摘 要： 介紹了一種基于MC68EZ328微處理器的嵌入式系統(tǒng)在糧情監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，闡述了嵌入式系統(tǒng)的規(guī)劃方案、硬件構(gòu)成和功能，并在此基礎(chǔ)上提出了完整的軟件、硬件實(shí)現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞： 嵌入式系統(tǒng) 硬件平臺 軟件平臺 監(jiān)控系統(tǒng)
中國是人口大國，糧食的生產(chǎn)和儲備至關(guān)重要。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們不僅對糧情監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性提出更高的要求，而且對系統(tǒng)的智能化也提出很高的要求，于是微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用。目前微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)按照系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以分為二種：集散式控制系統(tǒng)（DCS）和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）。二者雖然在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上有區(qū)別，但控制思想是一致的，即控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器和控制執(zhí)行器在空間上分散分布，而控制操作由系統(tǒng)中的控制器集中完成。微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的監(jiān)控主機(jī)就是系統(tǒng)中的集中控制器，它對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并控制相關(guān)設(shè)備工作。目前，使用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為監(jiān)控主機(jī)的較多。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)具有很高的性能和很好的抗干擾能力，能夠長期穩(wěn)定地運(yùn)行。其缺點(diǎn)是價(jià)格較高、體積笨重、安裝操作不方便，在一些工業(yè)應(yīng)用中并不實(shí)用。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，微處理器的集成度越來越高，性能越來越強(qiáng)。基于嵌入式處理器的嵌入式系統(tǒng)由于具有性能較高、成本較低、體積小巧、使用靈活方便的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)可以取代通用的工控機(jī)而在監(jiān)控系統(tǒng)中作為監(jiān)控主機(jī)起到集中控制器的作用。
1 監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案
糧情監(jiān)控系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上分為二層網(wǎng)絡(luò)。上面一層網(wǎng)絡(luò)采用高速以太網(wǎng)，在每個糧倉都安裝一臺計(jì)算機(jī)系統(tǒng)作為現(xiàn)地控制單元（LCU），也稱為現(xiàn)地工作站，作為糧倉內(nèi)的主控制器。中央控制室內(nèi)的管理主機(jī)可以通過以太網(wǎng)與各個糧倉的現(xiàn)地控制單元進(jìn)行通信。現(xiàn)地工作站將糧倉內(nèi)的溫度和濕度數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳送給管理主機(jī)，管理主機(jī)對采集到的數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分析，管理主機(jī)也可以通過以太網(wǎng)發(fā)送控制指令給現(xiàn)地工作站。下面一層采用現(xiàn)場總線，糧倉的現(xiàn)地工作站通過現(xiàn)場總線與總線上的智能采集器和智能控制器通信，交換信息發(fā)送指令，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制。糧倉內(nèi)外溫濕度采集由基于8051微控制器的智能采集器完成。智能采集器具有現(xiàn)場總線接口，使用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20采集溫度，使用濕度傳感器采集濕度。糧倉內(nèi)外的儲糧設(shè)備由現(xiàn)場總線上的基于8051微控制器的智能控制器來控制。糧倉的現(xiàn)地工作站可以通過現(xiàn)場總線發(fā)送控制命令給智能控制器，由智能控制器執(zhí)行機(jī)械通風(fēng)和谷物冷卻等調(diào)節(jié)措施。某糧庫糧情監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
這種二層網(wǎng)絡(luò)的糧情監(jiān)控系統(tǒng)在上層使用了以太網(wǎng)通信。以太網(wǎng)通信速率高、通信距離遠(yuǎn)，因此系統(tǒng)可以消除干擾、提高穩(wěn)定性并可以實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送。在底層采用速度快、抗干擾性能好的現(xiàn)場總線可以簡化現(xiàn)場接線，另外也可以提高通信效率，減少采集信息的誤碼率。其次，這種二層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的糧情監(jiān)控系統(tǒng)在底層網(wǎng)絡(luò)中加入控制節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控一體，提高了自動化水平和生產(chǎn)效率，是儲糧技術(shù)上的新突破。另外，在糧倉外安裝現(xiàn)地控制單元，可以進(jìn)行現(xiàn)地查詢和操作，為操作人員提供了方便。由于使用了現(xiàn)地工作站, 現(xiàn)地工作站可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地監(jiān)控主機(jī)的功能。這樣底層的網(wǎng)絡(luò)可以脫離上層網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立使用，大大提高了系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性。
2 嵌入式系統(tǒng)在糧情監(jiān)控系統(tǒng)中的使用及設(shè)計(jì)
在這種二層網(wǎng)絡(luò)的糧情監(jiān)控系統(tǒng)方案中，安裝在糧倉的現(xiàn)地工作站是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵。通常的解決方案是采用一臺工控機(jī)作為現(xiàn)地工作站。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是開發(fā)難度小、技術(shù)成熟，在工控機(jī)內(nèi)安裝以太網(wǎng)卡和現(xiàn)場總線接口卡，再開發(fā)應(yīng)用軟件，就可以滿足應(yīng)用。但這種方案中所有的硬件都需要購買，技術(shù)含量低、成本很高，而且安裝維護(hù)十分不方便。在需求數(shù)目比較大時(shí)，這種方案并不適合。在某糧庫糧情監(jiān)控系統(tǒng)中，由于對現(xiàn)地工作站的性能要求并不高，又鑒于嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)決定采用自行設(shè)計(jì)的一款基于嵌入式系統(tǒng)的現(xiàn)地工作站取代工控機(jī)進(jìn)行現(xiàn)地控制。根據(jù)某糧庫糧情監(jiān)控系統(tǒng)的要求，這種嵌入式現(xiàn)地工作站的核心采用Motorola 的32位嵌入式微處理器MC68EZ328，系統(tǒng)中固化了Linux操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，擴(kuò)展了以太網(wǎng)接口和現(xiàn)場總線接口，支持LCD顯示和鍵盤操作。雖然這個嵌入式系統(tǒng)的功能沒有工控機(jī)強(qiáng)大，但是成本很低、在現(xiàn)場安裝維護(hù)十分方便、易操作。對于糧情監(jiān)控系統(tǒng)這種任務(wù)不多的情況，這是一種很好的方案。
2.1 系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計(jì)
嵌入式現(xiàn)地工作站由CPU模塊和若干個擴(kuò)展模塊組成。CPU模塊是系統(tǒng)的核心，上面有一個CPU的最小系統(tǒng)，包括微處理器、電壓管理、時(shí)鐘電路、DRAM、Flash Memory等部分。外圍還擴(kuò)展了LCD接口、鍵盤接口和串口，以及總線驅(qū)動電路等。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。嵌入式現(xiàn)地工作站采用了motorola公司的68K系列中的68EZ328嵌入式微處理器，它主要有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)糧情監(jiān)控系統(tǒng)對嵌入式工作站的性能要求不高，但對成本比較敏感。68EZ328的性能并不出眾，整數(shù)運(yùn)算只有2.7MIPS (16MHz)，但其價(jià)格很低。
(2)68EZ328集成度比較高，提供了大量的片上外設(shè)接口，降低了系統(tǒng)的開發(fā)難度。特別是LCD控制器和DRAM控制器，使LCD和DRAM的擴(kuò)展變得相當(dāng)簡單。
(3)68EZ328微處理器提供8位和16位的外部數(shù)據(jù)接口，這樣微處理器可以方便地?cái)U(kuò)展外圍電路。
(4)68EZ328嵌入式微處理器支持通過串口下載程序到DRAM運(yùn)行，使系統(tǒng)開發(fā)難度降低。
(5)68EZ328嵌入式微處理器應(yīng)用廣泛，技術(shù)支持較好。
嵌入式現(xiàn)地工作站(Embed LCU)是一個嵌入式系統(tǒng)。它的硬件結(jié)構(gòu)與一般通用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)類似，但也有其獨(dú)有的特點(diǎn)。嵌入式現(xiàn)地工作站的硬件核心是嵌入式微處理器的最小系統(tǒng)。最小系統(tǒng)由嵌入式微處理器、復(fù)位電路、電源電路和時(shí)鐘電路以及程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器組成。嵌入式微處理器的最小系統(tǒng)可以運(yùn)行固化在程序存儲器中的嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。但如果要應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)中，滿足系統(tǒng)的功能要求，還要在外部擴(kuò)展一些需要的功能電路和通信接口電路。在為某糧庫糧情監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的嵌入式現(xiàn)地工作站中，為了實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地查詢和操作的功能，擴(kuò)展了鍵盤和LCD顯示屏。為了實(shí)現(xiàn)和中央控制室內(nèi)的監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行通信，擴(kuò)展了10MB以太網(wǎng)接口電路。為了實(shí)現(xiàn)對糧倉內(nèi)外檢測節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制和通信，擴(kuò)展了CAN總線接口電路。
現(xiàn)地嵌入式工作站與上位機(jī)的通信采用以太網(wǎng)，以太網(wǎng)通信接口由以太網(wǎng)控制器CS8900A及其外圍電路實(shí)現(xiàn)。另外68EZ328微處理器還集成了一個UART（通用異步收發(fā)模塊）接口，它支持標(biāo)準(zhǔn)的異步傳輸協(xié)議，支持300bps～1152kbps的波特率。利用這個UART接口可以擴(kuò)展出如圖3所示的RS-232通信接口電路。
嵌入式現(xiàn)地工作站與下位機(jī)通過CAN總線通信。由于CAN總線控制器SJA1000與微處理器的接口采用的是分時(shí)復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線，而嵌入式微處理器68EZ328采用的是分開的數(shù)據(jù)總線和地址總線，所以68EZ328的地址線和數(shù)據(jù)線與SJA1000的復(fù)用的地址線和數(shù)據(jù)線不能直接相連。為了解決這個問題，設(shè)計(jì)中采用PC機(jī)中的CAN總線適配卡的設(shè)計(jì)方案，即使用一個單片機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)收發(fā)CAN總線信號，在單片機(jī)系統(tǒng)和嵌入式微處理器之間采用一片雙口RAM作為緩沖單元，實(shí)現(xiàn)嵌入式微處理器和單片機(jī)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳送，完成微處理器的CAN總線通信功能。CAN總線接口的系統(tǒng)框圖如圖4所示。在CAN總線控制器和CAN總線接口芯片之間，為了增強(qiáng)CAN總線通信的抗干擾能力，使用了2個由高速光耦6N137構(gòu)成的隔離電路，光耦兩側(cè)采用DC-DC對兩側(cè)的電源進(jìn)行了隔離，從而大大提高通信的可靠性和穩(wěn)定性。
2.2 系統(tǒng)軟件平臺設(shè)計(jì)
嵌入式工作站的軟件平臺是以嵌入式Linux為核心的操作系統(tǒng)，它與底層的硬件進(jìn)行交互，為上層應(yīng)用程序提供一個執(zhí)行環(huán)境。
一個最小的嵌入式Linux系統(tǒng)僅僅需要：(1)一個用以引導(dǎo)的可用工具；(2)一個具備進(jìn)程管理，內(nèi)存管理的Linux微內(nèi)核；(3)一個初始化進(jìn)程。
要使最小嵌入式系統(tǒng)具有實(shí)用性還需要具備：(1)各種必須的硬件驅(qū)動程序；(2)一個或幾個應(yīng)用進(jìn)程提供最終的應(yīng)用功效。隨著對系統(tǒng)要求的增加(如連接以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)等)，還需要增加下列組件：一個文件系統(tǒng)及TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。本文設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)包括：(1)系統(tǒng)引導(dǎo)模塊，其中包括對CPU工作模式和寄存器的設(shè)置，也稱片級初始化；對必須的外部設(shè)備設(shè)置并提供讀寫驅(qū)動，也稱板級初始化。(2)Linux內(nèi)核模塊，改成適合MC68EZ328微處理器無內(nèi)存管理的特點(diǎn)。(3)文件系統(tǒng)鏡像模塊，提供初始化進(jìn)程的程序和應(yīng)用程序。
3 結(jié)束語
本文針對糧情監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了一種基于嵌入式系統(tǒng)的糧情監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該方案已在中央直屬某糧庫中實(shí)際應(yīng)用，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
參考文獻(xiàn)
1 王毅.用嵌入式計(jì)算實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控系統(tǒng).微波與衛(wèi)星通信，1996；(1)
2 馮建新，王光興.基于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).東北大學(xué)學(xué)報(bào)，2002；(7)
3 赫振方.糧情測控系統(tǒng)在糧食儲藏中的應(yīng)用.糧油食品科技，2001；(3)
4 任如杉，萬艷芬.糧情測控系統(tǒng)在糧食儲藏中的應(yīng)用.糧食流通技術(shù)，2002；(4)
5 魯昌華.分布式微機(jī)系統(tǒng)在糧情監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用.化工自動化與儀表，2000；(2)