半導(dǎo)體培養(yǎng)箱的ARM嵌入式控制系統(tǒng)研制

生物培養(yǎng)箱作為一種廣泛應(yīng)用于生物、農(nóng)林等學(xué)科的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，其傳統(tǒng)的加熱制冷方式具有噪音大、溫控調(diào)節(jié)精度不高且污染環(huán)境等缺點(diǎn)。對(duì)此本文設(shè)計(jì)了一款利用半導(dǎo)體材料作為溫控元件的生物培養(yǎng)箱。在此設(shè)計(jì)中，一方面采用新型半導(dǎo)體熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)，通過(guò)半導(dǎo)體材料的三種形式將熱能和電能進(jìn)行直接轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)，并輔以濕度、光照的調(diào)節(jié)；另一方面采用ARM9處理器作為硬件平臺(tái)，移植開(kāi)源的Linux操作系統(tǒng),并研發(fā)了模糊PID控制系統(tǒng)。不僅減小了噪音，還降低了產(chǎn)品的成本，且具有控制速度快、精度高及性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，為培養(yǎng)箱的設(shè)計(jì)提供了一種新的思路。
1 半導(dǎo)體培養(yǎng)箱的硬件設(shè)計(jì)
    該培養(yǎng)箱的硬件部分由信號(hào)采集模塊、核心處理模塊和控制模塊組成，其中信號(hào)采集模塊又分溫度、濕度采集。溫度采集是采用單總線(xiàn)數(shù)字溫度傳感器DS18B20，微處理器依據(jù)其器件寄存器內(nèi)置序列號(hào)對(duì)所匹配的傳感器進(jìn)行讀取，以此實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布式應(yīng)用；濕度采集是采用濕度傳感器SHT11，微處理器采用二線(xiàn)串行數(shù)字接口和溫濕度傳感器芯片SHT11通信以完成濕度信號(hào)采集。核心處理模塊采用基于ARM920T 架構(gòu)的S3C2440AL處理器為CPU的核心板，負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)的運(yùn)算與擴(kuò)展外圍通信接口、USB接口、擴(kuò)展接口、多媒體接口等硬件資源，且該核心板還具有支持觸屏控制等功能?？刂颇K以繼電器電路為主體，核心處理模塊輸出的控制信號(hào)，經(jīng)繼電器電路接執(zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電半導(dǎo)體、超聲波加濕、T4燈等工作狀態(tài)控制。本培養(yǎng)箱的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1信號(hào)采集模塊
    信號(hào)采集模塊的功能采用上述DS18B20芯片和SHT11芯片來(lái)分別采集培養(yǎng)箱內(nèi)的溫度和濕度。DS18B20由美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)，具有微型化、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)、器件唯一編碼、支持分布式尋址等功能，適用于各類(lèi)溫度測(cè)控系統(tǒng)。其內(nèi)部有控制電路、64 bit光刻ROM和溫度轉(zhuǎn)換器等。收發(fā)提供9~12 bit可編程設(shè)備溫度讀數(shù)。電壓范圍為3.0 V~5.5 V，測(cè)量溫度范圍為-55℃~125℃，-10℃~85℃范圍內(nèi)精度為±0.5℃。通過(guò)軟件修正可達(dá)±0.062 5℃。本設(shè)計(jì)采取由數(shù)據(jù)線(xiàn)寄生電源供電，在培養(yǎng)箱內(nèi)設(shè)置有2個(gè)DS18B20以進(jìn)行多點(diǎn)檢測(cè)，并通過(guò)計(jì)算此2點(diǎn)的溫度平均值作為箱內(nèi)的溫度檢測(cè)值[8]。
    SHT11是瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的具有I2C總線(xiàn)接口的單片全校準(zhǔn)數(shù)字式相對(duì)濕度和溫度傳感器。該傳感器將溫濕度傳感器、信號(hào)放大器、A/D轉(zhuǎn)換、I2C總線(xiàn)接口集成于一片芯片上(CMOSensTM技術(shù))，具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標(biāo)定、免外圍電路及全互換的特點(diǎn)。其二線(xiàn)串行接口SCK支持CRC傳輸校驗(yàn),傳輸可靠性高且測(cè)量精度可編程在線(xiàn)調(diào)節(jié)。該芯片集成電容性聚合體濕度敏感元件，將濕度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并將此信號(hào)經(jīng)放大后輸入一個(gè)14位的A/D轉(zhuǎn)換器，最后經(jīng)I2C總線(xiàn)數(shù)字接口輸出數(shù)字信號(hào)。
1.2 核心處理模塊
    核心處理模塊采用Samsung公司的S3C2440AL處理器，其擁有ARM920T核，能運(yùn)行32 bit RISC指令集指令及16 bit的精簡(jiǎn)Thumb指令代碼，具有16  KB數(shù)據(jù)CACHE與指令CACHE，具有MMU(Memory Management Unit)功能。該處理器主頻可達(dá)400 MHz，并支持SPI、IIC等多種總線(xiàn)擴(kuò)展方式[1]，能夠滿(mǎn)足培養(yǎng)箱控制系統(tǒng)的要求。根據(jù)培養(yǎng)箱硬件設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，此系統(tǒng)由兩片32 MB的SDRAM和一片64 MB的NAND Flash組成了最小系統(tǒng)，并將啟動(dòng)代碼存放在NAND Flash的起始段中。系統(tǒng)擴(kuò)展外圍接口，其中：處理器的標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口UART0外接MAX232芯片與宿主機(jī)相連，作為調(diào)試串口；處理器的兩路通用串行總線(xiàn)USB(Universal Serial Bus),一路USB HOST用于U盤(pán)接口,一路USB Slave實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸；LCD接口接?xùn)|華3.5英寸LCD觸屏； GPIO(通用輸入/輸出口)支持與硬件的數(shù)據(jù)交互、控制硬件工作和讀取硬件的工作狀態(tài)信號(hào)等功能，根據(jù)設(shè)計(jì)需要，擴(kuò)展GPIO定義如表1所示。

1.3 控制模塊
    控制模塊的功能是對(duì)溫度進(jìn)行準(zhǔn)確控制，使用的溫控元件為熱電半導(dǎo)體。半導(dǎo)體制冷原理建立在三個(gè)效應(yīng)基礎(chǔ)上：塞貝克效應(yīng) 、帕爾帖效應(yīng)和湯姆遜效應(yīng)，構(gòu)成了熱電設(shè)備的理論基礎(chǔ)。其原理是當(dāng)一塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成電偶對(duì)時(shí)，若此電偶對(duì)接通直流電流后，其內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移：電流由N型元件流向P型元件的接頭吸收熱量，成為冷端。由P型元件流向N型元件的接頭釋放熱量，成為熱端。利用此原理實(shí)現(xiàn)制冷或加熱，具有無(wú)污染、無(wú)噪聲、體積小及質(zhì)量輕等特點(diǎn)[9]。圖2是半導(dǎo)體制冷的工作原理圖。

2 半導(dǎo)體培養(yǎng)箱的軟件設(shè)計(jì)
    培養(yǎng)箱的軟件平臺(tái)選用開(kāi)源嵌入式Linux操作系統(tǒng)，其內(nèi)核穩(wěn)定、功能強(qiáng)大，可裁剪并對(duì)底層硬件有豐富的函數(shù)支持。本培養(yǎng)箱的軟件設(shè)計(jì)首先完成Bootloader下載、Kernel內(nèi)核的配置、裁剪、編譯與移植并制作YAFFS根文件系統(tǒng)，然后開(kāi)發(fā)對(duì)溫、濕度傳感器及熱電半導(dǎo)體等底層硬件的驅(qū)動(dòng)程序，以及基于Qt/Embededded的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了GUI人機(jī)交互接口和培養(yǎng)箱軟件工作算法，并采用以模糊自適應(yīng)PID算法為核心的控制算法。培養(yǎng)箱軟件設(shè)計(jì)的整體框架如圖3所示。

2.1嵌入式Linux軟件平臺(tái)的搭建
    本培養(yǎng)箱的嵌入式Linux軟件平臺(tái)是在PC機(jī)上的Federa 12操作系統(tǒng)下建立，具體內(nèi)容如下：(1)建立交叉編譯環(huán)境。為了能在宿主機(jī)的平臺(tái)上編譯出可在目標(biāo)機(jī)體系結(jié)構(gòu)平臺(tái)上運(yùn)行的程序，需要建立交叉編譯環(huán)境，包括可用于目標(biāo)平臺(tái)ARM的編譯器arm-gcc、相關(guān)的鏈接和運(yùn)行庫(kù)-Glibc以及二進(jìn)制文件處理工具-Binutils等，這些GNU軟件都是在i386平臺(tái)上使用。本設(shè)計(jì)以EABI _4.3.3為交叉編譯工具，修改PATH參數(shù)完成配置。(2)制作Bootloader。Bootloader是嵌入式Linux系統(tǒng)的引導(dǎo)加載程序，是系統(tǒng)上電后運(yùn)行的第一段代碼。它可以初始化必要的硬件設(shè)備，創(chuàng)建內(nèi)核需要的基本信息，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，便于引導(dǎo)和加載操作系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)采用支持Nand Flash啟動(dòng)和USB下載內(nèi)核鏡像文件系統(tǒng)的u-boot。(3)Linux內(nèi)核的配置、裁剪和編譯。Linux內(nèi)核配置系統(tǒng)由Makefile、配置文件(config.in)以及配置工具三部分構(gòu)成，其中Makefile定義內(nèi)核的編譯規(guī)則，配置文件給用戶(hù)提供的選擇功能，配置工具包括配置命令解釋器和配置用具界面。本設(shè)計(jì)使用Linux-2.6.30.4內(nèi)核版本，針對(duì)交叉編譯要求，定義Makefile的CROSS_COMPILE=arm-linux-，并根據(jù)實(shí)際需要完成內(nèi)核配置，最后制作內(nèi)核鏡像文件[4]。(4)制作根文件系統(tǒng)。文件系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與文件。YAFFS是專(zhuān)門(mén)為NAND閃存設(shè)計(jì)的嵌入式文件系統(tǒng)，適用于大容量的存儲(chǔ)設(shè)備。而且此系統(tǒng)提供了損耗平衡和掉電保護(hù)等功能，可以方便地集成到系統(tǒng)中去，具有速度快、占用內(nèi)存少的特點(diǎn)，因此選用Busybox- 1.13.0制作的YAFFS作根文件系統(tǒng)。
2.2 系統(tǒng)內(nèi)核層的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)內(nèi)核層的程序主要為外接硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，是內(nèi)核與設(shè)備之間的交互層。Linux支持三類(lèi)設(shè)備：字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)接口。在Linux操作系統(tǒng)中，每個(gè)硬件設(shè)備的應(yīng)用程序可以利用open( )、release( )、read( )及write( )等函數(shù)對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行操作[6]。內(nèi)核層的驅(qū)動(dòng)程序主要指DS18B20、SHT11、熱電半導(dǎo)體與超聲波加濕等硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，它們分別定義在三個(gè)源文件中，其中ctrb.c中包含熱電半導(dǎo)體、超聲波加濕、T4燈及風(fēng)扇等設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，18b20.c與sht.c分別為DS18B20與SHT11傳感器的驅(qū)動(dòng)程序。上述設(shè)備均屬字符型的驅(qū)動(dòng)設(shè)備， 在系統(tǒng)啟動(dòng)后利用insmod指令將其動(dòng)態(tài)加載到內(nèi)核中。驅(qū)動(dòng)程序包括初始化模塊、卸載模塊、讀模塊和寫(xiě)模塊。其中初始化模塊主要包括初始化內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、硬件以及使用設(shè)備前應(yīng)該完成的工作；讀寫(xiě)模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)DS18B20與SHT11的讀寫(xiě)。在Linux2.6內(nèi)核中CPU使用虛擬地址訪問(wèn)外部設(shè)備, ctrb_ioctl()函數(shù)實(shí)現(xiàn)用戶(hù)程序通過(guò)訪問(wèn)設(shè)備文件的方式對(duì)設(shè)備的間接操作。由于驅(qū)動(dòng)程序?qū)儆趦?nèi)核層，程序最后要將數(shù)據(jù)從內(nèi)核態(tài)拷貝到用戶(hù)態(tài)，供應(yīng)用程序使用。圖4為初始化模塊驅(qū)動(dòng)程序工作流程圖。[!--empirenews.page--]

2.3 系統(tǒng)應(yīng)用層的程序設(shè)計(jì)
    應(yīng)用層的程序設(shè)計(jì)主要是在Qt/Embedded平臺(tái)上完成的，負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)觸摸屏的應(yīng)用程序GUI，另外通過(guò)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序以實(shí)現(xiàn)硬件平臺(tái)的工作算法。Qt/Embedded是由Trolltech公司開(kāi)發(fā)的面向嵌入式的Qt版本。它通過(guò)Qt API與Linux I/O以及Framebuffer直接交互,擁有較高的運(yùn)行效率，其類(lèi)庫(kù)采用C++封裝且完全面向?qū)ο笠詫?shí)現(xiàn)真正組件編程。其開(kāi)發(fā)套件使用C++語(yǔ)言編程，具有功能強(qiáng)大、使用簡(jiǎn)單、控件資源豐富且可移植性好等特點(diǎn)[7]。
    本系統(tǒng)主程序的觸發(fā)來(lái)自?xún)煞矫妗Ｆ湟皇前凑障到y(tǒng)時(shí)鐘，依據(jù)時(shí)序觸發(fā)各事件并完成相應(yīng)的處理；另一方面由用戶(hù)界面操作觸發(fā)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)主程序采用雙線(xiàn)程工作方式，分別定義Ctrb_n 與SensorT繼承QThread實(shí)現(xiàn)雙線(xiàn)程。 QThread代表在程序中一個(gè)單獨(dú)的線(xiàn)程控制[4]，在多任務(wù)操作系統(tǒng)中，它和同一進(jìn)程中的其他線(xiàn)程共享數(shù)據(jù)，但運(yùn)行起來(lái)就像一個(gè)單獨(dú)的程序一樣。QThread不是在main()中開(kāi)始，而是在run ()中開(kāi)始運(yùn)行的。
    在工作算法中添加模糊PID自適應(yīng)控制，使控制器能夠在線(xiàn)自動(dòng)調(diào)整比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki和微分系數(shù)Kd，以期獲得最佳的溫度控制。在PID控制器中，比例系數(shù)Kp值的選取決定于系統(tǒng)的響應(yīng)速度，積分控制Ki用于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,微分系數(shù)Kd在于改變系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。調(diào)節(jié)初期選取較大的Kp值以提高響應(yīng)速度，較小的Ki值以防止積分飽和，Kd=0以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性；在調(diào)節(jié)中期，隨著誤差的減小Kp也逐漸變小，Ki值加大以盡量消除余差，Kd值取較小值以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性；在調(diào)節(jié)過(guò)程后期，Kp值調(diào)到較小值以保證系統(tǒng)的平穩(wěn)性，Ki值取適中以消除余差，Kd值取小值以控制過(guò)程的制動(dòng)作用[5]。主程序的工作流程如圖5所示。

3 結(jié)果分析
    在室溫為33℃時(shí)，設(shè)定目標(biāo)溫度為48℃，分別采用普通PID算法與模糊自適應(yīng)PID算法測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并利用MATLAB對(duì)所測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，得到圖6所示的溫度變化曲線(xiàn)。

    從圖6可知采用普通PID控制時(shí),具有調(diào)節(jié)速度慢、超調(diào)量大以及精度不高等特點(diǎn)；而ARM實(shí)現(xiàn)的模糊PID控制，其調(diào)節(jié)時(shí)間相對(duì)于普通PID控制而言減小了5 min， 超調(diào)量變小, 平穩(wěn)性更好，且控制相對(duì)誤差達(dá)到±1.1%。熱電半導(dǎo)體的應(yīng)用，相對(duì)于傳統(tǒng)的加熱制冷設(shè)備，在減小噪音和環(huán)境污染等方面有很大的改進(jìn)，從而提高了控制質(zhì)量，降低了能耗。
    本文實(shí)現(xiàn)了一種基于ARM9與嵌入式Linux操作系統(tǒng)并采用新型熱電半導(dǎo)體為溫控元件的控制方案，經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)調(diào)試該培養(yǎng)箱已達(dá)到相對(duì)誤差±1.1%的控制要求，所設(shè)計(jì)的控制方案具有溫度調(diào)節(jié)響應(yīng)快、超調(diào)量小、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。該方案具有低功耗、無(wú)污染及觸屏控制等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的市場(chǎng)潛力。
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