基于S3C2440 微處理器的實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備智能控制系統(tǒng)

翟 麗

（南京審計(jì)大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心， 南京 211815）

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)涉及的領(lǐng)域較多，例如農(nóng)業(yè)、工業(yè)、交通、醫(yī)療以及軍事等，其未來發(fā)展趨勢是實(shí)現(xiàn)物與物、物與人的進(jìn)一步結(jié)合，以達(dá)到智能化控制的目的。 實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備是高等院校的固定資產(chǎn)，實(shí)驗(yàn)室人員需要對儀器設(shè)備進(jìn)行科學(xué)管理，良好的實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備管理對于科研的發(fā)展和學(xué)校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)都起到了積極的促進(jìn)作用。 高校實(shí)驗(yàn)室在創(chuàng)新人才培養(yǎng)和科學(xué)研究的過程中具有不可或缺的重要地位。 其建設(shè)和管理維護(hù)在一定程度上反映了高校的綜合實(shí)力和整體發(fā)展水平［1］。 對于高校實(shí)驗(yàn)室而言，實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備智能管理控制不僅能夠提升學(xué)生的思維能力，還能夠提高學(xué)生未來的就業(yè)競爭力。 對于工業(yè)實(shí)驗(yàn)室而言，實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備智能管理控制能夠確保實(shí)驗(yàn)環(huán)境穩(wěn)定，為工業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造出發(fā)展條件［2］。 無論是哪一種實(shí)驗(yàn)室科研類型，智能管理控制效果亟待加強(qiáng)。 S3C2440 微處理器是基于ARM920T 核的16／32 位RISC 微處理器，運(yùn)行頻率高達(dá)500 MHz，主要面向手持設(shè)備以及高性價比、低功耗的應(yīng)用，適用于開發(fā)各類高端手持、小型終端以及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用產(chǎn)品［3］。 因此，本文利用S3C2440 微處理器，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備智能管理控制系統(tǒng)，以系統(tǒng)響應(yīng)時間為主，最大限度地提高系統(tǒng)運(yùn)行效果。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 XPD 變頻器

本文設(shè)計(jì)的XPD 變頻器利用了網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，將實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備智能管理控制系統(tǒng)中的各種元件連接在一起，形成一個較大通信網(wǎng)絡(luò)，為系統(tǒng)提供遠(yuǎn)程控制與遠(yuǎn)程監(jiān)控功能［4］。 本文利用PLC 控制器與XPD 變頻器的控制設(shè)備相連，利用RS232／RS485接口，與PLC 控制器、系統(tǒng)進(jìn)行智能通信。 在實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備智能管理控制數(shù)據(jù)通信的過程中，本文主要利用rofiBus、ModBus 通訊，有效地減少了變頻器與系統(tǒng)之間的布線干擾問題，對于提高數(shù)據(jù)傳輸效率，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率具有重要作用。 XPD 變頻器的通信配置參數(shù)見表1。

表1 XPD 變頻器的通信配置參數(shù)表Tab. 1 Communication configuration parameters of XPD frequency converter

本文設(shè)計(jì)的XPD 變頻器是由LCD 顯示器、及WinCC Web Navigator 服務(wù)器構(gòu)成，通過ProfiBus—DP 現(xiàn)場總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，傳輸智能管理控制數(shù)據(jù)；WinCC Web Navigator 服務(wù)器通過以太網(wǎng)與S7－300 PLC 進(jìn)行通信，訪問相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)。 XPD 變頻器集合了較多的優(yōu)勢，安裝簡便，傳輸速率較快，調(diào)試速度快，能夠適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備智能管理控制系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境。

1.2 核心電路設(shè)計(jì)

主要控制模塊要實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)的通信、與無線傳感網(wǎng)的串行通信、Qt（應(yīng)用程序開發(fā)框架）的展示等功能。 為了滿足上述的性能要求，該處理器選用三星S3C2440 微處理器。 系統(tǒng)采用S3C2440 作為嵌入式處理器，基于32 位的RISC 命令集，為單片機(jī)設(shè)計(jì)提供了低成本，完成低功耗和高性價比的設(shè)計(jì)。由于采用了16 KB 的高速緩存器和16 KB 的高速緩存器作為ARM 核心，在大大降低系統(tǒng)開銷的同時，也更有效地去除了不必要的部件，尤其適合在低功率應(yīng)用中使用。 核心電路有包括了2 MB 的Nor Flash 和256 MB 的NandFlash 的板載ROM、64 MB的SDRAM、612 MHz 的晶振電路和其他一些電路。其硬件組成框圖如圖1 所示。

圖1 網(wǎng)關(guān)主控模塊結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure of gateway master control module

控制器接收到強(qiáng)電信號，并將強(qiáng)電信號傳輸?shù)綄?shí)驗(yàn)室相關(guān)設(shè)備中，使其處于導(dǎo)通狀態(tài)。 在實(shí)驗(yàn)開始時，打開開關(guān)，實(shí)驗(yàn)室相關(guān)儀器設(shè)備立刻進(jìn)入工作狀態(tài)，保證實(shí)驗(yàn)進(jìn)行效率。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 建立網(wǎng)絡(luò)服務(wù)

網(wǎng)絡(luò)功能模塊是Linux 系統(tǒng)中非常重要的一個部分，網(wǎng)絡(luò)功能模塊的目的就是為上層提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，而網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的基礎(chǔ)是底層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)得以實(shí)現(xiàn)的硬件基礎(chǔ)，一方面將接收到的數(shù)據(jù)傳遞到上層，另一方面將來自上層的數(shù)據(jù)通過特定的媒介訪問控制方式發(fā)送出去。 Linux 系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的體系可以劃分為4 層，分別為：網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接口層、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口層、設(shè)備驅(qū)動功能層和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與媒介層。 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)就是在Linux 系統(tǒng)下開發(fā)適用于DM9000 網(wǎng)卡的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序。 Linux 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動的4 層體系結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 Linux 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動的4 層體系結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Four－tier architecture of Linux network device driver

系統(tǒng)拓展節(jié)點(diǎn)與傳感器／控制器節(jié)點(diǎn)之間通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，拓展節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)之間通過串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 系統(tǒng)智能通信功能

本文在設(shè)計(jì)了軟件架構(gòu)的基礎(chǔ)上，對實(shí)驗(yàn)室管理控制系統(tǒng)的智能通信功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。 物聯(lián)網(wǎng)的核心思想在于數(shù)據(jù)交換與數(shù)據(jù)通信，在此理念下，研究中將智能通信功能分為2 部分設(shè)計(jì)。 一部分為實(shí)驗(yàn)室預(yù)約階段通信功能設(shè)計(jì)；另一部分為實(shí)驗(yàn)室使用階段通信功能設(shè)計(jì)。 本文假定實(shí)驗(yàn)室預(yù)約階段的系統(tǒng)中存在s個時隙，并分成了l個子幀，每個子幀由l個時隙組成，則實(shí)驗(yàn)室預(yù)約階段的通信時隙分配公式具體如下：

其中，F(xiàn)為物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，實(shí)驗(yàn)室預(yù)約階段的通信時隙分配結(jié)果；si為第i個預(yù)約時期的時隙。在相同的條件下，得出實(shí)驗(yàn)室使用階段通信時隙分配公式見如下：

其中，K為物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，實(shí)驗(yàn)室使用階段通信時隙分配結(jié)果；li為第i個子幀的時隙；fi為系統(tǒng)通信的第i個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。 在物聯(lián)網(wǎng)條件下，實(shí)驗(yàn)室管理控制系統(tǒng)的智能通信功能，主要是將實(shí)驗(yàn)室中的基本數(shù)據(jù)進(jìn)行提取后，傳輸?shù)较到y(tǒng)中，并存儲在數(shù)據(jù)庫中，保證實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)得到基本管理，進(jìn)而提高系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)通信效果。

2.3 實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備智能管理控制數(shù)據(jù)庫

智能管理控制數(shù)據(jù)庫為實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備管理控制系統(tǒng)的核心部分，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分之一。數(shù)據(jù)庫是分析、處理、整理、加工數(shù)據(jù)的管理方式和有關(guān)邏輯架構(gòu)的組織過程。 合理地設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫，能有效地降低數(shù)據(jù)冗余量，提高執(zhí)行速度，提高數(shù)據(jù)庫的穩(wěn)定性，并有助于后續(xù)的數(shù)據(jù)共享。 為了實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備智能管理的精準(zhǔn)控制，本文在通信數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，建立了實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備智能管理控制數(shù)據(jù)庫。 本文主要將實(shí)驗(yàn)室相關(guān)數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，縮短實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)查找時間，進(jìn)而提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。 實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備智能管理控制數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備智能管理控制數(shù)據(jù)庫Tab. 2 Intelligent management and control database of laboratory instruments and equipments

由表2 可知，本文選取了登錄名稱、地址、實(shí)驗(yàn)室預(yù)約數(shù)據(jù)、使用數(shù)據(jù)、儀器使用頻率、維護(hù)數(shù)據(jù)、用戶權(quán)限數(shù)據(jù)等作為數(shù)據(jù)庫存儲內(nèi)容。 用戶登錄功能主要是獲取登錄者的身份和驗(yàn)證密碼的正確性，對設(shè)備用戶和實(shí)驗(yàn)室管理員以外的用戶進(jìn)行限制登錄。 用戶登錄成功后，需要按照注冊用戶的身份，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的操作界面，并進(jìn)行相應(yīng)的初始化。 系統(tǒng)客戶端的功能模塊是一樣的，通過用戶的帳號來判斷用戶的權(quán)限，并可以訪問對應(yīng)的權(quán)限接口，在自己的權(quán)限范圍內(nèi)完成相應(yīng)的菜單操作。 用戶登錄后檢索對應(yīng)的字段名，即可得出實(shí)驗(yàn)室相關(guān)數(shù)據(jù)，減少了數(shù)據(jù)查找時間，進(jìn)而縮短系統(tǒng)響應(yīng)時間，提高系統(tǒng)整體運(yùn)行效率。

3 系統(tǒng)測試

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)是否具有實(shí)用價值，本文對上述系統(tǒng)進(jìn)行測試。 首先，調(diào)試XPD 變頻器與PCL 控制器這2 個硬件，使硬件處于正常運(yùn)行狀態(tài)；其次，調(diào)試系統(tǒng)軟件，使軟件運(yùn)行正常；最后，測試系統(tǒng)整體控制效果，在系統(tǒng)整體運(yùn)行正常的條件下，將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備智能管理控制系統(tǒng)，與本文設(shè)計(jì)的基于S3C2440 微處理器的實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備智能控制系統(tǒng)進(jìn)行對比。 具體測試過程及測試結(jié)果詳述如下。

3.1 測試過程

在進(jìn)行測試前，本文將XPD 變頻器與PCL 控制器按照使用說明安裝完畢后，對其進(jìn)行調(diào)試。 在XPD 變頻器的各個電路節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電流測試，電流均在1.9 A 左右，并未出現(xiàn)電流過載現(xiàn)象，可以保證XPD 變頻器的運(yùn)行正常。 PCL 控制器安裝完畢后，電源處的電壓為12 V，紅色指示燈、黃色指示燈、綠色指示燈依次亮起，中間間隔為1 min，黑色指示燈未亮起，可以保證PCL 控制器的運(yùn)行正常。 硬件調(diào)試結(jié)束后，本文對軟件進(jìn)行調(diào)試，使軟件在一定的負(fù)載下，能夠穩(wěn)定工作24 h，保證系統(tǒng)軟件運(yùn)行正常。在系統(tǒng)硬件與軟件調(diào)試好后，將硬件與軟件相連接。軟件調(diào)試參數(shù)見表3。

表3 軟件調(diào)試參數(shù)Tab. 3 Software debugging parameters

點(diǎn)擊權(quán)限設(shè)置為管理員后，輸入正確的用戶名、密碼，點(diǎn)擊登錄，進(jìn)入到系統(tǒng)中。 點(diǎn)擊對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集、處理、存儲模塊，能夠得出相應(yīng)的管理控制數(shù)據(jù)，可以保證系統(tǒng)整體運(yùn)行正常。

系統(tǒng)中存在3 個使用標(biāo)簽、1 個預(yù)約標(biāo)簽、1 個管理標(biāo)簽，標(biāo)簽測試過程中，將數(shù)據(jù)、天線號、次數(shù)、RSSI、設(shè)備均進(jìn)行了管理。 數(shù)據(jù)類型以實(shí)驗(yàn)室使用日期為開頭，夾雜了設(shè)備與其他相關(guān)數(shù)據(jù)。 其中，實(shí)驗(yàn)設(shè)備65535 使用次數(shù)較多，本文標(biāo)簽測試以該設(shè)備為主，經(jīng)過測試后，得到標(biāo)簽數(shù)目為5 個，測試速率為42 次／s。 標(biāo)簽個數(shù)與實(shí)際個數(shù)相一致，可以保證系統(tǒng)運(yùn)行效果。

3.2 測試結(jié)果

在上述測試條件下，本文隨機(jī)選取出1 000 ～8 000 人，使其同時登錄實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備智能管理控制系統(tǒng)。 并將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備智能管理控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間，與本文設(shè)計(jì)的基于S3C2440 微處理器的實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備智能控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間進(jìn)行對比，具體測試結(jié)果見表4。

表4 測試結(jié)果Tab. 4 Test results

由表4 可知，本文分別選取了1 000 人、2 000人到8 000 人的同時登錄人數(shù)。 登錄人數(shù)越多，對系統(tǒng)的壓力越大，測試對系統(tǒng)運(yùn)行效果的影響。 根據(jù)表4 內(nèi)容，繪制對比圖，如圖3 所示。

圖3 測試結(jié)果對比圖Fig. 3 Comparison Chart of Test Results

在其他條件均不變的情況下，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備智能管理控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間相對較長，隨著同時登錄人數(shù)的增加，系統(tǒng)響應(yīng)時間隨之延長。 當(dāng)系統(tǒng)同時登錄人數(shù)超過4 000 人時，系統(tǒng)響應(yīng)時間增加速度加快。 當(dāng)系統(tǒng)同時登錄人數(shù)達(dá)到8 000 人時，系統(tǒng)響應(yīng)時間達(dá)到了2.03 s，影響了系統(tǒng)運(yùn)行效果。 因此，使用傳統(tǒng)智能管理控制系統(tǒng)能夠接受同時登錄人數(shù)為5 000，超出此人數(shù)，系統(tǒng)將會出現(xiàn)卡頓、甚至崩潰的現(xiàn)象，智能管理控制效果隨之下降，系統(tǒng)整體運(yùn)行水平亟待加強(qiáng)。

本文設(shè)計(jì)的基于S3C2440 微處理器的實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備智能控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間相對較短，始終在0.07 s 以內(nèi)。 并且，當(dāng)系統(tǒng)登錄人數(shù)超過5 000人后，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)響應(yīng)時間穩(wěn)定在0.06 s 左右，并不會影響系統(tǒng)整體運(yùn)行效果。 因此，使用本文設(shè)計(jì)的智能管理控制系統(tǒng)能夠接受同時登錄人數(shù)可達(dá)8 000 人及以上，系統(tǒng)并不會出現(xiàn)卡頓或崩潰的現(xiàn)象，系統(tǒng)整體運(yùn)行水平較高，智能管理控制水平隨之提升，符合本文研究目的。

4 結(jié)束語

近些年來，科研實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)加快，推動了科技技術(shù)的發(fā)展，為高校、工業(yè)等領(lǐng)域創(chuàng)造了價值。 實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備智能管理控制效果，是實(shí)驗(yàn)室未來發(fā)展的關(guān)鍵指標(biāo)。 在管理控制過程中，主要以集中資源管理控制為主，發(fā)揮出各個管理智能的優(yōu)勢，為實(shí)驗(yàn)室提供良好的使用環(huán)境。 為了進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備智能管理控制效果，本文設(shè)計(jì)了基于S3C2440 微處理器的實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備智能控制系統(tǒng)，有效地應(yīng)對了實(shí)驗(yàn)室科研建設(shè)的挑戰(zhàn)。