（电力电子与电力传动专业论文）基于arm的烤烟集散控制系统研究与实现.pdf

两华大学硕士学位论文 烤等问题，具有一定的先进性，在生产上具有广阔的推广应用前景。 关键词：$ 3 c 4 4 8 0 ，r s 4 8 5 总线，模糊化控制，u c o s i i n 西华大学硕士学位论文 s t u d ya n da p p r o a c h t ot o b a c c ob a k i n gd i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e mb a s e do na r m p o w e re l e c t r o n i ca n dp o w e rd r i v e m a s t e rl is i la d v i s o rj i nb i n t o b a c c ob a k i n gi sa l li m p o r t a n ts t e pw h i c hd e c i d e st h eq u a l i t ya n d a v a i l a b i l i t yo ft o b a c c o w i t ht h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to ft o b a c c oq u a l i t y r e q u i r e m e n t s ，a i m i n g a t s h o r t c o m i n g s o fb a k i n gt o o l s ，a u t h o rc o m b i n e s a u t o m a t i o np r o d u c t i o nw i t ht o b a c c ob a k i n gt h e o r y , k n o w i n gt e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t yc o n d i t i o nc o n t r o lf o rt o b a c c ob a k i n gi s t h ek e yt os u c c e s s t h r o u g h p r o f e s s i o n a lb a k i n ge x p e r i e n c ef o r m se x p e r tc u l w e ，d e v e l o pt h et o b a c c ob a k i n g d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mb a s e do na r m 1 nt h i sp a p e ra u t h o rb r i n g sf o r w a r dr e s o l v e n to ft o b a c c ob a k i n gd i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e mb a s e do na r m t h ea r t i c l er e v i e w e dd o m e s t i ca n df o r e i g n t o b a c c od i s t r i b u t i o ns y s t e md e v e l o p m e n ts l a m s a i m m i n ga tt h er e q u i r e m e n t so f t o b a c c ob a k i n gs y s t e mc o n t r o lt oa n a l y s i sd e v e l o p m e n tg o a l s ，a c c o r d i n gt o t o b a c c oc o n t r o lr e q u i r e m e n t so ft h es p e c i a lw o r k i n ge n v i r o n m e n ta n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft o b a c c o b a k i n g ，t h e w h o l e s y s t e m i sd i v i d e di n t o c o m m u n i c a t i o ns e r v e ra n dm cr e a l - t i m ec o n t r 0 1 a n a l y s i sa n ds t u d yt h e a r c h i t e c t u r ea n dt h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o lm e t h o d so fc o m m u n i c a t i o ns e r v e r a n ds u b m a c h i n e t h i sp a p e ra n a l y s i ss y s t e mf r o mf o l l o w i n gt h r e ep a r t s ： c o m m u n i c a t i o ns e r v e rd e s i g n ：i n t r o d u c ew h o l ep e r f o r m a n c ea n ds t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c so fan e wt y p eo fm i c r o c o n t r o l l e r - $ 3 c 4 4 8 0 ，a n ds o m em o d u l e s a r ec o m p o s e db y $ 3 c 4 4 8 0 ，s u c ha sc o m m u n i c a t i o n ss e l e rs t o r a g em o d u l e ， l c dm o d u l e e t h e m e ti n t e r f a c em o d u l e e m b e d d e dt h eu c o s i io p e r a t i n g 堕兰盔：兰堡主堂堕笙茎 s y s t e m s ，s o f t w a r ed e s i g na c c o r d i n gt ot o b a c c ot e c h n o l o g ya n df u z z yc o n t r o la l l m a k ead e t a i l e de x p o s f f i o n t h ec o m m u n i c a t i o n sn e t w o r kr e s e a r c h ：i n t r o d u c et h e s t a n d a r do fs e r i a l c o m m u n i c a t i o n 、r s 4 8 5b u s 、t r a n s c e i v e rs n 7 5 l b c18 4a n d c o m m u n i c a t i o n p r o g r a m m e l s u b m a c h i n ed e s i g n s ：f i r s ti n t r o d u c et h ec o m p o s i n go fs u b m a c h i n e ，i t i n c l u d e sm o d u l eo f c o l l e c t i n gt e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t y 、t i m i n g 、d i s p l a y i n ga n d k e y b o a r d ，t h e ns h o w si n s t a l l a t i o na n dd e b u g g i n go fs u b m a c h i n ed e t a i l e d l yi n b a k i n gh o u s e a tl a s ti n t r o d u c ee n t i r es y s t e m sd e b u g g i n ga n dt h ew a y sf o r s o l v i n gp r o b l e m t h i ss y s t e mh a sc e r t a i na d v a n c e di ns o m ea s p e c t ss u c ha st h ea d a p t a b i l i t y o ft h i ss y s t e mi sg o o d ，c o n t r o l l i n gt e m p t r a t u r ea n dh u m i d i t yi s e x a c t i t u d e ，a l s o c o n q u e r i n gd e f a u l t sa b o u tb a k i n gt e c h n i c si sd i f f i c u l tt oe x e c u t e ，i n s t a b i l i t yo f b a k i n ge f f e c t ，u n n o r m a lb a k i n gw h e np o w e rf a i l u r e i th a st h ev a s ta p p l i c a t i o n a n de x t e n s i v ep r o s p e c to nm a n u f a c t u r e k e yw o r d ：$ 3 c 4 4 8 0 ，r s 4 8 5b u s ，f u z z yc o n t r o l ，u c o s i i 两华大学硕士学位论文 声明 本人声明呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注的和致谢的地方外，论文中不包含其 它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示感谢。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文 成果属西华大学所有，特此声明。 作者签名：压司寺。峰，月6 日 导师签名：薪飙，j 年，月占日 两华大学硕十学位论文 1 绪论 1 1 课题提出的背景及研究意义 1 1 1 课题提出的背景 烟叶是一种重要的经济作物，是我国重要的出口农产品之一。对提高 农民收入，增加政府税收有着重要的作用。近些年来，我国烟叶生产推行 “计划种植，主攻质量，提高单产，增加效益”的指导方针，烟叶生产从 组织、政策、物资、人才和科技上加大了投入，落实良种化、规范化、区 域化技术措施，建立以烟为主的耕作制度，因地制宜的进行生产技术研究 和推广，同时借鉴国外先进生产技术，栽培方面基本解决了过去烟株”营 养不良，发育不全“的问题【1 】，经过行业内外产、学、研的共同努力，烟叶 生产水平得到大幅度提高。同时随着我国农村产业结构的调整和烟叶可持 续发展战略的实施，烤烟生产的组织形式由传统的分散种植逐步向适度规 模化、标准化、商业化、专业化种植方向发展，因此我国烤烟集约化的研 究与推广应用也随之进入了一个新的阶段，过去多分散在烟农住宅的房前 屋后进行烟叶的烘烤，难于统一管理，没有专人负责，烘烤作业操作不规 范，经常脱岗，技术到位率低，烟叶的产量和质量难以提高和稳定。加入 w t o 后，我国的烟叶市场己经明显的国际化，跟国外的竞争已经开始，意 味着我们必须从烤烟的种植，烟叶的烘烤等多方面来缩小与国外的差距， 提高烟叶质量来参与国际竞争。因此，走集约化的烘烤道路是提高和稳定 烟叶质量，缩小与国外差距的有效途径，也是时代的选择【2 l 。 1 1 2 课题的研究意义 烟叶烘烤的实质是烟叶内有机物的转化、分解的生理变化过程和烟叶 水分散失物理过程的统一，它是一个涉及到植物生理学、传热学、机械学、 材料学和流体力学等学科的交叉领域 3 1 。同时烟叶烘烤还是一个复杂的系统 工程，包括烤房建设、成熟采收、烟叶分类、烘烤特性判断、温湿度和通 两华人学硕士学侍论文 风排湿调控、烟叶回潮等技术环节，每一个环节都能最终影响烟叶的烘烤 质量【4 】。国外发达国家使用的烤房多为密集烤房，自动化程度高。采用自动 加热和通风强制排湿，装烟容量较大，操作简便，烘烤工艺到位率高，烘 烤的原烟质量高且稳定，烘烤作业劳动强度显著低于我国的普通烤房，但 烤房的建盖成本高。而在我国，绝大部分烤房都是自然气流上升式普通烤 房，烤房升温控温性能不良，烘烤工作费工、费时，劳动强度大，不能与 鲜烟叶、科学的烘烤工艺整合配套，导致烟叶烘烤质量不高和不稳定。因 此研制先进的烘烤设备及配套烘烤工艺对提高烟叶质量有重要作用，建立 集约化的烤烟集散控制系统是提高我国烟叶整体水平的一项重要措施。 1 2 国内外发展趋势及现状 1 2 1 国外发展趋势及现状 2 0 世纪j o 年代中期，美国北卡罗莱纳州立大学农业工程系约翰逊 ( w h j o h n s o n ) 1 5 1 等人研究了烟叶在堆积变黄过程中的变化，1 9 5 7 年他们 在实验室研究了堆积烘烤的实验装置，1 9 5 8 年他们又进行了中间试验并获 得成功，并于1 9 6 0 年设计成适合于生产的烤烟设备，并提出了相应的烘烤 工艺。试验结果证明，这种烘烤设备，对叶片变黄及干燥均有利，可有效 节省劳动力和燃料，具有值得推广的优越性，从而揭开了烟叶烘烤设备发 展的新篇章。其后烘烤设备的研究不断取得突破。 1 9 6 9 年，日本鹿儿岛烟草试验场在实践中发现了一个新的烘烤工艺方 法，即将湿球温度控制在3 8 度，按照一定工艺的要求升干球温度。根据这 一原理，山中弘久和川上嘉通二人成功研制出湿球温度自动控制系统，实 现了烟叶烘烤自动化。1 9 7 4 年，日本三洲产业株式会社研制出了气流上升 式密集烘烤装置1 6 j 。1 9 7 6 年，鲍威儿( p o w e l l ) 公司又成功研制出7 7 1 型气流上升式堆积烘烤设备，将烟叶直接堆积于大箱进行烘烤，用油或煤 气做燃料，采用温湿度白控系统，实现了烟叶烘烤的机械化和自动化 7 】0 1 9 7 7 年北卡州立大学的石格斯【8 】( c w s u g g s ) 发表了大箱式烘烤研究报告。同 年约翰逊( w h j o h n s o n ) 又发表了气流横吹式烤房的研究报告，使大箱式 2 两华大学硕士学位论文 烘烤得到进一步改善 9 】。在烤房不断发展应用的过程中，烘烤设备和工艺不 断改进和完善，显示出节省烘烤用工，节约燃料、提高劳动生产效率、热 能利用率和烟叶烘烤质量，热效率可达5 1 4 ，节省劳动用工6 3 ，节约燃 料6 3 ，缩短烘烤时间4 0 小时，显示出了巨大的优越性。因此，烤房在世 界各产烟国家得到迅速推广应用。美国、加拿大、日本等发达国家的密集 烘烤普及率已达8 0 以上，津巴布韦、巴西、南非的应用面积也达到或超过 5 0 ，这些生产烤烟的发达国家基本上淘汰了普通烤房，使用自动化或半自 动化烤房。 1 2 2 国内发展趋势及现状 1 9 6 3 年河南省烟草甜菜工业科学研究所进行了烤房试验研究，在借鉴 国外自动化烤房的基础上，结合我国实际，于1 9 7 3 1 9 7 4 年研制出了以煤 为燃料、土木结构的密集烤房，并在生产中进行了一定范围的示范，但由 于烤房本身的因素、当时农村生产组织形式的变化和社会经济条件限制， 这种密集烤房没有能够得到推广。随后一些科研单位也进行了尝试，如安 徽省风阳县烟草研究所研制成功“一炉双机双炕”式密集烤房 。1 9 7 7 年 郑州烟草工业研究所成功研制的以煤为燃料的土木结构的“堆积烤房”。 1 9 8 1 年益都烟草研究所与有关单位合作，研制成功以柴油为燃料的、温度 自动控制的s h z k 一4 0 0 型烟叶初烤机。2 0 世纪9 0 年代中后期，云南、福建、 河南、山东等省借鉴吸收国外烘烤设备的先进技术，相继购置引进了烧柴 油、煤燃烧锅炉供热、烧煤直接供热等形式的烤房，反映出了提高烟叶香 气质量和外观质量、烘烤操作简便、省工等技术优势，但是一次性投资和 烘烤成本相对较高，每座价格为4 0 6 0 万元，其中简易型最低价格1 2 1 5 万元】。同时因能耗过大，操作技术上存在一定问题，在我国大面积推广 有一定难度。 9 0 年代中后期，随着我国经济和科学技术的进步及烤烟规模化生产的 发展，各地相继研制出各种类型的烤房。1 9 9 4 年张仁义等 1 2 】设计建造了b f j k 型烤房。1 9 9 5 年云南省化工机械厂研制成功了堆积式烟叶烘烤机【13 1 ，获得 了烟草实用新型专利。1 9 9 5 年聂荣邦等【1 4 】研制出新式微电热烤房，随后又 两华大学硕士学位论文 在1 9 9 6 年研制出燃煤式密集烤房【1 5 】。1 9 9 9 年宫长荣等研n x , 热泵型烟 叶自控烘烤设备。同年乔万成等【1 7 】研制出了燃煤的砖砌式热风循环烟叶初 烤机。这些烤房都表现了良好的试验效果，并有相应的推广应用。2 0 0 1 年， 黑龙江省引进国外烤烟生产先进国家巴西的散叶烘烤设备，开发研究了适 合黑龙江省条件的散叶烤房及配套烘烤技术口”，2 0 0 0 2 0 0 3 年安徽省以吉林 省使用的烤房为基础，成功研制出悬浮式蜂窝煤炉烤房，并不断完善，在 全省及其他省份推广应用。2 0 0 3 年贵州省在引进国外散叶烤房的基础上， 进行示范研究，取得了一定的效果。2 0 0 4 2 0 0 5 年全国各地示范应用砖混结 构或板块结构形式、烧散煤或蜂窝煤、气流上升式或下降式密集烤房，取 得了良好的应用效果。 总体来说，根据我们国家自己的国情，烧散煤的烤房由于成本低，使 用方便渐渐取代外国烧油的烤房成为我国现在的主流设备。 1 3 嵌入式技术概况 1 3 1 嵌入式系统概念 嵌入式处理器是组成系统硬件的核心，以嵌入式处理器为核心的嵌入 式系统是继i t 网络技术之后，又一个新的技术发展方向。在嵌入式系统的 设计过程中，应尽可能地选择便于系统功能接口的s o c s o p c 芯片，以尽 可能少的外围部件最大化地实现系统的功能，满足嵌入式系统的特殊需求。 嵌入式系统是嵌入到对象体系中的专用计算机系统。国内普遍认同的 嵌入式系统的定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可剪 裁，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用 计算机系统。 嵌入式系统目前已广泛地应用于军事国防、消费电子、信息家电、网 络通信、工业控制等领域1 2 0 1 。嵌入式系统是专用的计算机系统，它具有 一般计算机组成的共性，是由嵌入式硬件和嵌入式软件组成的。 1 嵌入式系统的硬件 嵌入式系统硬件是嵌入式系统软件环境运行的基础，它提供了嵌入式 4 西华大学硕士学位论文 系统软件运行的物理平台和通信接口。嵌入式系统的硬件是以嵌入式处理 器为中心，由存储器、f o 设备、电源管理模块及其他必要的辅助模块组成， 在实际应用的过程中可根据所要完成的功能进行嵌入式系统的硬件配置， 力求的原则为精简、功耗低、体积小，这显然不同于一般的通用计算机系 统【2 1 【2 2 。 1 3 1 2 嵌入式系统的软件 嵌入式系统软件则是整个嵌入式系统的控制中心，控制整个系统的运 行，提供人机交互信息等。在设计嵌入式软件时，可根据实际的需要来确 定是否移植嵌入式操作系统，如果系统的功能要求复杂，可能就需要一个 嵌入式操作系统来管理和控制内存、多任务及其他的资源。而对于有些情 况，如任务较为明确，系统的功能要求不太复杂的情况，可以不移植嵌入 式操作系统【1 9 1 2 2 【2 3 】 2 4 1 。 对于使用操作系统的嵌入式系统来说，嵌入式系统的软件结构一般包 括4 个层面：设备驱动层、实时操作系统( r 1 0 s ) 、应用程序接口、实际 应用程序层；对于不使用操作系统的嵌入式系统来说，嵌入式系统的软件 只包括2 个层面：设备驱动层、实际应用程序层。 不支持操作系统的嵌入式系统结构如表1 - 1 所示： 表卜1 不支持操作系统的嵌入式系统 t a b l e1 1e m b e d e ds y s t e mn o th o l d i n go u to p e r a t i n gs y s t e m 应j 羽( a p p l i c a t i o n l 驱动板级支持包( d r i v e r b s p ) 硬件( h a r d w a r e l 支持操作系统的嵌入式系统结构如表卜2 所示： 表卜2 支持操作系统的嵌入式系统 两华人学硕士学位论文 1 3 2 嵌入式处理器概况 1 嵌入式处理器的种类1 9 】【2 4 【2 5 】 嵌入式处理器可分为以下几类：嵌入式微处理器( m i c r o p r o c e s s o r ) 、嵌 入式微控制器m c u ( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ) 、嵌入式d s p ( d i 自t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) 。 a ) 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。在应用中，将微处理器 装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样 可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入 式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、 电磁干扰、可靠性等方面一般做了各种增强。和工业控制计算机相比，嵌 入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，但是在电 路板上必须包括r o m 、r a m 、总线接口、各种外设等器件，从而降低了系 统的可靠性。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路 板上，称为单板计算机。如s t d b u s 、p c i 0 4 等。目前的嵌入式处理器主 要包括：a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c - 4 0 0 、p o w e rp c 、m o t o r o l a6 8 0 0 0 、m i p s 、 a r m 系列等【1 9 】 2 4 1 。 b ) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成 到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片 内部集成r o m e p r o m 、r a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、w a t c h d o g 、 i o 、串行口、脉宽调制输出、a d 、d a 、f l a s h 、r a m 、e e p r o m 等各 种必要功能和外设。为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有 多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器 和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配， 从而减少功耗和成本。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单 6 眄华大学硕士学位论文 片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器的 片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。 嵌入式微控制器目前的品种和数量很多，比较有代表性的通用系列包 括8 0 5 1 系列、p 5 1 x a 、m c s 2 5 l 、m c s 9 6 1 9 6 2 9 6 、c 1 6 6 1 6 7 、 m c 6 8 h c 0 5 i1 1 2 1 6 、6 8 3 0 0 等。另外还有许多半通用系列如支持u s b 接 口的m c u8 x c 9 3 0 9 3 1 、c 5 4 0 、c 5 4 1 。目前m c u 占嵌入式系统约7 0 的市 场份额。 c ) 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) d s p 处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算法，编译效率较高，指令执行速度也较快。在数字滤波、f f t 、谱分析等 方面d s p 算法正在大量进入嵌入式领域，d s p 应用正从在通用单片机中以 普通指令实现d s p 功能，过渡到采用嵌入式d s p 处理器。嵌入式d s p 处 理器有两个发展来源：一是d s p 处理器经过单片化、e m c 改造、增加片上 外设成为嵌入式d s p 处理器，t 1 的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 等属于此范畴； 二是在通用单片机或s o c 中增加d s p 协处理器，例如i n t e l 的m c s 2 9 6 和 s i e m e n s 的t r i c o r e 。推动嵌入式d s p 处理器发展的另一个因素是嵌入式系 统的智能化，例如各种带有智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终端， 带有加解密算法的键盘，a d s l 接入、实时语音压解系统，虚拟现实显示等。 这类智能化算法一般都是运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等 较多，而这些正是d s p 处理器的长处所在。嵌入式d s p 处理器比较有代表 性的产品是t e x a si n s t r u m e n t s 的t m s 3 2 0 系列和m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 0 系 列。t m s 3 2 0 系列处理器包括用于自动控制领域的c 2 0 0 0 系列、移动通信 的c 5 0 0 0 系列以及性能更高的c 6 0 0 0 和c 8 0 0 0 系列。d s p 5 6 0 0 0 目前已经 发展成为d s p 5 6 0 0 0 ，d s p 5 6 1 0 0 ，d s p 5 6 2 0 0 和d s p 5 6 3 0 0 等几个不同系列 的处理器。 2 典型的3 2 位嵌入式微处理器【1 9 】 2 4 】1 2 5 2 6 】【2 7 】【2 8 】 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u ，是嵌入式系统的核心。 目| j i 比较有影响的3 2 位嵌入式微处理器产品主要有i b m 公司的p o w e r p c 、 m i p s 公司的m i p s 、s u n 公司的s p a r c 和a r m 公司的a r m 系列处理器。 西华大学硕士学位论文 a ) m i p s 处理器 m i p s 最早是在2 0 世纪8 0 年代初期由美国的斯坦福大学h e n n e s s y 教 授领导的研究小组研制出来的，其含义是“无内部互锁流水线的微处理器” ( m i c r o p r o c e s s o rw i t h o u ti n t e r l o c k e dp i p e ds t a g e s ) 。在嵌入式应用方面， m i p s 系列微处理器是目前仅次于a r m 的用得最多的处理器之一，已经较 广泛地应用于许多产品领域。m i p s 的系统结构及设计理念都比较先进，强 调软硬件的协同设计，在简化硬件设计的基础上充分提高系统的功能。 b ) p o w e r p c 处理器 p o w e r p c 处理器的品种很多，其应用范围非常广泛。p o w e r p c 架构的 特点是可伸缩性好，使用方便，其主要应用于高端的工作站、服务器、桌 面计算机系统、消费类电子产品及大型的通信设备中。p o w e r p c 处理器芯 片的主要型号有p o w e r p c7 5 0 ( 最高主频可达5 0 0 m h z ) 、p o w e r p c 4 0 5 ( 最 高主频可达2 6 6 m h z ) 、p o w e r p c4 4 0 ( 最高主频可达5 5 0 m h z ) 。 c ) s p a r c 处理器 s u n 公司研发的s p a r c 芯片主要着眼应用于工作站中，尤其在s u n 公司 的性能优异的工作站中，其核心部件采用的都是s p a r c 芯片。在s u n 公司的 未来规划中，在6 4 位的u l t r a s p a r c 方面，主要立足于三个方面的应用：多 处理器系统方面、高效率的单处理器系统方面、电缆调制解调器和网络接 口方面。 d ) a r m 处理器 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 系列处理器是英国r i s c 公司的产品。 a r m 公司是业界领先的口供应商。目前流行的a r m 内核有a r m 7 t d m i 、 s t r o n g a r m ，a r m 7 2 0 t 、a r m 9 t d m i ，a r m 9 2 0 ，a r m 9 4 6 t ，a r m 9 6 6 t ， a r m l 0 t d m i 、a r m l l 等系列微处理器内核。世界上几乎所有主要的半导 体生产厂商都从a r m 公司购买了a r mi s a 许可，利用a r m 内核开发面 向各种应用的s o c 芯片。a r m 系列芯片已经广泛地应用于移动电话、p d a 以及各种各样地嵌入式应用领域，已然成为世界上销量最大和应用最广泛 的3 2 位嵌入式微处理器。可以说，a r m 公司引发了嵌入式领域的一场革 命，在低功耗低成本的嵌入式领域确立了市场的领导地位，成为了高性能 西华大学硕士学位论文 低功耗嵌入式微处理器的代名词。同时与a r m 系列芯片相关的操作系统、 应用开发工具、技术支持、设计服务都相当丰富和非常成熟，使得开发基 于a r m 芯片的嵌入式系统变得相对方便，这样可以大大缩短产品从研发到 投放市场的时间。 a r m 芯片真正被业界普遍认可和广泛使用是从a r m 7 开始的，相比于 前期的a r m 技术，a r m 7 有以下几个方面的改进：( 1 ) 将体系结构完全扩 展到3 2 位；( 2 ) 采用三级流水线结构，并将主频提高到4 0 m h z 以上；( 3 ) 集成了8 k bc a c h e 的c p u 核；( 4 ) 增加了新的1 6 位t h u m b 指令集模式。 t h u m b 指令可使应用系统运行更为高效和节约硬件资源【1 7 1 2 2 【2 3 】。从 a i 洲7 开始，a r m 技术的发展日新月异，陆续开发了性能更高的a r m 处 理器，如采用5 级流水线结构、主频达2 0 0 m h z 的a r m 9 系列；采用6 级 流水线结构，使用6 4 位存储器、功能约为a r m 9 系列两倍的a r m l 0 系列； a r m 公司最近在美国的加利福尼亚州圣荷西市召开的嵌入式微处理器论 坛上公布了4 个新的a r m l l 系列微处理器内核( a r m l l 5 6 t 2 s 、 a r m l l 5 6 t 2 f s 、a r m l l 7 6 j z s 、a r m l l j z f s ) ，以及应用a r m l l 7 6 j z s 、 a r m l l j z f s 内核系列的p r i m e s y s 平台和相关的c o r e s i g h t 技术。a r m l l 系列内核的主频高达5 0 0 7 0 0 m h z ，是目前a r m 系列处理器中性能最好的 处理器。此外，a r m 芯片还获得了许多主流实时操作系统供应商的支持【l9 。 虽然目前8 位、1 6 位微控制器仍然在标准低端嵌入式产品市场中占据 着主导地位，但是由于8 位、1 6 位微控制器在现代应用过程中面临着越来 越多的局限和挑战，使得嵌入式系统的设计者越来越倾向于选择使用3 2 位 的嵌入式微处理器，以适应对系统性能需求的提高和嵌入式功能的发展。 而a r m 处理器内核以其卓越的性能己稳居3 2 位嵌入式应用的第一。a r m 已成为移动通信、手持计算、多媒体数字消费等嵌入式解决方案事实上的 标准。 西华大学硕十学位论文 1 4 本文的主要研究内容 1 4 1 研究内容 本课题依托长春瑞克烘烤设备公司的科技项目“烤烟集散控制系统”， 以自动化烤烟设备为实际研究对象，在充分分析自动化烤烟设备的工作原 理，用户对自动化烤烟设备的功能要求以及国内外同类产品的优缺点的基 础上，采用目前流行的3 2 位a r m 微控制器作为中央处理器，基于嵌入式 实时操作系统u c o s 一开发软件，采用工业上常使用的r s 4 8 5 总线技术实 现节点之间的通信，保证了通信的可靠性和实时性。同时与项目合作企业 共同协作，密切配合，课题完成的控制系统必须保证在烟叶的烘烤中运行 正常、可靠。所有的硬件设计、软件实现都必须充分考虑现场实际，能够 保证后期试制、生产、销售的顺利进行。 本文结构安排如下： 第一章提出了课题背景和研究意义，总结了国内外烤烟设备的发展状 况，介绍了嵌入式系统概况。 第二章烤烟集散控制系统的需求分析，开发目标与总体结构。 第三章主要介绍烤烟集散控制系统通信服务器的设计。本章首先介绍 通信服务器的主控芯片$ 3 c 4 4 8 0 ，然后对通信服务器的显示部分、数据存 储部分、以太网接口部分、嵌入式实时操作系统u c o s - - 1 1 的移植和烤烟 模糊化软件设计进行详细介绍。 第四章主要介绍构成烤烟集散控制系统数据传输的r s 4 8 5 总线的设 计。 第五章主要介绍烤烟集散控制系统子位机部分的硬件设计。本章介绍 构成下位机的各功能模块和下位机在烤房中的安装调试。 第六章主要介绍烤烟网络的调试与结论。 1 4 2 主要特色和创新点 本文是在全面总结作者近两年软硬件工程开发的基础上完成的，主要 特色和创新点如下： 两华大学硕十学位论文 1 以烟叶烘烤集散化控制为设计指导，采用了先进的微控制芯片 $ 3 c 4 4 8 0 作为主控芯片构建了控制下位机和通信的通信服务器，电 路设计实用性强，抗干扰能力经过检测表现出色，可以确保通信的 畅通无误，使用方便简单易学。 2 选用r s 4 8 5 总线技术来保证控制系统节点之间通信的可靠性和及 时性。 3 以模糊控制算法来进行烟叶烘烤的自动化控制，将烤烟的温湿度控 制留有一定余量，不会使烘烤温湿度过冲造成烟叶烘烤失败，提高 了烟叶烘烤成功率，同时节省了煤的消耗。 4 采用嵌入式实时操作系统u c o s i i 作为控制系统工作平台，方便 系统今后的升级和维护。 西华大学硕士学位论文 2 烤烟集散控制系统分析 2 1 概述 烘烤是体现烟叶经济价值的关键，因此，对烘烤技术的掌握和准确落 实成为烟区技术培训的重点而经常受到重视，但目前我国烟叶的烘烤仍主 要由人工控制，烟农文化素质的个体差异，成为对烘烤技术恰当理解和科 学掌握的障碍因素，为了解决这一难题，历年来采取的办法是对烟农进行 反复培训，在生产管理过程中对烘烤技术进行充分的安排和强调，但这种 努力在生产上一直难以收到理想的效果。生产实践表明，烟叶烘烤问题己 不仅仅体现于对烘烤技术的理解、传递和掌握，而且已更多的转变为如何 对烘烤过程进行科学和有效的管理。为了解决这一问题，近年来对烟叶烘 烤自动控制的研究成为了烟叶烘烤研究的主要方向。本文将嵌入式微控制 器和模糊控制技术引入烤烟烘烤的过程控制，开发出一种适合于农村自然 经济特点的烤烟烘烤测控系统。由嵌入烤烟烘烤专家曲线的智能模糊控制 系统代替人工操作并模拟人工对烘烤技术和烘烤进程进行实时管理，有效 保证烘烤工艺技术的正确落实，实现精细烘烤和烟叶烘烤质量的定向调控， 将烟农从繁杂的烘烤操作中解脱出来，达到提高烘烤质量和减轻烘烤劳动 强度的目的。 2 2 需求分析 立足于提高烟叶烘烤质量、最大限度降低烘烤劳动强度和降低能耗的 目的，系统设计应提供一种烟叶烘烤进程质量管理的整套解决方案。对于 一种应用于农村，以煤供热的烤房带有自适应性的模糊控制系统，设计时 应充分考虑农村的自然经济情况、烤房的结构特点、烘烤过程中烟叶变黄 和干燥的协调性以及为调节烟叶状态变化所需要的温湿度控制的一般性和 特殊性，以提高系统的实用性。 用户主要是烟农、对烟农进行服务的烘烤技术人员及系统维护人员。 其中，烟农是使用主体，是操作的主要执行人员；烘烤技术指导人员及维 西华大学硕十学位论文 修维护人员属于高级技术人员，烘烤技术指导人员主要对烘烤专家曲线进 行适合于烘烤需要的即时增加、删除、修改和固化，偏重于烟叶烘烤技术 咨询与服务，维修维护人员进行系统安装、维护与技术支持，偏重于软硬 件专业技术服务。 系统的开发应在现有生产上使用的热风循环烤房的基础上，将烤房的 加热控制系统和通风排湿控制系统视为独立的单元进行可装配式的设计， 设计出的产品在不改变烤房原有结构的前提下通过科学的组装，使普通烤 房具备自动和智能烘烤的功能。 该系统应该价格低廉、操作简便、适用范围广( 可嫁接适用于当前生 产上使用的所有烤房) ，充分考虑了当前农村的自然经济特点和社会文化特 点，可最大限度地降低烤房改造投入，而且其在生产上的运用将克服普通烤 房和密集烤房在烘烤过程中劳动强度大、无自动控制、操作不方便和热能 利用率低、烘烤失误多的缺点，有利于实现烟叶烘烤质量的提高和增加烟 农的经济收入，符合广大农民在生产中的实际需要【2 9 】。 2 2 1 成本控制适应农村的自然经济特点 系统的设计应在保证质量和较高科技含量的前提下，充分考虑农村的 自然经济特点，尽可能降低成本，适应大多数烟农的经济承受能力。 2 2 2 提高烟叶烘烤质量 在近1 3 0 小时的烤烟烘烤过程中，常出现的非线性、大惯性、大滞后 性等特点，突出了人工控制反应慢、时效性差的矛盾，而烟农常因农事繁 重不能随时监视烤房对烘烤过程进行时效性管理，使得烘烤过程容易出现 温湿度波动幅度大、失控机会多、烘烤效果不稳定、能源利用率低等情况， 直接影响烟叶的烘烤后质量。本系统的设计应尽可能避免人工控制的以上 种种弊端，自动迎合烟叶变化对温湿度的要求，充分实现专家烘烤工艺的 各项目标，同时最大限度地降低烘烤劳动强度，确保能源的充分合理利用。 在体系设计上要体现烘烤控制的科学性和先进性，使系统的“智能”充分 满足烟叶烘烤质量提高的要求，避免传统人工烘烤不当造成的负面质量影 西华大学硕十学位论文 响和经济损失。 2 2 3 操作简便可靠，安装方便，适用性强 目前生产上使用的烤房几经科学改造，在保证和提高烟叶烘烤质量方 面己具备一定的先进性。在设计自动化控制系统时应尽可能提高系统的适 配，避免对原有烤房的另外改造，降低改造成本，以利于安装和推广；操 作上应充分考虑烟农的接受能力，同时保证系统在农村环境中运行的可靠 性，以充分体现系统的使用价值。因农村电力常不稳定，电压起伏大，所 以系统的设计要能在宽电源电压下正常工作，同时应保证在停电情况下能 够恢复正常的手工操作，以保证烘烤效果。 2 2 4 技术开发创新 2 0 0 0 年以来，电子技术的快速发展为测控系统的开发提供了技术、设 备和成本控制的支持，烟叶生产的发展也使各地有能力为烟叶烘烤的自动 控制提供资金投入。贵州、云南、河南、福建、江西等省纷纷着手开发烘 烤测控装置，并有部分初级产品已在生产上进行试用。到2 0 0 5 年底，测控 产品在生产上的应用已经达到了9 万多套。从产品( 目前还都是试制品) 设计及应用情况来看，现有的试制品主要还存在三点比较明显的缺陷：一 是控制原理多采用工业标准控制方法，控制过程中对烘烤环境的扰动过大， 容易引起温湿度的波动( 同时造成热量损失燃料浪费) ，与烟叶烘烤的生理 生化变化要求不相适应或适应不够理想，在提高烘烤质量、降低烘烤劳动 强度和节约能源方面的作用还不够明显；二是产品设计缺乏整体性和系统 性，研究重点主要集中在主机本身，没有充分考虑配套执行器件的设计开 发和外界环境因素对烤烟烘烤过程控制的影响，试制产品的科学性和合理 性有待提高；三是技术开发缺乏烟叶烘烤专业技术和烟叶生产配套技术的 支持，总体应用效果不佳。 作者在烟叶烘烤测控系统研究方面起步较早，2 0 0 3 年己制备出样机进 行了生产试验，经过2 0 0 3 年一2 0 0 6 年三年的改进和完善，己形成了较为成 熟的技术资料和生产实践经验，具备了产品转化所需的技术条件。所开发 4 两华大学硕士学位论文 系统的特点是系统性强，开发中充分考虑了执行器件与系统主机功能的配 套性，避免了该领域研究中只重主机不重配套机构的误区，同时其控制方 式充分模仿人工烘烤思想，将烟叶烘烤专业技术与电子技术开发相结合， 密切配合燃煤热量释放特点和烟叶水分蒸发散失特点，使控制过程与烤房 的温度调整趋势和烟叶的生化变化方向紧密结合，并努力实现烘烤过程的 自主控制，避免人为技术障碍或操作失误，最大限度保证科学烘烤工艺的 准确落实，为烤烟烘烤控制提供了整套解决方案。本设计将单机的烤烟烘 烤设备构成烤烟网络，实现烟叶烘烤的集约化生产，从而进一步节约人工、 能源，同时提高了生产质量，降低烟叶烘烤成本，在市场竞争越来越激烈 的今天符合实际生产的需要。 2 ：3 开发目标 在提高烟叶烘烤测控系统人工智能的同时，应逐步实现包括加煤在内 的完全自控，并同时适用于普通小烤房和密集烤房烘烤控制，为保持烟叶 烘烤质量的稳定和促进烟叶生产的可持续发展发挥积极作用。项目的成功 实施，将实现以下三个目标： 2 , 3 1 提高烟叶烘烤质量 通过烟叶烘烤专家系统对烘烤过程进行智能管理和控制，使科学合理 的烘烤工艺得到准确落实，充分发挥烘烤对烟叶质量的定向调控作用，克 服常规人工烘烤因为个人技术水平、文化素质、鲜烟叶质量差异等因素造 成的粗放控制和烘烤失误，实现精细烘烤。 2 3 2 降低烘烤劳动强度 以嵌入式微控制器代替人工对烘烤过程进行管理，以烤烟集散化设备 代替单独的烤烟设备，实现烟叶烘烤的集约化，彻底将烟农从繁重的烘烤 劳动中解脱出来。 西华大学硕士学位论文 2 3 3 降低功耗 充分考虑火炉的加煤特点和