用了多种不同型号、不同电压和功耗的外设，为了能够长期稳定地运行，使用继电器将控制系统高电压、强电流电路与采集、中央处理系统的低电压数字电路隔绝，防止因为电机类外设停转所产生的强大的堵塞电流对系统造成伤害。

1)加热、制冷使用2个潜水加热管布置于水箱中层，用于对水箱水体加热；在水循环出水口处放置制冷机用于对箱体水温的制冷。

2)水质过滤、消毒采用潜水泵以及给水泵用于水箱的排水以及给水操作；采用LED紫外线消毒灯以及活性碳棒组合的方式来对水箱的水质进行杀菌消毒以及杂质过滤。

3)照明、排风为了更好的提供水产品的生存环境，采用多组高亮度暖色调LED模块组均匀置于水箱顶部用于对水箱的照明。由于长途密封运输，箱体内二氧化碳浓度增高，使用排风扇对箱体进行通风操作。

4)制氧采用空气泵并以多个沙头平稳放气的方式用于对水箱水质的增氧。

此外，考虑到开发板的GPIO口负载能力有限，GPIO口输出信号采用4.7K电阻上拉后连接5V高电平触发继电器模块组的控制端。采集/控制模块框图如图3所示。

3 系统软件设计

3.1NIOS以及IP核设计

Nios嵌入式处理系统包括一个或多个Nios CPU、Avalon交换结构总线和其他组件[4]。使用ALTERA的Qsys系统开发工具对Nios核进行定制[5]，加上具有自主知识产权的IP核构成保鲜系统的控制核心。保鲜系统包含Nios CPU、Avalon 总线、外围设备、定时器、PIO(1～32位并行I/O接口)、UART(通用串行接口)、DMA控制器、以太网接口、存储器接口、片内调试模块等。该系统的Nios处理器系统设计原理如图4所示。

图3 采集/控制模块框图图4 Nios处理系统

图5 IP核设计流程图

ALTERA公司提供用户一些简单的IP核，但具体应用到保鲜系统中，还需开发特定功能的IP核[6]。根据图5流程步骤，该系统设计出电机IP核、键盘IP核、数码管IP核、脉宽调试器IP核、VGA(Video Graphics Array)IP核等。这些核均可封装打包直接应用。

3.2采集、控制系统设计

采集系统负责采集环境参数，如温度、压力、含氧量、光照强度等。根据采集回来的参数协调控制系统的动作。控制系统包含温度控制、水循环控制、压力控制、光照控制等模块。按照模块化设计的原则[7]，将整个系统划分为多个子任务系统主要有系统进行初始化、系统时间显示、采集及控制温度、采集及控制水位等。子任务系统间相互独立工作，然后将这些子任务系统以调用函数的形式集中起来。

系统设定了一系列的参数来保证保鲜系统的保鲜功能，设定内部温度在16～20℃之间、水位控制在80～120cm之间，根据系统的时间对环境进行定时的充氧、杀菌以及水质过滤，提供保鲜技术的基本控制。系统控制的详细参数如表1所示。

3.3PID算法

保鲜系统采用的PID算法[8]为整个系统提供了稳定、准确的闭环控制，使系统能够及时、准确的采集信息，反馈到核心控制芯片从而调动控制模块对各个关键性参数进行控制，保证运输产品的新鲜度。

由于温度为保鲜环境最重要的参数，为了保证其控制系统的实时性，温度控制采用定时中断的方法，并且温度的优先级比其他的中断的优先级要高。