基于S3C2440的食品生產(chǎn)線溫濕度實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

崔 洪 亮，張 繼 平，唐 懋 清，于 忠 得

(1.大連工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116034；2.大化集團(tuán)有限公司 儀控部，遼寧 大連 116031)

0 引 言

在食品生產(chǎn)過程中，和面、發(fā)酵、攪拌是其生產(chǎn)的重要的環(huán)節(jié)，而時(shí)間、溫度和濕度的監(jiān)測又是這些環(huán)節(jié)的重要因素，它直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。為此生產(chǎn)過程中的溫濕度檢測系統(tǒng)就顯得十分關(guān)鍵。傳統(tǒng)的溫濕度實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)，是以8位的單片機(jī)為核心，通過按鍵操作、數(shù)碼管顯示，不能存儲大量數(shù)據(jù)，而是通過PC機(jī)加智能儀表來存儲數(shù)據(jù)[1]。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，食品行業(yè)的溫濕度實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)有待改善。本設(shè)計(jì)以ARM9微處理器為硬件核心，以Linux操作系統(tǒng)為軟件核心，不僅實(shí)現(xiàn)了原有的功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了人性化的人機(jī)交互，將數(shù)據(jù)的顯示與記錄融于一機(jī)，節(jié)約了生產(chǎn)成本；以太網(wǎng)的引入，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程瀏覽。本研究為食品生產(chǎn)過程的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、人性化提供了技術(shù)條件[2]。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以ARM920T為核心的S3C2440A處理器，其外部提供了豐富的接口功能、總線和GPIO。其具備了單片機(jī)所不具備的運(yùn)行速度快、可以驅(qū)動(dòng)大容量存儲設(shè)備、可驅(qū)動(dòng)大型LCD和觸摸屏，以及網(wǎng)絡(luò)功能等優(yōu)點(diǎn)。使得系統(tǒng)具備PC機(jī)風(fēng)格、大量數(shù)據(jù)儲存和以太網(wǎng)接入的功能。充分利用這些外部資源再配以溫濕度檢測電路，就可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求[3]。硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖Fig.1 Hardware of temperature and humidity detection system

(1)溫度、濕度、時(shí)間監(jiān)測接口。該電路的功能是實(shí)現(xiàn)將溫度、濕度傳感器的信號，經(jīng)過處理轉(zhuǎn)變?yōu)锳／D轉(zhuǎn)換電路需要的電壓信號，再進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換為處理器能處理的數(shù)字信號[4]。時(shí)間監(jiān)測是通過攪拌機(jī)的開啟和關(guān)閉，實(shí)時(shí)測試攪拌機(jī)的開關(guān)時(shí)間。

(2)USB接口。用于連接U盤、移動(dòng)硬盤等大容量存儲設(shè)備，方便數(shù)據(jù)和配置文件導(dǎo)入系統(tǒng)以及導(dǎo)出系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)。

(3)網(wǎng)卡接口。用于連接以太網(wǎng)，可以通過以太網(wǎng)遠(yuǎn)程瀏覽實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)，通過分析數(shù)據(jù)進(jìn)行以太網(wǎng)遠(yuǎn)程控制。

(4)64MB SDRAM。用于設(shè)置程序堆棧和存放各種變量。

(5)UART。用于與PC機(jī)通訊連接，將歷史數(shù)據(jù)上傳至PC機(jī)。

(6)LCD(帶觸摸屏)。用于顯示實(shí)時(shí)曲線、歷史數(shù)據(jù)，通過觸摸屏設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)等。

(7)256MB NAND FLASH。用于存儲代碼和歷史數(shù)據(jù)。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件部分的設(shè)計(jì)主要包括：U－Boot的移植、Linux內(nèi)核的移植、Linux根文件系統(tǒng)的構(gòu)建、設(shè)備驅(qū)動(dòng)的開發(fā)和基于QT的應(yīng)用程序的開發(fā)。與以單片機(jī)為核心的系統(tǒng)相比，引入了Linux操作系統(tǒng)使軟件設(shè)計(jì)變得更加簡單，系統(tǒng)升級也變得更加方便。

2.1 U－Boot的移植

U－Boot是系統(tǒng)上電后運(yùn)行的第一段代碼，用于初始化硬件設(shè)備，準(zhǔn)備好軟件環(huán)境，最后調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核。針對于本系統(tǒng)的硬件平臺，采用1.3.4版本的 U－Boot，閱讀 Makefile文件、修改Makefile文件和平臺相關(guān)文件，執(zhí)行“make smdk2410＿config”、“make all”命 令，生 成U－Boot.bin文件，通過 HJTAG下載寫到NOR FLASH中。

2.2 Linux內(nèi)核的移植和驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用Linux2.6.31版本的內(nèi)核，其中涵蓋了大部分外圍設(shè)備的驅(qū)動(dòng)代碼，根據(jù)需要進(jìn)行簡單修改即可，溫度、濕度、時(shí)間監(jiān)測電路的驅(qū)動(dòng)需要自行編寫。以下對部分驅(qū)動(dòng)作簡要介紹。

2.2.1 NAND FLASH驅(qū)動(dòng)的配置

首先修改分區(qū)表，修改內(nèi)核目錄中的文件arch／arm／plat－s3c24xx／common－smdk.c，使其與256MB的NAND FLASH匹配。接下來修改NAND的讀寫匹配時(shí)間，修改結(jié)構(gòu)static struct s3c2410＿platform＿nand smdk＿nand＿info中的tacls＝10，twrph0＝25，twrph1＝10。最后修改driver／mtd／nand／Kconfig文件[5]。

配置內(nèi)核時(shí)，一定要選上S3C2410NAND Hardware ECC這個(gè)選項(xiàng)，然后再配置內(nèi)核支持yaffs2文件系統(tǒng)。這樣就構(gòu)成了一個(gè)完整的操作系統(tǒng)。

2.2.2 LCD驅(qū)動(dòng)的移植

內(nèi)核中有很完善的LCD驅(qū)動(dòng)，只要根據(jù)所選用的LCD進(jìn)行簡單的修改。內(nèi)核源碼中drivers／video／s3c2410fb.c是LCD驅(qū)動(dòng)的源碼。首先設(shè)置LCD的時(shí)鐘頻率，修改函數(shù)static void s3c2410fb＿activate＿var(struct fb＿info＊info)中的struct s3c2410fb＿mach＿info＊mach＿info＝fbi－＞platform＿data；struct s3c2410fb＿display＊default＿display ＝ mach＿info－＞displays＋mach＿info－＞ default＿display；S3C2410＿LCDCO N1＿CLKVAL(default＿display－ ＞setclkval)；在 arch／arm／mach－s3c24 10／include／mach／fb.h中加入：unsigned setclkval；然后查看LCD手冊，修改arch／arm／mach－s3c2440.c中LCD參數(shù)。配置內(nèi)核支持LCD，完成對LCD驅(qū)動(dòng)的支持。

2.2.3 溫濕度采集接口驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)需要采集4個(gè)攪拌機(jī)的溫度和發(fā)酵室的溫度、濕度6個(gè)參數(shù)，然后將數(shù)據(jù)存儲為.txt文件，系統(tǒng)根據(jù)這6組數(shù)據(jù)繪制實(shí)時(shí)曲線和數(shù)據(jù)列表。根據(jù)實(shí)際需要每1min采集一組數(shù)據(jù)。

在內(nèi)核中沒有溫濕度采集電路的驅(qū)動(dòng)代碼，需要自己編寫，驅(qū)動(dòng)程序只需打開一個(gè)參數(shù)采集的通道，采集完成后打開下一個(gè)通道即可。將驅(qū)動(dòng)程序的源碼加入到drivers／char目錄下，并修改這個(gè)目錄下的Makefile和Kconfig文件，加入這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序，配置內(nèi)核?？蓪⑦@個(gè)驅(qū)動(dòng)程序動(dòng)態(tài)加載到內(nèi)核，便于修改，減小內(nèi)核的大小。

2.3 根文件系統(tǒng)的制作

Linux內(nèi)核啟動(dòng)后會掛載根文件系統(tǒng)用來存取和管理的內(nèi)核文件。根文件系統(tǒng)的制作分為4個(gè)步驟：

(1)準(zhǔn)備制作。遵循FHS標(biāo)準(zhǔn)(Filesystem Hierarchy Standard)創(chuàng)建根文件系統(tǒng)目錄，可以參照Linux操作系統(tǒng)制作相應(yīng)的目錄。

(2)編譯busybox。解壓busybox－1.15.2的源碼包，修改Makefile，執(zhí)行make menuconfig配置busybox，配置完成后，執(zhí)行 make、make install，然后將生成內(nèi)容復(fù)制到第一步建立的相應(yīng)的目錄下。

(3)制作文件系統(tǒng)。完善相應(yīng)目錄下的內(nèi)容，主要包括etc下的inittab、init.d／rcS、fatab文件，以及dev和lib目錄下的內(nèi)容。

(4)完善文件系統(tǒng)。主要是向文件系統(tǒng)中加入應(yīng)用程序。

2.4 基于QT的應(yīng)用程序開發(fā)

作者基于Trolltech的Qt／Embedded來開發(fā)圖形用戶界面系統(tǒng)，使用“一次編寫，隨處編譯”的方式為開發(fā)跨平臺的圖形用戶界面應(yīng)用程序提供了一個(gè)完整的C＋＋應(yīng)用程序開發(fā)框架。

開機(jī)后直接進(jìn)入動(dòng)態(tài)曲線顯示界面，如圖2所示。圖2顯示內(nèi)容有：

(1)菜單欄。它包括：參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、列表、幫助。

(2)系統(tǒng)時(shí)間顯示。顯示當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間。

(3)溫濕度變化曲線。以動(dòng)態(tài)曲線形式顯示當(dāng)前時(shí)間以前采集的10組數(shù)據(jù)。

2.4.1 菜單欄的建立

可以通過觸摸屏點(diǎn)擊相應(yīng)菜單，對系統(tǒng)進(jìn)行操作。參數(shù)設(shè)置是對所采集的6個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括：報(bào)警上下限，傳感器的類型，參數(shù)設(shè)置界面如圖3所示。數(shù)據(jù)導(dǎo)出菜單通過USB接口將歷史數(shù)據(jù)存入移動(dòng)存貯設(shè)備；列表菜單是將數(shù)據(jù)以列表的方式顯示；幫助菜單顯示如何操作系統(tǒng)。

圖2 動(dòng)態(tài)曲線顯示界面Fig.2 The display interface for dynamic curve

圖3 參數(shù)設(shè)置對話框Fig.3 Setting dialog

以上菜單利用QT的信號(SIGNAL)和槽(SLOT)機(jī)制來實(shí)現(xiàn)其功能。例如：connect(settingAction，SIGNAL(triggered())，this，SLOT(setting()))，通過對settingAction對象的點(diǎn)擊(triggered())發(fā)出信號，就會自動(dòng)在this對象上調(diào)用setting()這個(gè)槽，從而彈出參數(shù)設(shè)置對話框。

2.4.2 系統(tǒng)時(shí)間的建立

通過QT的QLabel控件來顯示系統(tǒng)時(shí)間，并把其與timeout()信號連接就完成了系統(tǒng)時(shí)間的建立。

label＝ new QLabel(this)；

QTimer＊timer＝new QTimer(this)；

connect(timer，SIGNAL(timeout())，this，SLOT(showTime()))；

2.4.3 溫濕度變化曲線的建立

溫濕度變化曲線的建立利用了QT的雙緩沖技術(shù)，它包括把一個(gè)窗口部件渲染到一個(gè)脫屏像素映射(off－screen pixmap)中以及把這個(gè)像素映射復(fù)制到顯示器上[6]，QT的雙緩沖技術(shù)的利用，可以使實(shí)時(shí)曲線的顯示更加流暢。利用1min的時(shí)間中斷來采集數(shù)據(jù)更新曲線，其中斷程序流程圖如圖4所示。

圖4 中斷程序流程圖Fig.4 Interruption flow chart

由圖4可見，進(jìn)入中斷服務(wù)程序后，采集一組數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)無效進(jìn)行無效處理，如果數(shù)據(jù)有效進(jìn)行存儲，存儲到.txt文件和列表文件。存儲完成后，利用void Plotter：：refreshPixmap()函數(shù)繪制最新的100組數(shù)據(jù)，并映射到屏幕上[7]。

3 結(jié) 論

通過以上的工作，完成了食品生產(chǎn)線溫濕度實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)的硬件平臺和軟件開發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵技術(shù)的研究工作。經(jīng)過模擬實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)滿足了實(shí)際生產(chǎn)線的需要。本課題的研究將ARM處理器和Linux操作系統(tǒng)引入到溫濕度檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中來，提高了系統(tǒng)運(yùn)行速度和實(shí)時(shí)性，使系統(tǒng)擁有了良好的人機(jī)界面和以太網(wǎng)接口，方便遠(yuǎn)程參數(shù)的設(shè)置和數(shù)據(jù)的查看。Linux系統(tǒng)和Qt／Embedded的使用，使軟件的開發(fā)更容易。該系統(tǒng)通過改進(jìn)也可以實(shí)現(xiàn)其他工業(yè)參數(shù)數(shù)據(jù)的采集，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的工業(yè)控制系統(tǒng)。

[1]張沛然，成廣友.食品生產(chǎn)線溫濕度實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)[J].電子技術(shù)，1995(5)：213－214.

[2]于忠得，林敏，申華.嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009：1－14.

[3]韋東山.嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)完全手冊[M].北京：人民郵電出版社，2008：76－114.

[4]黃賢斌，鄭筱霞，曲波，等.傳感器實(shí)際應(yīng)用電路設(shè)計(jì)[M].成都：電子科技大學(xué)出版社，2003：128－134.

[5]馮國進(jìn).嵌入式Linux驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008：57－66.

[6]BLANCHETTE J，SUMMERFIELD M.C＋＋ GUI Qt 4編程[M].閆鋒欣，曾泉人，張志強(qiáng)，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2008：92－107.

[7]于忠得.單片機(jī)原理與工程設(shè)計(jì)實(shí)例[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011：264－288.