摘 要： 介绍了生物发酵过程监测系统的设计。该系统以ARM处理器S3C44B0X为核心，在嵌入式操作系统 uC/0S-Ⅱ下实现了发酵过程中现场数据的采集与显示，并利用PTR2000实现了与上位机" title="上位机">上位机之间的无线通信。
    关键词： ARM  VC  无线传输

    近年来, 生物工程技术越来越引起科技界、工业界和政府部门的重视。生物工程的许多成果需要经过发酵过程而转化为工业产品，因此,发酵罐及其系统在生物工程中显得越来越重要。发酵过程是涉及微生物细胞生长代谢的复杂过程,是一非线性的时变系统,影响因素复杂,参数相关性严重。因此,发酵生产过程的参数测量、操作监视成为生物工程优化管理与自动化的关键问题。本文采用ARM单片机对发酵罐中的环境变量进行自动采集、存储、显示，并将这些数据经PTR2000无线传输模块传至控制中心的上位机（上位机软件系统采用VC++）实现上、下位机" title="下位机">下位机的串行通信和对数据的分析、存盘、打印、报警、显示等功能，从而实现了对发酵系统生产过程的实时远程监控、优化了生产工艺、提高了设备的可利用率。该系统自动化程度高、可靠性好、实用性强，有很好的市场应用前景。
１系统总体设计
    由于实际发酵过程比较复杂，涉及到微生物细胞的生长和代谢，是一个具有时变性、随机性和多变量输入的动态过程。有些变量（如菌体浓度、基质浓度、产物得率等）在线检测困难，且不能直接作为被控变量，因此，在发酵过程中主要采用与质量有关的变量，如温度、搅拌转速、PH值、溶解氧浓度、通气量、泡沫高度等作为被控变量。针对发酵过程中影响微生物代谢的各环境参数的重要性，本系统只对温度、PH值、溶解氧浓度和泡沫高度进行实时采样。
　　系统在工厂控制中心室配置一台PC机作为上位机，在工厂发酵罐现场使用可扩展的ARM单片机作为下位机，即ARM单片机同现场的发酵罐直接相连，按照温度、PH值、溶解氧浓度、泡沫高度的顺序分回路进行数据采集" title="数据采集">数据采集、显示，再通过无线数据传输模块将数据传送到上位机，而上位机对数据进行处理并绘制成实时曲线显示，从而实现发酵罐的远程数据采集和监测。系统基本结构框图如图１所示。

                        
２ 硬件设计
    系统下位机采用基于ARM7TDMI-S内核μC/OS-II的低功耗ARM处理器S3C44B0X，它是三星公司专为手持设备和一般应用提供的高性价比的微控制器解决方案。S3C44B0X具有ARM处理器的所有优点：低功耗、高性能 。具有丰富的片上资源：8KB高速缓存、可配置的片内SRAM、LCD控制器、两路握手功能的UART（通用串行口）、四路DMA控制器、系统管理功能（片选逻辑、FP/EDO/SDRAM控制器）、五路带PWM的定时器、I/O接口、RTC（时钟）、八路10位ADC、IIS总线、同步SIO接口和为系统提供时钟的PLL倍频电路，且S3C44B0X集成了LCD控制器，可以将显示缓存中的数据传送到外部的LCD驱动电路中，非常适合嵌入式产品的开发。由于使用了该处理器众多功能模块使得本系统结构紧凑，减少了系统的复杂度。
2.1 无线传输模块
　　由于S3C44B0X处理器要采集发酵现场数据，然后传输给上位机进行处理。若使用RS485或者CAN等网络，因这些网络均基于有线传输，使用中不仅要考虑成本，而且还要考虑数据传输中的干扰因素。而无线传输成本相对低，并且传输中的干扰较少，这在一定程度上提高了传输的可靠性，具有一定的优势。因此本系统采用基于nRF401的无线通信模块PTR2000，该器件采用抗干扰能力较强的FSK调制/解调方式，工作频率稳定可靠、外围元件少、功耗低、便于设计生产，是目前集成度最高的一种无线传输芯片。S3C44B0X处理器含有两路握手功能的UART接口，系统将UART0的TXD、RXD直接与PTR2000相连接。
　　上位机通过PTR2000与S3C44B0X进行实时通信。PTR2000与PC机相连接时必须经过电平转换，即将TTL电平转换为RS-232C电平，用一片MAX232芯片便可以完成该转换。用串口" title="串口">串口的RTS与PTR2000的TXEN连接来控制PTR2000无线收发模块的收发状态转换。
2.2 数据采集模块及液晶显示
　　下位机系统每隔1秒钟通过四个传感器分别对发酵罐的温度、PH值、溶解氧和泡沫高度进行实时检测。由于各传感器的输出均为模拟信号,而A/D" title="A/D">A/D转换器采集接收的是电压信号,所以各传感器输出的模拟信号经过变送器进行信号变换后,输出的电压信号为0～5V，再经A/D转换器传至S3C44B0X处理器进行处理。S3C44B0X自身虽集成有8路10位A/D转换器，但没有采样保持电路，其内部集成的A/D转换只能输入0～100Hz的模拟信号，因此需要进行扩展。系统采用AD7829器件作为A/D转换器，利用S3C44B0X的PD口发出的脉冲作为AD7829的CONVEST的负脉冲进行模数转换，同时实现发酵罐的多参数采集。
　　液晶系统采用精电蓬远公司的MOBI2006液晶显示器，该显示器为128×64点阵图形液晶，可显示8行西文、数字字符或者4行汉字，系统可实时显示发酵过程中温度、PH值、溶解氧浓度、泡沫高度的值。图2为硬件设计原理图。

                          
3 系统软件设计
　　根据系统的设计要求，将系统软件分为下位机软件和上位机软件分别进行设计。
3.1 下位机软件设计
　　下位机软件设计采用当前流行的嵌入式系统开发技术,采用嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ,并使用ARM和Thumb指令集混合编译来优化代码密度。首先，将实时操作系统μC/OS-Ⅱ移植到S3C44B0X嵌入式微处理器上，将系统所要完成的功能细化为几个核心任务，由μC/OS-Ⅱ实时内核进行调度，以实现多任务的并行操作，使系统的可靠性和实时性得到大幅提升。按系统实现的功能要求，整个系统划分为几个并行存在的任务，占先式操作系统对任务的调度是按优先权的高低进行的。系统的所有任务按其优先级从高到低的顺序依次是：系统监视、LCD显示和数据通信。数据采集部分在定时器中断程序中执行，即每1秒钟按温度、PH值、溶解氧浓度、泡沫高度的顺序分回路进行数据采集。其中，系统监视任务用来监视其他任务。当被监视任务在执行过程中出现差错时，系统监视任务将按照预先设定的处理表对其进行处理，使出错的任务恢复正常运行，提高系统运行的可靠性。系统运行时，首先进行系统初始化操作，初始化所有数据结构，分配堆栈空间，然后建立任务间通信的信号量或消息队列，进行任务建立及分配任务优先权。所有新建的任务被置为就绪态，系统程序从优先权最高的任务开始执行。图3为下位机系统的运行流程图。图4是下位机系统软硬件原理图。