基于S3C2440 微处理器的实验室仪器设备智能控制系统

翟 丽

（南京审计大学实验中心， 南京 211815）

0 引 言

随着物联网的发展，物联网涉及的领域较多，例如农业、工业、交通、医疗以及军事等，其未来发展趋势是实现物与物、物与人的进一步结合，以达到智能化控制的目的。 实验室仪器设备是高等院校的固定资产，实验室人员需要对仪器设备进行科学管理，良好的实验室仪器设备管理对于科研的发展和学校的实验教学都起到了积极的促进作用。 高校实验室在创新人才培养和科学研究的过程中具有不可或缺的重要地位。 其建设和管理维护在一定程度上反映了高校的综合实力和整体发展水平［1］。 对于高校实验室而言，实验室仪器设备智能管理控制不仅能够提升学生的思维能力，还能够提高学生未来的就业竞争力。 对于工业实验室而言，实验室仪器设备智能管理控制能够确保实验环境稳定，为工业的发展创造出发展条件［2］。 无论是哪一种实验室科研类型，智能管理控制效果亟待加强。 S3C2440 微处理器是基于ARM920T 核的16／32 位RISC 微处理器，运行频率高达500 MHz，主要面向手持设备以及高性价比、低功耗的应用，适用于开发各类高端手持、小型终端以及网络应用产品［3］。 因此，本文利用S3C2440 微处理器，设计了实验室仪器设备智能管理控制系统，以系统响应时间为主，最大限度地提高系统运行效果。

1 硬件设计

1.1 XPD 变频器

本文设计的XPD 变频器利用了网络通信技术，将实验室仪器设备智能管理控制系统中的各种元件连接在一起，形成一个较大通信网络，为系统提供远程控制与远程监控功能［4］。 本文利用PLC 控制器与XPD 变频器的控制设备相连，利用RS232／RS485接口，与PLC 控制器、系统进行智能通信。 在实验室仪器设备智能管理控制数据通信的过程中，本文主要利用rofiBus、ModBus 通讯，有效地减少了变频器与系统之间的布线干扰问题，对于提高数据传输效率，提高系统运行效率具有重要作用。 XPD 变频器的通信配置参数见表1。

表1 XPD 变频器的通信配置参数表Tab. 1 Communication configuration parameters of XPD frequency converter

本文设计的XPD 变频器是由LCD 显示器、及WinCC Web Navigator 服务器构成，通过ProfiBus—DP 现场总线进行数据通信，传输智能管理控制数据；WinCC Web Navigator 服务器通过以太网与S7－300 PLC 进行通信，访问相应的控制数据。 XPD 变频器集合了较多的优势，安装简便，传输速率较快，调试速度快，能够适应实验室仪器设备智能管理控制系统的运行环境。

1.2 核心电路设计

主要控制模块要实现与网络的通信、与无线传感网的串行通信、Qt（应用程序开发框架）的展示等功能。 为了满足上述的性能要求，该处理器选用三星S3C2440 微处理器。 系统采用S3C2440 作为嵌入式处理器，基于32 位的RISC 命令集，为单片机设计提供了低成本，完成低功耗和高性价比的设计。由于采用了16 KB 的高速缓存器和16 KB 的高速缓存器作为ARM 核心，在大大降低系统开销的同时，也更有效地去除了不必要的部件，尤其适合在低功率应用中使用。 核心电路有包括了2 MB 的Nor Flash 和256 MB 的NandFlash 的板载ROM、64 MB的SDRAM、612 MHz 的晶振电路和其他一些电路。其硬件组成框图如图1 所示。

图1 网关主控模块结构图Fig. 1 Structure of gateway master control module

控制器接收到强电信号，并将强电信号传输到实验室相关设备中，使其处于导通状态。 在实验开始时，打开开关，实验室相关仪器设备立刻进入工作状态，保证实验进行效率。

2 软件设计

2.1 建立网络服务

网络功能模块是Linux 系统中非常重要的一个部分，网络功能模块的目的就是为上层提供网络服务，而网络服务的基础是底层的网络设备。 网络设备是网络服务得以实现的硬件基础，一方面将接收到的数据传递到上层，另一方面将来自上层的数据通过特定的媒介访问控制方式发送出去。 Linux 系统中网络设备的体系可以划分为4 层，分别为：网络协议接口层、网络设备接口层、设备驱动功能层和网络设备与媒介层。 网络服务实现的基础就是在Linux 系统下开发适用于DM9000 网卡的网络设备驱动程序。 Linux 网络设备驱动的4 层体系结构如图2 所示。

图2 Linux 网络设备驱动的4 层体系结构图Fig. 2 Four－tier architecture of Linux network device driver

系统拓展节点与传感器／控制器节点之间通过网络实现数据的传输，拓展节点与上位机之间通过串口实现数据传输。

2.2 系统智能通信功能

本文在设计了软件架构的基础上，对实验室管理控制系统的智能通信功能进行设计。 物联网的核心思想在于数据交换与数据通信，在此理念下，研究中将智能通信功能分为2 部分设计。 一部分为实验室预约阶段通信功能设计；另一部分为实验室使用阶段通信功能设计。 本文假定实验室预约阶段的系统中存在s个时隙，并分成了l个子帧，每个子帧由l个时隙组成，则实验室预约阶段的通信时隙分配公式具体如下：

其中，F为物联网结构中，实验室预约阶段的通信时隙分配结果；si为第i个预约时期的时隙。在相同的条件下，得出实验室使用阶段通信时隙分配公式见如下：

其中，K为物联网结构中，实验室使用阶段通信时隙分配结果；li为第i个子帧的时隙；fi为系统通信的第i个网络节点。 在物联网条件下，实验室管理控制系统的智能通信功能，主要是将实验室中的基本数据进行提取后，传输到系统中，并存储在数据库中，保证实验室数据得到基本管理，进而提高系统物联网通信效果。

2.3 实验室仪器设备智能管理控制数据库

智能管理控制数据库为实验室仪器设备管理控制系统的核心部分，是系统设计的关键部分之一。数据库是分析、处理、整理、加工数据的管理方式和有关逻辑架构的组织过程。 合理地设计数据库，能有效地降低数据冗余量，提高执行速度，提高数据库的稳定性，并有助于后续的数据共享。 为了实现实验室仪器设备智能管理的精准控制，本文在通信数据、实验室数据采集的基础上，建立了实验室仪器设备智能管理控制数据库。 本文主要将实验室相关数据存储在数据库中，缩短实验室数据查找时间，进而提高系统运行效率。 实验室仪器设备智能管理控制数据库结构见表2。

表2 实验室仪器设备智能管理控制数据库Tab. 2 Intelligent management and control database of laboratory instruments and equipments

由表2 可知，本文选取了登录名称、地址、实验室预约数据、使用数据、仪器使用频率、维护数据、用户权限数据等作为数据库存储内容。 用户登录功能主要是获取登录者的身份和验证密码的正确性，对设备用户和实验室管理员以外的用户进行限制登录。 用户登录成功后，需要按照注册用户的身份，转入相应的操作界面，并进行相应的初始化。 系统客户端的功能模块是一样的，通过用户的帐号来判断用户的权限，并可以访问对应的权限接口，在自己的权限范围内完成相应的菜单操作。 用户登录后检索对应的字段名，即可得出实验室相关数据，减少了数据查找时间，进而缩短系统响应时间，提高系统整体运行效率。

3 系统测试

为了验证本文设计的控制系统是否具有实用价值，本文对上述系统进行测试。 首先，调试XPD 变频器与PCL 控制器这2 个硬件，使硬件处于正常运行状态；其次，调试系统软件，使软件运行正常；最后，测试系统整体控制效果，在系统整体运行正常的条件下，将传统实验室仪器设备智能管理控制系统，与本文设计的基于S3C2440 微处理器的实验室仪器设备智能控制系统进行对比。 具体测试过程及测试结果详述如下。

3.1 测试过程

在进行测试前，本文将XPD 变频器与PCL 控制器按照使用说明安装完毕后，对其进行调试。 在XPD 变频器的各个电路节点进行电流测试，电流均在1.9 A 左右，并未出现电流过载现象，可以保证XPD 变频器的运行正常。 PCL 控制器安装完毕后，电源处的电压为12 V，红色指示灯、黄色指示灯、绿色指示灯依次亮起，中间间隔为1 min，黑色指示灯未亮起，可以保证PCL 控制器的运行正常。 硬件调试结束后，本文对软件进行调试，使软件在一定的负载下，能够稳定工作24 h，保证系统软件运行正常。在系统硬件与软件调试好后，将硬件与软件相连接。软件调试参数见表3。

表3 软件调试参数Tab. 3 Software debugging parameters

点击权限设置为管理员后，输入正确的用户名、密码，点击登录，进入到系统中。 点击对应的数据采集、处理、存储模块，能够得出相应的管理控制数据，可以保证系统整体运行正常。

系统中存在3 个使用标签、1 个预约标签、1 个管理标签，标签测试过程中，将数据、天线号、次数、RSSI、设备均进行了管理。 数据类型以实验室使用日期为开头，夹杂了设备与其他相关数据。 其中，实验设备65535 使用次数较多，本文标签测试以该设备为主，经过测试后，得到标签数目为5 个，测试速率为42 次／s。 标签个数与实际个数相一致，可以保证系统运行效果。

3.2 测试结果

在上述测试条件下，本文随机选取出1 000 ～8 000 人，使其同时登录实验室仪器设备智能管理控制系统。 并将传统实验室仪器设备智能管理控制系统的响应时间，与本文设计的基于S3C2440 微处理器的实验室仪器设备智能控制系统的响应时间进行对比，具体测试结果见表4。

表4 测试结果Tab. 4 Test results

由表4 可知，本文分别选取了1 000 人、2 000人到8 000 人的同时登录人数。 登录人数越多，对系统的压力越大，测试对系统运行效果的影响。 根据表4 内容，绘制对比图，如图3 所示。

图3 测试结果对比图Fig. 3 Comparison Chart of Test Results

在其他条件均不变的情况下，传统实验室仪器设备智能管理控制系统的响应时间相对较长，随着同时登录人数的增加，系统响应时间随之延长。 当系统同时登录人数超过4 000 人时，系统响应时间增加速度加快。 当系统同时登录人数达到8 000 人时，系统响应时间达到了2.03 s，影响了系统运行效果。 因此，使用传统智能管理控制系统能够接受同时登录人数为5 000，超出此人数，系统将会出现卡顿、甚至崩溃的现象，智能管理控制效果随之下降，系统整体运行水平亟待加强。

本文设计的基于S3C2440 微处理器的实验室仪器设备智能控制系统的响应时间相对较短，始终在0.07 s 以内。 并且，当系统登录人数超过5 000人后，本文设计的系统响应时间稳定在0.06 s 左右，并不会影响系统整体运行效果。 因此，使用本文设计的智能管理控制系统能够接受同时登录人数可达8 000 人及以上，系统并不会出现卡顿或崩溃的现象，系统整体运行水平较高，智能管理控制水平随之提升，符合本文研究目的。

4 结束语

近些年来，科研实验室的建设加快，推动了科技技术的发展，为高校、工业等领域创造了价值。 实验室仪器设备智能管理控制效果，是实验室未来发展的关键指标。 在管理控制过程中，主要以集中资源管理控制为主，发挥出各个管理智能的优势，为实验室提供良好的使用环境。 为了进一步提高实验室仪器设备智能管理控制效果，本文设计了基于S3C2440 微处理器的实验室仪器设备智能控制系统，有效地应对了实验室科研建设的挑战。