空間高等植物培養(yǎng)箱控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

中科院上海技術(shù)物理研究所 劉方武 張 濤 鄭偉波 鞠洪偉 蔡 萍

空間生物實(shí)驗(yàn)是了解重力在植物生長中的作用機(jī)理[1]的重要手段，空間高等植物培養(yǎng)箱是實(shí)現(xiàn)在太空培養(yǎng)高等植物的載體，它是在一個密閉箱體內(nèi)為高等植物生長提供合適的生長環(huán)境，如光照、溫度、水、營養(yǎng)液等。為實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，控制系統(tǒng)需實(shí)時監(jiān)測箱內(nèi)的環(huán)境因素，并能實(shí)時做出調(diào)整。本控制系統(tǒng)采用TI公司推出的32位定點(diǎn)DSP芯片DSP2812[2，3]，其主要面向數(shù)字控制和運(yùn)動控制領(lǐng)域。該DSP的最高主頻可以達(dá)到150MHZ，片內(nèi)集成了128K*16位的FLASH和18K*16位的RAM，調(diào)試時既可以將程序燒錄到RAM中，也可以燒入FLASH以便長期使用。該款DSP可使用TI公司的集成開發(fā)環(huán)境CCS3.3進(jìn)行軟件開發(fā)，并支持JTAG在線仿真接口，可以實(shí)時分析以及設(shè)置斷點(diǎn)。

1.系統(tǒng)分析

1.1 任務(wù)需求

空間高等植物培養(yǎng)箱為長日照植物和短日照植物提供滿足空間培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)條件，科學(xué)家可通過數(shù)據(jù)注入指令控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，通過在軌下傳的各類數(shù)據(jù)，了解植物的生長環(huán)境及狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上分析獲得實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果。因此，控制系統(tǒng)需實(shí)時采集培養(yǎng)箱內(nèi)的溫度、濕度、照度等環(huán)境參數(shù)和燈、相機(jī)、泵、溫控、水循環(huán)的開關(guān)狀態(tài)，并下傳給數(shù)管系統(tǒng)；根據(jù)實(shí)驗(yàn)流程需要，控制系統(tǒng)需定時控制長日照燈1、短日照燈2、返回單元燈3的開關(guān)，可見光相機(jī)1、2和熒光相機(jī)3的開關(guān)，水循環(huán)1、2的開關(guān)；根據(jù)指令控制溫控的開關(guān)、泵1、2的開關(guān)，光照周期的調(diào)整，水循環(huán)周期的調(diào)整；根據(jù)廣播時間碼進(jìn)行系統(tǒng)校時和自守時。培養(yǎng)箱通過422接口與數(shù)管系統(tǒng)進(jìn)行通訊，接收注入指令并返回狀態(tài)參數(shù)。

1.2 控制系統(tǒng)需求分析

為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，給高等植物生長提供所需的適宜環(huán)境，控制系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)以下功能：

(1)實(shí)時與數(shù)管系統(tǒng)通訊，通訊接口為422異步串行通訊，波特率為115200bps?？刂葡到y(tǒng)接收數(shù)據(jù)注入，對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，并執(zhí)行指令；發(fā)送科學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)包，在接收到數(shù)據(jù)采集指令后，將采集到的模擬量和狀態(tài)量按一定格式打包，并發(fā)送給數(shù)管系統(tǒng)。

(2)根據(jù)外部指令，實(shí)時響應(yīng)對燈、溫控、泵、水回收裝置等10路繼電器的開關(guān)操作。

(3)按照實(shí)驗(yàn)流程，對燈1、2開關(guān)(燈1為16h開、8h關(guān)，燈2為8h開、16關(guān))、相機(jī)1、2、3開關(guān)(相機(jī)1、2分別在燈開時每2h開關(guān)1次，相機(jī)3根據(jù)數(shù)據(jù)注入進(jìn)行開關(guān)控制)、水回收1、2開關(guān)(在燈開時關(guān)閉、在燈關(guān)時開啟)等進(jìn)行定時控制。

(4)為了監(jiān)控培養(yǎng)箱的工作狀態(tài)，控制系統(tǒng)需定時(512ms)采集溫度、濕度、照度、工作電壓等16路模擬量，和燈狀態(tài)、輸運(yùn)泵狀態(tài)、相機(jī)狀態(tài)、激發(fā)光狀態(tài)、溫控狀態(tài)、水回收狀態(tài)等14路數(shù)字量。

(5)控制系統(tǒng)需自守時，并能根據(jù)數(shù)管系統(tǒng)注入的時間碼，實(shí)現(xiàn)校時功能。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

圖1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)系統(tǒng)需求分析，對控制系統(tǒng)的功能進(jìn)行模塊劃分，如圖1所示，相應(yīng)的硬件模塊有：時鐘晶振模塊、電源變換模塊、RS422通訊模塊、復(fù)位電路模塊、模擬量采集模塊、狀態(tài)量采集模塊、繼電器開關(guān)控制模塊、DSP控制器模塊等八部分。

圖2 空間高等植物培養(yǎng)箱控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

其中時鐘晶振為DSP提供25MHZ的外部時鐘源，電源變換電路使用MSK5101-3.3和LM117電源轉(zhuǎn)換芯片將外部5V電源變換為DSP2812工作所需的3.3V外設(shè)電壓和1.8V內(nèi)核電壓，串口通訊模塊使用DS26LV31T和DS26LV32AT實(shí)現(xiàn)將DSP2812的SCI串口變換為422通訊所需的差分信號，復(fù)位電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位功能，模擬量采集電路使用LM124放大器實(shí)現(xiàn)將外部模擬量送給DSP2812的內(nèi)部ADC，狀態(tài)量采集電路將外部狀態(tài)量經(jīng)SN74LS244緩沖后送DSP2812的GPIO口，繼電器開關(guān)控制電路是將GPIO口輸出的控制信號經(jīng)達(dá)林頓管SG2003放大后控制繼電器開關(guān)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的需求分析，先將控制軟件按照功能進(jìn)行模塊劃分，其軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其功能可分成五部分：數(shù)據(jù)注入接收與解析、模擬量和狀態(tài)量的采集、科學(xué)參數(shù)包發(fā)送、實(shí)驗(yàn)流程控制、DSP系統(tǒng)初始化。對應(yīng)于五個軟件功能，控制軟件分為五個模塊來進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，具體為初始化模塊、主循環(huán)模塊和三個內(nèi)部中斷模塊，按照優(yōu)先級高低依次為：定時器中斷、串口接收中斷、串口發(fā)送中斷。其中，主循環(huán)模塊又由模擬量采集、狀態(tài)量采集、指令響應(yīng)、數(shù)據(jù)注入存儲、立即令執(zhí)行、延時指令處理、實(shí)驗(yàn)流程控制等七個子模塊組成，每個子模塊對應(yīng)一個函數(shù)。指令響應(yīng)子模塊由于分支較多，又調(diào)用了三個單元，每個單元對應(yīng)一個子函數(shù)。時間大小比較功能，相對比較獨(dú)立，也寫成一個子函數(shù)，作為一個單元調(diào)用。DSP系統(tǒng)初始化模塊根據(jù)不同的外設(shè)也劃分為系統(tǒng)控制初始化、GPIO口初始化、其它外設(shè)初始化、全局變量初始化、斷電指令響應(yīng)、喂狗等六個子模塊。其中斷電指令響應(yīng)單元實(shí)現(xiàn)將所有繼電器關(guān)斷。

圖3 控制系統(tǒng)軟件流程圖

根據(jù)實(shí)驗(yàn)流程的需要，主控軟件的執(zhí)行次序如圖3所示。系統(tǒng)在上電后首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，將系統(tǒng)時鐘設(shè)為100MHZ，使能相應(yīng)的外設(shè)如SCI口、ADC、GPIO口等，打開看門狗，并關(guān)閉所有的繼電器；然后系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)自檢模式，實(shí)時接收數(shù)管系統(tǒng)發(fā)來的各種指令，并做出響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的檢查；直到接收到數(shù)管系統(tǒng)發(fā)送的進(jìn)入正常工作模式的指令，或自檢時間結(jié)束自動進(jìn)入正常工作模式；進(jìn)入正常工作模式后，重新載入系統(tǒng)運(yùn)行的參數(shù)，進(jìn)入自主控制流程，按照協(xié)議要求定時開關(guān)燈、相機(jī)、水回收等。在正常工作模式里，控制系統(tǒng)將定時發(fā)送開關(guān)信號；在接收到數(shù)據(jù)采集指令后，將采集到的各類狀態(tài)參數(shù)打包后發(fā)送數(shù)管系統(tǒng)；在接收到廣播時間碼后，進(jìn)行系統(tǒng)校時，在兩次廣播時間碼之間，進(jìn)行系統(tǒng)自守時；在接收到斷電指令后，關(guān)閉所有繼電器，使系統(tǒng)進(jìn)入確定狀態(tài)，等待數(shù)管系統(tǒng)斷電。

3.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)按功能劃分為422通信、注入指令的解析、模擬量和狀態(tài)量的采集、開關(guān)指令的執(zhí)行、系統(tǒng)守時校時定時等。由于篇幅有限，下面重點(diǎn)介紹422通信、開關(guān)指令的執(zhí)行、指令解析和實(shí)驗(yàn)流程的控制四個部分。

3.1 422通信

空間高等植物培養(yǎng)箱控制系統(tǒng)與數(shù)管系統(tǒng)的通訊采用422接口，波特率為115200bps。DSP2812自帶兩路串行通信接口(SCI)，可采用查詢和中斷兩種方式進(jìn)行串口通訊。為了實(shí)時接收數(shù)管系統(tǒng)注入的數(shù)據(jù)指令，本系統(tǒng)采用接收中斷和發(fā)送中斷來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與數(shù)管系統(tǒng)的實(shí)時通信。此處需特別注意的是，在系統(tǒng)上電或復(fù)位操作時，由于422發(fā)送芯片的管腳電平不確定，會出現(xiàn)輸出亂碼的現(xiàn)象，這些亂碼有時會造成不可預(yù)知的結(jié)果。在系統(tǒng)上電或復(fù)位進(jìn)行初始化過程中，為保證422芯片輸出無亂碼，可選擇使用三個措施：DSP輸出信號控制使能，積分延時電路控制使能，RS422芯片輸入端外接上拉電阻。為盡量簡化電路，本系統(tǒng)采用第一種措施：由DSP2812輸出RS422芯片的使能信號，在上電和復(fù)位初始化過程中，將RS422芯片的接口使能端設(shè)為禁止?fàn)顟B(tài)，初始化完成后才設(shè)為使能開狀態(tài)，以此來達(dá)到禁止向外部發(fā)送亂碼的目的。如圖4所示，RS422接口芯片DS26LV31W有兩個使能端pin4EN和pin12/EN。使用其中任何一個，都可達(dá)到使能控制該芯片的目的，但是因DSP2812的GPIO口為內(nèi)部上拉，上電或復(fù)位至系統(tǒng)初始化完成前，GPIO口會輸出高電平，所以，最終選用422芯片的低電平使能端pin12/EN，具體電路如圖4所示。圖4中肖特基二極管D36起防潛通作用[4]。

圖4 RS422發(fā)送端原理圖

RS422使能端控制信號/EN31的初始化程序?yàn)椋?/p>

3.2 開關(guān)指令的執(zhí)行

開關(guān)指令的執(zhí)行是通過GPIO口輸出控制信號，經(jīng)達(dá)林頓管放大后控制繼電器開關(guān)來實(shí)現(xiàn)的。DSP2812的GPIO口共有6組56個，其中除了GPIOE0、GPIOE1、GPIOF0、GPIOF1、GPIOF2、GPIOF3、GPIOF12、GPIOG4、GPIOG5這九個之外，全部為內(nèi)部上拉[3]。這47個GPIO口在上電瞬間到初始化完成配置前的這段時間輸出為高電平，在主頻100MHZ的情況下，該脈沖寬度大約為60ms，如圖5所示。第一個窄脈沖電平約為1.4V，脈寬為60ms。

圖5 GPIO口未加下拉電阻時的波形

圖6 GPIO口添加下拉電阻后的波形

因系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，高電平為繼電器開，低電平為繼電器關(guān)，所以，在上電或復(fù)位瞬間這個窄脈沖會短暫打開繼電器，這不僅會造成浪涌電流很大，而且還會造成繼電器誤操作。為了解決這個問題，本系統(tǒng)采用在每個帶內(nèi)部上拉功能的GPIO口增加下拉電阻的辦法，其下拉電阻阻值為3.3KΩ。圖5是增加下拉電阻前，示波器所抓取的帶上拉功能的GPIO口的輸出波形圖。圖6為增加3.3KΩ的下拉電阻后，同一端口所測波形。由圖6可見上電瞬間所輸出的1.4V脈沖已被下拉至0.2V。

3.3 指令解析

控制系統(tǒng)接收的數(shù)管系統(tǒng)指令有廣播時間碼、數(shù)據(jù)采集指令、系統(tǒng)維護(hù)指令、系統(tǒng)斷電指令和數(shù)據(jù)注入指令五種，其中前四種指令相對簡單，而數(shù)據(jù)注入指令內(nèi)含需要解析的參數(shù)設(shè)置等內(nèi)容，相對比較復(fù)雜。為了及時響應(yīng)數(shù)管系統(tǒng)指令，控制系統(tǒng)在串口接收中斷中對5種指令先只做出分類標(biāo)示，并直接放入數(shù)據(jù)緩存區(qū)，而將各種指令的解析與響應(yīng)放在主循環(huán)中，當(dāng)主循環(huán)中對指令做出響應(yīng)后則將標(biāo)示清零。

3.4 實(shí)驗(yàn)流程控制軟件實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)流程的實(shí)現(xiàn)需要有精確的定時，定時器的實(shí)現(xiàn)是由DSP自帶的定時器中斷來完成的?？刂葡到y(tǒng)的主頻為100MHZ，定時器中斷設(shè)置為每5ms進(jìn)一次中斷，因此本系統(tǒng)的實(shí)際時間精度為5ms。由于系統(tǒng)流程是在一個無限循環(huán)中輪詢實(shí)現(xiàn)，所以實(shí)驗(yàn)流程控制就是將設(shè)置好的時間標(biāo)志與定時器中的累計(jì)時間標(biāo)志做比較，當(dāng)累計(jì)時間大于等于設(shè)置時間時，就實(shí)施某個開關(guān)動作。由于培養(yǎng)箱采用的繼電器是磁保持繼電器，所以，開關(guān)信號只需給出大于80ms的高電平脈沖即可完成開關(guān)動作，無需一直保持高電平。脈沖信號的產(chǎn)生一般使用delay()函數(shù)。使用delay()函數(shù)來實(shí)現(xiàn)高電平脈沖，可以避免同時開啟多個繼電器，避免浪涌電流過大。但是，如果連續(xù)使用多個delay()函數(shù)會造成看門狗超時，而導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)位。例如，在實(shí)驗(yàn)流程中，如果有多個開關(guān)需同時依次打開，則幾個delay()函數(shù)的時間就會累加起來，超過系統(tǒng)看門狗的喂狗時間。綜合考慮以上情況，本控制系統(tǒng)采取設(shè)置繼電器開關(guān)時間標(biāo)志的方法，當(dāng)繼電器開的控制信號置高電平后，在定時器中斷內(nèi)進(jìn)行計(jì)時，當(dāng)時間超過80ms則將控制信號拉低。這樣做不僅避免了狗叫，而且提高了系統(tǒng)的實(shí)時響應(yīng)性。

4.結(jié)論

通過解讀任務(wù)目標(biāo)，分析任務(wù)的需求，提煉出空間高等植物培養(yǎng)箱控制系統(tǒng)的五個任務(wù)；然后從硬件模塊劃分和軟件功能實(shí)現(xiàn)兩條線給出了控制系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)；在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)部分，重點(diǎn)介紹了422通訊亂碼的消除方法，上電或復(fù)位瞬間GPIO口的高電平脈沖抑制方法，指令解析的詳細(xì)設(shè)計(jì)說明和實(shí)驗(yàn)流程控制中脈沖電平的實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)證明，控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，實(shí)時響應(yīng)性能好。

[1]孫建峰,趙琦,郭雙生,等.微重力及模擬微重力對植物生長的影響[J].生物技術(shù)通報,2011(9).

[2]顧衛(wèi)剛.手把手教你學(xué)DSP[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2009.

[3]TMS320F281x Datasheet.Texas Instruments,2003.

[4]尹申燕,劉敏,李靚.冷機(jī)低阻通路下的潛通電路分析及隔離方法[J].電訊技術(shù),2010,50(8).