（农业电气化与自动化专业论文）基于支持向量机的生物发酵过程软测量技术的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep r o c e s so fb i o l o g i cf e 朋e n 诅t i o ni sh i g h l yn o n l i n e 甄t i m e d e p e n d e n t ， h y s t e r e s i sa i l dr e l a t i v i 够i ti sd i m c u l t f o r t h et r a d i t i o nm e a s u r e m e n tm e t h o d st oc h e c k o i l l i n es o m em o r ec o m p l e xb i o l o g i cp a r a m e t e r so ff e m e n tp r o c e s sw h i c ha r et h em o s t i m p o r t a n tp a r a m e t e r s u s i n gs o rm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yi s o n eo ft h ew a y st 0 r c s o l v et h i sp r o b l e m t h es u p p o r tv e c t o rm a c h i i l ei sal e a m i n gm e m o d 埘t hs t n l c t l j r e r i s km i n i m i z a t i o nm o d e lb a s i sd e p e n d i n go ns m a n 黝o u n to fs a m p l e s ，w h i c hi san e w r e s e a r c hd i r e c t i o na r e rn e u r a ln e t w o r k t h ee m b e d d e ds y s t e mi sas y s t e mw h i c hi s d e s i g n e df o rd i 能r e n ts p e c i f i ca p p l i c a t i o n s ，r e n e c tm ea d v a l l c e dl e v e l t e c l l i l o l o g yo f t h ep r e s e n t h a v ea n a l y s e dc u r r e n ts i t u a t i o no fv a r i o u ss o f ts e n s i n gm e t o d so fb i o l o g i c p 猢e t e f s ，t h em e s i s ，e m p h a s i z l ys t u d i e dm eb i o - f e n n e n t a t i o ns o rs e n s i n gm e m o d b a s e do ns u p p o r tv e c t o r ，b u i l tu pb i o - f e m e n t a t i o ns o rs e n s i n gm o d e lb a s e do nt l l e s t 绷l d a r ds u p p o r tv e c t o rw h i c hb a s i sm ef e m l e n t a t i o np r o c e s sl e a v e n i n gak i n d ，a r 】【d i i n p r o v i n gt h e b i o f e r m e n t a t i o nj a rc o m b i n i n gw i mg o o dr e a lt i m en a t u r e ，h i 曲 r e l i a b i l i t ) ，a n ds o r ，h a r d w a r eb u tt a i l o r i n go fe m b e d d e da r m 9s y s t e m m a k e dv b i n t e r f a c eo np ct os h o w st h ec h a n g eo fp a r a m e t e r si nf e r m e n t a t i o np r o c e s s m a k e ds i m u l a t eo nn i a t l a ba b o u tl s s v m i ne m b e d d e ds y s t e m ，t h es v mh a sg o o dr e a l t i m ea n dp r e d i c ta b i l i t y s i m u l a t e d 1 e s u l ti n d i ca _ t e s ，t h es o f ts e n s i n gm o d e ib a s e do nl s - s v mc a i lr e a l i z eo n i i n ec h e c ko f b i 0 1 0 9 i c 锄。吼t s ，h a v et h ef a i r l yg o o dg e n e r a l i 删i o na b i l i 吼t h eb i o l o g i c 狮o u n t s s o rs e n s i n gm o d e lw h i c hi se s t a b l i s h e di nt h eb 0 0 k h a so v e r c o m et h ed e f e c t so f t r a d i t i o nm e a s u r i n gm e t h o d s ，i th a sp r o v i d e do n ek i n do fn e wm e m o d t 0c h e c ko nf o r t h ep r o c e s so fb i o f e r m e n t s k e y w o r d s ：f e 咖e n t a t i o n ，s o rs e n s i n g ，s u p p o r tv e c t o r a r m 9 江苏大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文 的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密囹。 约两琶 学位论文作者签名：冯丽芳 2 0 0 8 年6 月1 1 日 动劬 指导教师签名：王德明、 2 0 0 8 年6 月1 1 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 约砥壳 学位论文作者签名：冯丽芳 日期：2 0 0 8 年6 月1 1 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 随着现代科技的发展，工业过程检测与控制系统日趋复杂，重要输出变量的 测量很重要，工业过程中的测量有两条途径：一是沿袭传统的检测技术发展思路， 通过研制新型的过程检测仪表、以硬件形式实现过程参数的在线测量；另一途径 就是采用间接测量的思路，利用易于获取的其它测量信息( s e c o n d a r yv a r i a b l e ) ， 通过计算来实现被检测量0 r i m a 叮v 撕a b l e ) 的估计。近年来过程控制领域涌现的 一种新技术一一软侧量技术( s o r s e n s i n gt e c h i l i q u e ) 正是这一思想的集中体现。软 测量技术是根据工业生产过程中有关过程变量间的关联，通过一些较容易检测的 过程辅助变量和相应的数学模型，估计过程仪表较难检测过程的主要输出变量。 一方面，软测量技术的产生和发展是工业过程控制系统本身的必然要求。在 生产过程中，许多输出变量受工艺和技术的限制，难以检测出来。如果采用在线 分析则需较大的投资或仪表的维护量较大，只能通过定期地进行人工检测和分 析，而这些分析往往需要很大的时间间隔才能完成一次，以致于得到的测量值不 满足采样定理，所得到的过程输入输出数据是离散的，不利于工业过程的在线监 测和控制。有时，工业过程本身的输出变量与历史的输入输出变量之间没有必然 的因果关系，需要根据系统中各变量的相互关联，利用一些能够进行检测的有关 过程辅助变量，并通过一定的数学模型估算出系统中较难检测的过程变量。另一 方面，计算机软件和硬件技术的发展为软测量技术的产生和发展提供了可能。计 算机软件技术的设计和应用大大减小了仪表领域中硬件电路的复杂性，在某些方 面比硬件电路更加方便和可靠。由于工业标准计算机平台与趋于模块化的硬件结 构及丰富的软件相结合，正在迅速改变传统仪器仪表的概念，提出虚拟仪器的新 概念，得出了软件就是仪器仪表的新思想。 1 1 课题相关背景 在软测量建模中，有基于工艺机理的方法、基于对象数学模型的方法、基于 回归分析的方法、基于模式识别的方法、基于粗糙集理论的方法、基于人工神经 网络的方法等。神经网络( n n ) 是人工神经网络( a n i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ，a n n ) 的简称，是9 0 年代以来活跃于工程领域并迅速发展的一门前沿科学，它的主要优 江苏大学硕士学位论丈 点是可以充分逼近任意复杂的非线性关系。目前，人工神经网络已经广泛应用到 工业过程建模和控制中，其中比较典型的是i 强f 神经网络建模。r b f 神经网络即 径向基函数网络，是一类具有代表性的监督学习型前向神经网络，是由p o w e l l 在1 9 8 5 年提出的。基于正则化理论，i 氇f 神经网络具有正则网络的3 个性质：全 局逼近性，最佳逼近性，完成函数逼近解是最优的。由于l 国f 神经网络不存在极 小值问题，也不必事先决定隐含层神经元的数目，并且采用动态建模，因此具有 很高的学习精度和快速的学习速度，推广性好。 但是，神经网络存在着一些缺陷： 1 ) 网络结构需要事先指定或应用启发式算法在训练过程中修正，这些启发式算 法难以保证网络结构的最优化，对于多层网络，这是一个很复杂的组合问题； 2 ) 网络权系数的调整方法存在局限性，具体表现在训练可能过早结束，权值衰 退等： 3 ) 神经网络容易陷入局部最优，有些训练算法甚至无法得到最优解，这时，为 了得到更好的泛化性能，只能牺牲网络的性能； 4 ) 过分依赖学习样本，即模型性能的优劣过分依赖于模型训练过程中样本数据 的数量和质量。大多数情况下，样本数据是有限的。另外，许多实际问题中 的输入空间是高维的，样本数据仅是输入空间中的稀疏分布，即使能得到高 质量的训练数据，数据量也必然很大，大量的样本数据势必会大大增加算法 的训练时间； 5 ) 神经网络方法的优化目标是基于经验风险最小化，这只能保证学习样本点的 估计误差最小，实际上，该误差应对所有可能的点都达到最小，即泛化性能 最好。 针对i 国f 神经网络，具体表现在以下几个方面： 1 ) 网络基函数中心点难以确定； 2 ) 输出权值计算过程中存在数值变态问题； 3 ) 网络的在线校正效果不明显： 4 1 网络的泛化能力不强。 目前最为突出的是第i v 点，仍未得到有效解决。近年来，v a p n i k 提出了以有 限样本统计学习理论为基础的支持向量机( s v m ) ，通过解决一个二次规划来求取 江苏大学硕士学位论文 样本的最优分类面。由于s v m 有效地解决了非线性、过学习等一系列难题，使 得它受到广泛的关注i 。 统计学习理论和支持向量机的诞生为解决网络的泛化能力开辟了新的途径， 有望使制约软测量向智能化方向发展的瓶颈问题得到解决。支持向量方法是一种 基于s r m ( s 仃u c n 玳r i s km i i l i m i z a t i o n ) 模型的小样本学习方法，采用经验风险和 置信范围两项同时最小化的风险泛函，这种体系下的统计推理规则不仅考虑了对 渐近性能的要求，而且追求在现有有限信息的条件下得到最优结果。它拥有众多 的优良特性，如利用核技术避免了解的局部最小、具有解的稀疏性、通过界限的 作用达到容量控制或支持向量数目的控制等等。正是由于s v m 具有以上特点， 故此方法一经提出就得到国内外学者的高度关注。学术界普遍认为它是继神经网 络之后的一个新的研究方向。在短短的几年里，取得了一系列令人瞩目的研究成 果，显示出巨大的优越性：( 1 ) 支持向量机是根据结构风险最小化原则( s t r u c t u r e r i s km i n j m i z a t i o n ) ，尽量提高学习机的泛化能力，即由有限的训练样本得到小的 误差，对独立的测试集仍然能保证小的误差；( 2 ) 支持向量机算法是一个凸优化 问题，因此局部最优解一定是全局最优解：( 3 ) 支持向量机算法中的核函数利用 隐式非线性变换，巧妙地解决了维数灾难问题。 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适 用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。 特别近年来，嵌入式操作系统和微处理器飞速发展，给嵌入式系统的发展提供更 高的要求、也为其功能创新注入活力。嵌入式系统是计算机技术，通信技术，半导 体技术，微电子技术，语音图象数据传输技术，甚至传感器等先进技术和具体应用 对象相结合后的更新换代产品。因此往往是技术密集，投资强度大，高度分散，不断 创新的知识密集型系统。反映当代最新技术的先进水平。嵌入式系统不仅和一 般的p c 机上的应用系统不同，就是针对不同的具体应用而设计的嵌入式系统之 间差别也很大。 嵌入式系统主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用 户应用软件等部分组成，用于实现对其它设备的控制、监视和管理等功能。嵌入 式技术发展大致经历了三个阶段，第一阶段是以单片机为核心的可编程控制器系 统；第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统；第 江苏大学硕士学位论文 三阶段是嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。嵌入式系统软件发展大致上经历 了两个阶段，一是汇编语言编制成的软件，二是嵌入式软件内核的发布。而以 l i n u x 、v x w o r k s 、u c o s 、w i n d o w sc e 为代表的嵌入式操作系统现在已在嵌入式 系统中占据了主流地位。 目前，嵌入式设备不断深入人们的日常生活。这种系统几乎涉及到了生活的 角绝落落，包括电子玩具m p 3 、m p 4 、s o h o 路由器、p d a 、手机、机顶盒、汽车电 子、电磁炉、电梯、安全系统、自动售货机、医疗仪器、自动取款机等。 1 2 国内外研究现状 软测量技术作为工业过程检测和分析的有力工具，为解决复杂过程参数的检 测提供了一条有效途径。随着工业需求的不断增强，软测量技术在过程理论研究 和实践中取得了广泛的成果，目前应用最多的是化工、石化等生产领域。国内上 海交通大学、浙江大学、华东理工大学及清华大学等高校正积极从事软测量技术 研究及其应用。但软测量技术从上世纪9 0 年代快速发展以来，仍没有形成系统 的理论，其各方面有待于完善和发展。目前主要存在的问题有以下几方面：鲁棒 性及适应性、测量数据处理、软测量模型的通用性和软测量模型的实时校正。因 此，只有将软测量技术与现代控制技术、信号处理技术、数据融合技术、软计算 和人工智能技术有机地结合，构成功能强大的集成系统，才能在工业生产过程中 发挥更大作用【2 】。 软测量不仅可以实现难测参数的在线检测，还越来越广泛地应用于常规仪表 准确度、可靠性、实时性的提高和仪表检测系统的误差处理、动态校准和故障诊 断等【3 1 。 支持向量机在模式识别( 字符识别、文本自动分类、人脸检测、头的姿态识 别) ，函数逼近，时间序列预测，故障识别和预测，信息安全，电力系统，电力 电子，汽轮发电机组的故障诊断，分类，回归，聚类，系统辨识，金融工程，生 物医药信号处理，数据挖掘【4 1 ，生物信息，文本挖掘，自适应信号处理，剪接位 点识别，基于支持向量机的数据库学习算法，支持向量机函数拟合在分形插值中 的应用，基于支持向量机的惯导初始对准系统，岩爆预测的支持向量机，缺陷识 别，计算机键盘用户身份验证，视频字幕自动定位于提取，说话人的确认，等等 4 江苏大学硕士学位论文 中均有很好的应用。 嵌入式系统作为一个的热门领域，涵盖了微电子技术、电子信息技术、计算 机软件和硬件等多项技术领域的应用。随着后p c 时代来临，嵌入式应用呈现系 统复杂化，应用多样化，硬件集约化、软件平台化等特点。 目前，嵌入式系统开发涉及的行业众多，水平参差不齐，大多数停留在8 位 单片机开发这个层面上，一部分单位开始采用3 2 位机，并采用了实时操作系统。 而具有能够同时进行软件设计和芯片设计的s o c 系统设计的系统级高端人才几 乎没有，国际上领先的多核嵌入式系统设计，可重构嵌入式系统设计在上海市的 应用还停留在少数研究单位的研究中。 2 0 0 4 年，中国嵌入式系统市场处于快速增长时期。据预测，在未来的几年 内，嵌入式系统的发展为几乎所有的电子设备注入了新的活力，由于迅速发展的 i n t e m e t 和非常廉价的微处理器的出现，嵌入式系统将在我们的日常生活里形成 一个更大的应用领域。 到2 0 0 4 年为止，中国嵌入式系统的主要客户分布在电信、医疗、汽车、安 全和消费类等行业。按照行业细分，嵌入式产品主要分布在消费类电子、通信、 医疗、安全等行业。其中消费类电子占最大的市场份额，占3 6 ，紧随其后的是 安全，占2 6 ，其次是电信、医疗及其它，各占2 0 、8 和1 l 。 1 3 课题研究的意义 在工业生产中存在的大量过程参数，往往与生产效率、产品质量密切相关， 需要加以严格控制。然而，由于技术、工艺或经济的原因，目前无法通过普通传 感器对这些过程参数进行检测。软测量技术作为解决上述问题的新方法，近年来 取得了重大发展【5 】。一般传统的基于精确数学的建模方法有模糊算法、神经网络 及遗传算法。但这些建模方法不能很好的解决小样本、高维数的软测量建模问题。 支持向量机( s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ，s v m ) 应用结构风险最小化理论，从训练集中 选择一组特征子集。使得对特征子集的线性划分等价于对整个数据集的分割。能 够较好地解决小样本、非线性和高维数问题【6 j 。 本文利用嵌入式开发平台的优良性能使支持向量机的软测量方法更广泛、更 灵活、更精确的应用在生产里，优化生产，提高生产效率。学习和完善支持向量 江苏大学硕士学位论文 机的生物发酵软测量技术并用于试验，为以后应用于生产做好理论基础。将嵌入 式系统引入发酵过程，有利于生物发酵系统的创新和改进。 1 4 课题的主要研究内容及论文安排 本课题主要对支持向量机的生物发酵软测量进行系统研究。主要研究内容 是： 1 生物发酵系统的学习和研究。 根据实际工程要求及生物反应器的结构和原理，对生物反应器的电气控制系 统进行设计，采用a 蹦9 实现对发酵罐的温度、p h 、d o 、转速、消泡等参量的 控制。 2 基于支持向量机的软测量算法的研究。 根据生物发酵过程采集到的数据，采用支持向量机的软测量方法对关键参数 进行预测。在m a t l a b 上进行仿真得到结果，显示支持向量机的软测量对发酵 过程有很好的预测性。 3 上位机界面实现。 对p c 机的软件进行设计，采用s u a lb a s i c ，实现对生物发酵系统的实时数 据显示、历史数据存储和查询、生产过程参数变化趋势显示等功能。 本论文的第一章是绪论部分，主要介绍了本课题的提出与研究现状；第二章 主要介绍了生物发酵系统的组成及关键参数的测量控制；第三章介绍了嵌入式 删9 生物发酵控制系统的硬件设计；第四章介绍了软测量技术，着重介绍支持 向量机的软测量技术；第五章详细介绍了支持向量机的软件实现及仿真和p c 机 的显示界面；第六章对全文做了总结和展望。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章生物发酵系统的组成及关键参量的测量控制 生物发酵是一种多物系的复杂反应，大多具有反应缓慢，时间长的特点。在 发酵过程中，既有细胞水平的菌体代谢问题，又有工程水平的物质和能量传送问 题，各测量或控制参数随时间而动态地变化。因此，如何对生产过程进行优化控 制成为一个必须解决但又十分困难的问题。 2 1 生物发酵系统的结构和原理 生物发酵系统包括一个发酵罐，一个热水罐，传感器( 温度传感器、p h 传 感器、溶解氧传感器) ，主搅拌机，用于控制的a r m 9 开发板，通讯模块，上位 机p c ，一些传送水或空气的管道和控制阀或泵。各种传感器信号，如：p h 、溶 解氧( d o ) 、温度、流量、压力等，经过变送器，输出4 2 0 m a 电流变送信号， 这些信号经a 他转换后集中后输入到a i 泓9 开发板上，经过分析处理预测后， 一方面送到液晶显示器，进行集中显示，另一方面产生输出信号，控制各种执行 器，如：电磁阀、电加热管、水泵、流量控制器、蠕动泵等，从而使发酵过程最 优化。上位计算机通过i n t e m e t 与a r m 9 进行远程实时通讯，实现生物反应设备 关键参量的采集和控制。 发酵过程中需要检测的参数可分为物理参数、化学参数和生物参数。物理参 数包括生物反应器温度( t ) ，生物反应器压力( p ) ，空气流量( f a ) ，冷却水 温度( t 2 ) 和泡沫高度( h ) ；化学参数主要是p h 值和溶解氧浓度( d o ) 两 个参数；生物参数通常包括生物质呼吸代谢参数、生物质浓度、代谢产物的浓度、 底物浓度。 2 2 温度的测量与控制 发酵温度是指整个发酵过程或不同阶段中所维持的温度。它的高低与发酵过 程中的酶反应速率、氧在培养液中的溶解度和传递速率、菌体生长速率及产物合 成速率等有密切关系。发酵过程中的温度检测采用铂电阻( p t l o o ) ，被测温度的 变化是直接通过热电阻的阻值变化来测量的。将温度数据转换后传入开发板，由 7 江苏大学硕士学位论文 2 3p h 的测量与控制 p h 传感器由测量电极和参比电极构成。测量电极的电位随溶液蒙鹾辄裂落 冀蓄疆赠强；摆蜡酪拦孺冀馨行甾i 箨蒲浮墓爷耐氐零董冀墓i 塑瞎斜i 酷萎翊 刘囊蓁：憔蟪镒脚筵；捌鋈耨霎福宋丰办；鞴酥莉秽蒯斡嚣新霎蓁，霎藿需萎塞驿堡 一双；篓豸割蒜繇翮i 明f 纛攀盲冀雾霎耋羹；蠹曜冀薹鎏蓁交霪羹! 鬟薹i 謇i 雀摧鍪 墨墅蔷鬈。 囊 流加碱液，碱液进罐后，p h 值就会上升，当p h 值达到设定的值时，a l 泓9 关 断输出信号，蠕动泵断电，停止向罐内流加碱液，从而达到自动控制p h 值的目 的。 2 4d o 的测量与控制 溶氧量由溶解氧电极测量得到。电极主体包含银质阳极( 参比电极) 和金质 阴极( 测量电极) ，以氯化钾电解液充满阳极与阴极之间的电极腔，金电极覆盖 氧分子半透膜。水中溶解氧透过透氧膜进入电极之间的电解液，当电极两湍接入 一定负载或极化电压时，氧分子在阴极上发生还原反应，阳极上的银则被氧化以 离子态进入电解液。电极反应如下； 阴极 d ：+2 日2 d + 4 2 一一4 明一 阳极4 彳g + 4 a 一一4 彳妇+ 4 p 一 氧分子透过透氧膜到达阴极的扩散速率为： 或：之么(只一足) ( 2 1 ) “ 式中：q d：氧分子的扩散速率；6 ：膜透氧率；盔膜厚：彳：阴极有效面积： p s 试样中氧分压；尸c ：阴极与电解液界面处氧分压。 根据法拉第定律，阴极上的氧化还原电流为： ，= ( ，刀f ( 2 - 2 ) 式中：传感器输出电流：q r ：阴极上氧还原速率；玎：克分子氧当量；f ： 江苏大学硕士学位论文 量。 有( 2 3 ) 式温度、盐度、气压不变的情况下测得电流值便可以计算出溶解氧含 图2 3 溶解氧( d o ) 自动控制原理 溶解氧( d 0 ) 自动控制系统由d 0 传感器、a r m 9 、变频调速或直流调速器、 交流电机或直流电机等组成。形成一个闭环控制系统。溶解氧( d 0 ) 的控制范围及 转速由a r m 9 预测设定，或者由p c 机设定。当溶解氧( d o ) 的实际值超过设定 范围时，比如设定值高，则a i 洲9 输出控制信号给变频器或直流调速器，使电 动机的转速下降，但是电动机的转速受下限设定值控制，即电动机的速度不会低 于下限值设定的速度。反之亦然。 2 5 补料控制 补料控制的目的在于控制中间代谢，使菌丝保持在半饥饿状态，促使它大量 地分泌和合成代谢产物，及时对培养液中菌丝的变化、培养液主要成分的含量进 行调节控制，使发酵沿着有利于提高质量的方向发展。在此可先用软测量方法估 计出的残糖浓度s 和菌体浓度x ，即可知道此时发酵所处状态，从而指导补料流 加。 早期的连续补料控制系统是计量杯式补料系统，但由于执行机构计量杯存在 的问题，没有得到成功应用。现在普遍采用的是计量罐式补料系统，该系统由一 个不锈钢计量罐、一对液位电极、两个波纹管截止阀和两个电磁阀组成，如图 2 4 所示。其原理是计算机通过调整计量罐滴加装置的工作频率来实现补料控制。 例如，采用5 l 的计量罐，补料速率为5 0 0 l h ，则每小时要补入1 0 0 罐营养剂( 5 升罐1 0 0 罐= 5 0 0 升) 。计算机控制计量罐滴加装置把1 0 0 罐营养剂在1 小时 内( 3 6 0 0 s ) 等间隔地加入发酵罐内，即每3 6 s 加入一罐料液( 5 l ) 。补料时，通 过计算机输入补料速率或补料量等参数，补料执行机构在等时问间隔把营养剂一 江苏大学硕士学位论文 罐一罐地加入发酵罐阳1 。从每罐加料的方式看是脉冲方式补料( 间歇补料) ，但 从整个发酵过程看则是连续滴加补料，故称之为“脉冲滴加”方式。 一个完整的补料过程如图2 4 所示，其中e 。、v 。构成入料阀，e 2 、v 。构成出 料阀，计算机控制系统通过定时或外部脉冲控制e 。、e ：动作并联动v 。、v 。进行补 料，计量罐液位电极t 控制补料过程。补料时控制系统首先打开进料阀v 。使料液 进入计量罐，当计量罐内液位接触到电极t 时，进料阀v 。自动关闭，出料阀v ： 开启，将计量罐内料液排至发酵罐，料液排空后关闭出料阀，完成了一个补料周 期，再等待下一个补料周期。 图2 - 4 计量罐式补料系统 其中，e 。、e 2 ：电磁阀( 二位三通式) ：v 。、v ：气动波纹管阀；g ：计量罐； t ：计量罐液位电极。 2 6 消泡控制 消泡自动控制原理由消泡电极、液位继电器及a r m 9 等组成。当罐内泡沫 超高时，7 和5 由液体电极构成通路，瓦、互导通，继电器j 吸合，继电器j 的 一对常开触点作为a 砌9 的消泡输入信号。当j 吸合时，a 砌9 消泡信号输入， 则删9 输出控制信号使消泡蠕动泵工作，向罐内流加消泡油。反之亦然。 图2 5 消泡自动控制原理 1 2 一动簟 一d 卜一 t | 江苏大学硕士学位论文 第三章基于嵌入式a 础9 的生物发酵控制系统硬件设计 在计算机、互联网和通信技术高速发展的同时，嵌入式系统开发技术也取得 了迅速的发展【9 1 ，嵌入式技术应用的范围也随之急剧扩大。本章概要介绍了嵌入 式的一般概念，同时对嵌入式a i 蝴9 生物发酵装置的硬件做简要的介绍。 3 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统被定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁 剪，适应应用于系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机 系统【8 】。 从几方面来理解嵌入式系统： 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相 结合才会具有生命力、才更具有优势。因此可以这样理解上述三个面向 的含义，即嵌入式系统是与应用紧密结合的，它具有很强的专用性，必 须结合实际系统需求进行合理的裁减利用。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业 的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、 资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。所以，介入嵌入式系 统行业，必须有一个正确的定位。 嵌入式系统必须根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、 可靠性、成本、体积等要求。所以，如果能建立相对通用的软硬件基础， 然后在其上开发出适应各种需要的系统，是一个比较好的发展模式。目 前的嵌入式系统的核心往往是一个只有几k 到几十k 微内核，需要根据 实际的使用进行功能扩展或者裁减，但是由于微内核的存在，使得这种 扩展能够非常顺利的进行。 3 1 1 嵌入式系统的几个重要特征： 1 系统内核小。由于嵌入式系统【l o 】一般是应用于小型电子装置的，系统资 江苏大学硕士学位论文 源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。比如e n e a 公司的o s e 分 布式系统，内核只有5 k ，而w i n d o w s 的内核简直没有可比性。 2 专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非 常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中 也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务，往往需 要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件 的“升级”是完全两个概念。 3 系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要 求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实 现系统安全。 4 高实时性的系统软件( o s ) 是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固态 存储，以提高速度；软件代码要求高质量和高可靠性。 5 嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。嵌入 式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行；但是为了合理地调度多 任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配i 泐s ( r - e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、 可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。 6 嵌入式系统开发需要开发工具和环境。由于其本身不具备自举开发能力， 即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套 开发工具和环境才能进行开发，这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬 件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的 概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进 行。 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器【1 0 1 3 1 ，目前比较流行的 是3 2 位微处理器a r m ( a d v a l l c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的 名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。 1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前， 采用a 刚技术知识产权( i p ) 核的微处理器，即我们通常所说的a i 蝴微处理 器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类 产品市场，基于a i 蝴技术的微处理器应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 1 4 江苏大学硕士学位论文 以上的市场份额，a i 洲技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。 a r m 公司是专门从事基于砒s c 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权 供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的 芯片，世界各大半导体生产商从a i 蝴公司购买其设计的a i 泓微处理器核，根 据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的a 砌订微处理器 芯片进入市场。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用删公司的授权， 因此既使得a 枷技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系 统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。 3 1 2a r m 微处理器的应用领域及特点 1 a r m 微处理器的应用领域 到目前为止，a r 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域： 工业控制领域：作为3 2 的r i s c 架构，基于a r m 核的微控制器芯片不但 占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制 器应用领域扩展，a r m 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8 位1 6 位微控制器提出了挑战。 无线通讯领域：目前已有超过8 5 的无线通讯设备采用了a r m 技术，a r m 以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。 网络应用：随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片正逐步获得 竞争优势。此外，a r m 在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持， 也对d s p 的应用领域提出了挑战。 消费类电子产品：a r m 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒 和游戏机中得到广泛采用。 成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用a r m 技 术。手机中的3 2 位s i m 智能卡也采用了a r m 技术。 除此以外，a r m 微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得 更加广泛的应用。 2 a r m 微处理器的特点 采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： 江苏大学硕士学位论文 3 2 5 以太网接口电路设计 图3 6 以太网接口设计部分 以太网接口电路设计如图3 6 所示。系统使用的网络接口芯片是c s 8 9 0 0 ， 它是我们整个系统数据出口，它在系统中的起始地址是o x l 8 0 0 0 0 0 0 ，采用的中 断是外部中断9 。该以太网接口芯片是一款1 6 位i s a 总线的以太网接口芯片， 由于其内部集成m a c 层和p h y 层，从而使得单个芯片能够实现以太网通信【1 4 】。 该款芯片内部的集成4 kr a m 用于收发以太网数据包，内部m a c 驱动器完全兼 容i e e e8 0 2 3 以太网标准。它的主要特性如下： 1 ) 单芯片实现i s a 总线的以太网控制器 2 ) 全双工收发数据 3 ) 传输数率达到1 0 m s 4 ) d m a 传送接口 5 ) 传送数据包具有自动添充数据包头和产生c r c 校验位 6 ) 支持省电和睡眠模式 2 0 x 江苏大学硕士学位论文 手持产品设备，具有高性能、低功耗、接口丰富和体积小等优良特性。再配上自 己设计的a d 接口电路和d a 接口电路，实现生物发酵现场各参数模拟数据的采 集、传送和现场各开关器件的控制。还有自己设计的外围电路接口板，实现数据 的转换和传输。 嵌入式开发板的核心芯片采用三星公司的s b c 2 4 l o x ，该处理器内部分别集 成1 6 k 指令c a c h e 和数据c a c h e 并采用3 2 位精简指令集，它外部接口单元丰富， 包含l c d 驱动器、n a n df l a s h 驱动器、s d 黜m 接口、u s b 主从接口、i i c 总 线接口、触摸屏接口以及丰富的g p i o 口等等。电路设计主要由以下几部分组成： 电源电路、a r m 9 处理器、n a n df l a s h 存储器、s d r a m 存储器、l c d 接口、 g p i o 接口以及以太网接口。整个系统硬件原理框架如图3 1 。 1nand 型fl a s h ： 7 l k 9f 120 8 数字采集信号 sd ra m ： 接 h y57v5 6l62 0 口 a rm9 处理器： 电 s3c2410 蕉拟控制信号 路 三菱8 4 寸真彩液晶屏 。i 网络控制器： 7 l c 8890 0 3 2 2 电源电路设计 3 1 硬件原理框架 图 整个系统要求3 级电源供电，分别为5 v ，3 v 和1 8 v 。电源电路的原理图 如图3 2 。电源电路设计时所采用的s e l l 7 3 3 是一款低功耗正向调节器，输出电 压为3 3 v ，有o 8 a 稳定的输出电流，过流和温度保护的特点。这款器件非常 适合嵌入式系统的应用，因为其具有高效率，小封装和低功耗的特点。该芯片为 a r m 9 接口电路以及一些外围接口芯片提供恒定电压。s e l l 7 1 8 也是一款低功 耗正向调节器，输出电压为1 8 v ，有0 5 a 稳定电流输出，过流和温度保护等特 点。该芯片为a i 湖9 核心电路提供稳定电压。 1 7 江苏大学硕士学位论文 图3 2 系统电源设计部分 3 2 3n a n df 1 a s h 电路设计 n a n df l a s h 电路设计见图3 3 所示。 图3 3 n a n d f l a l s h 设计部分 芯片k 9 f 1 2 0 8 u d m 是一款6 4 m b 的n a n df l a s h ，整个系统程序全部烧在 该f l a s h 中，包括b o o t l o a d e r ，内核以及根文件系统。n a n df l a s h 是今几年用的 比较多的一种f l a s h ，该f l a s h 接口简单，容量巨大以及成本低廉，凭借这些优越 特点，它们广泛应用在移动存储设备中，如u 盘，m m c 卡以及s d 卡等。 n a n df l a s h 与n o rf l a s h 的区别主要分为以下几个方面： 1 ) 接口差别。n o r 型f l a s h 采用s r a m 接口，提供足够的地址引脚来寻址， 可以很容易的存取到其片内的没一个字节。n a n df l a s h 使用复杂的i o 口来串行的存取数据。通常是采用8 个引脚来传送控制、地址以及数据 信息。由于n a n df l a s h 的接口比较特殊，一般情况下用于存储 b o o t l o a d e r ，但是由于我们的主芯片内部有控制电路从n a n df l a s h 启 动，因此我们整个系统就只用一片n a n df l a s h ，系统所用到的所有代 码均放在该f l a s h 中。 1 8 江苏大学硕士学位论文 2 ) 性能比较。n o rf l 础的地址线和数据线是分开的，传输效率很高，程 序可以直接在片内执行，n o rf l a s h 的读取速度比n a n df l a s h 稍微快 一些。n 砧岫if i a s h 的擦写速度和写入速度远远比n a n df l a s h 快。 3 ) 容量和成本的比较。n a n df l a s h 具有极高的单元密度，容量做的非常 大，目前所能看到单芯片最大容量是3 2 g b 。它的生产过程简单，因此 价格也相应降低。n o rf l a s h 占据了容量为1 1 6 m 闪存的大部分，而 n a n df l a s h 只是用在8 1 0 2 4 m 的产品中。 3 2 4s d i 电路设计 图3 4s d r a m 设计部分 系统r a m 部分设计电路如图3 4 所示。为提高系统性能，我们选用两片 k 4 5 5 6 1 6 3 ，由它们组成2 x 3 2 m b 的s d r a m 。在系统中它们的地址范围是 o x 3 0 0 0 0 0 0 0 一o x 33f 翻f 行。 s d r a m ( s y n c h r o n o u sd y n 锄i cr a m ) 同步动态存储器，使用s d r a m 不但 能提高系统表现，还能简化设计、提供高速的数据传输。在功能上，它类似常规 的d l 认m ，但是需要进行定时刷新。在系统运行时，所有的程序和数据都是在 洲( 主要是在s d r a m ) 中与c p u 和外围设备交互，所以s d r a m 的速度 对于整个系统的运行速度有着至关重要的影响。k 4 5 5 6 1 6 3 总线宽度是1 6 位，与 a m r 9 连接时，应该选用两片该芯片来构成3 2 位的系统总线。 1 9 江苏大学硕士学位论文 3 2 6 串口电路设计 ： 图3 7 串口设计部分 r s 2 3 2 串口电路设计部分如图3 7 所示。串口电路的设计一方面为了满足调 试程序作为标准的输入和标准的输出设备，另一方面可以通过串口通信来设置一 些系统的参数。目前r s 2 3 2 是p c 机与工业通信中应用最广泛的一种串行接口， 它是为点对点( 即只用一对收、发设备) 通讯而设计的，满足简单通信的需求。 r s 2 3 2 被定义为种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。r s 2 3 2 采 取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。收、发端的数据信号是相对于信号地。典 型的r s 2 3 2 信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电 平在+ 5 + 1 5 v ，负电平在5 1 5 v 电平。当无数据传输时，线上为t t l ，从开 始传送数据到结束，线上电平从t t l 电平到r s 2 3 2 电平再返回t t l 电平。 s b c 2 4 1 0 输出的串行信号是t t l 电平，必须经过电平转换输出符合e i 刖t i a 2 3 2 电平。m a x 3 2 3 2 e 是m a x i m 公司生产的r s 2 3 2 收发器，其适用于嵌入式设备 的应用，工作电源3 3 v 。 3 2 7 模数转换电路设计 图3 8 模数转换部分 2 1 江苏大学硕士学位论文 模数转换电路设计如图3 8 【1 5 】。模数转换电路的设计采用多通道多输入范围 1 2 位并行a d c 转换芯片m a x l 9 7 。m a x l 9 7 是美国美信公司( m a x i m ) 推出的