劉 偉，陳高森，張皓然 (東北石油大學軟件學院，黑龍江 大慶 163318)

基于SOPC技術的保鮮系統(tǒng)的設計

劉 偉，陳高森，張皓然 (東北石油大學軟件學院，黑龍江 大慶 163318)

針對現(xiàn)有海鮮運輸保鮮技術存在藥物殘留、新鮮度低的不足，使用SOPC(可編程片上系統(tǒng))和FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)技術，以Nios處理器為核心，開發(fā)了具有自主知識產權的IP核(Intellectual Property core)，設計了一套智能的活海鮮遠距離運輸保鮮系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以智能檢測海鮮的生存環(huán)境參數、自動水質循環(huán)、自動調節(jié)溫度等。

SOPC；FPGA；Nios處理器；IP核

隨著人們生活水平的不斷提高，對海鮮的需求量也是日益倍增。2012年，美國農業(yè)部的外國農業(yè)服務部門(FAS)最新的報告，中國海產品的產量預測為5530×104t，是過去7年的1.25倍[1]。目前市面上主要的海鮮運輸手段有干運、淋水運輸、冷凍運輸、藥物運輸、巴比妥納運輸等。冷凍運輸存在降低海鮮新鮮度的缺點，藥物運輸存在藥物殘留的問題[2]。針對以上問題,筆者設計了一種基于SOPC(可編程片上系統(tǒng))技術的保鮮系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設計

保鮮系統(tǒng)要對海鮮的生存環(huán)境進行及時的調節(jié)，一方面要由加熱或制冷裝置調節(jié)水溫，另一方面要對水要進行高效的過濾凈化，除去水中的氨氮等有害物質，還要充氣增加水中的溶氧量。因此，該系統(tǒng)涉及到活海鮮的養(yǎng)殖技術、以生物學和生物化學為基礎的水處理技術、自動控制和給排水技術等[3]。

圖1 系統(tǒng)總體描述

保鮮系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和處理器核心系統(tǒng)3部分構成(見圖1)。硬件系統(tǒng)包括負責采集環(huán)境參數的傳感器，控制通風、照明、制氧等設備的執(zhí)行機構和開發(fā)板組成的下位機。軟件系統(tǒng)包括下位機軟件和上位機軟件，下位機軟件由采集軟件和控制軟件組成，采集軟件負責采集含氧量、溫度、壓力等環(huán)境參數并進行分析計算傳給控制軟件?？刂栖浖t根據采集來的參數協(xié)同執(zhí)行機構進行相應的環(huán)境參數調節(jié)。上位機軟件使用Visual Studio 2008開發(fā)一套高效便捷的可視化C/S模式的操作軟件，用戶可通過觸屏對系統(tǒng)進行參數調節(jié)、畫面監(jiān)控、數據報表打印等操作。處理器核心系統(tǒng)負責協(xié)調硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，是整個保鮮系統(tǒng)的核心。

該保鮮系統(tǒng)的處理器核心系統(tǒng)采用SOPC和FPGA技術，應用Nios處理器設計，為系統(tǒng)控制核心?？刂葡到y(tǒng)、采集系統(tǒng)為系統(tǒng)中2個重要的組成部分，也是設計難點。系統(tǒng)功能框圖如圖2所示。

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1采集系統(tǒng)設計

采集系統(tǒng)采集水箱中的水溫、液位高度、水質狀況等環(huán)境參數以及對紅外信號的接收與處理。

圖2 系統(tǒng)功能框圖

1)水溫采集 水溫采集利用溫度傳感器實現(xiàn)。將溫度傳感器分多個點布置于水箱的上、中、下3處。溫度傳感器采集到的水溫數據通過A/D轉換集成芯片轉換成數字量后傳入控制系統(tǒng)。

2)液位高度采集 液位高度采集通過在水箱中布置多個液位開關來采集液位高度信息。

3)紅外接收 使用紅外遙控器作為遙控控制端，在系統(tǒng)的接收端采用紅外接收頭，采集到遙控器所發(fā)出的信息后采用單總線傳輸協(xié)議將信息傳輸至核心處理模塊。

2.2控制系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)使用了多種不同型號、不同電壓和功耗的外設，為了能夠長期穩(wěn)定地運行，使用繼電器將控制系統(tǒng)高電壓、強電流電路與采集、中央處理系統(tǒng)的低電壓數字電路隔絕，防止因為電機類外設停轉所產生的強大的堵塞電流對系統(tǒng)造成傷害。

1)加熱、制冷 使用2個潛水加熱管布置于水箱中層，用于對水箱水體加熱；在水循環(huán)出水口處放置制冷機用于對箱體水溫的制冷。

2)水質過濾、消毒 采用潛水泵以及給水泵用于水箱的排水以及給水操作；采用LED紫外線消毒燈以及活性碳棒組合的方式來對水箱的水質進行殺菌消毒以及雜質過濾。

3)照明、排風 為了更好的提供水產品的生存環(huán)境，采用多組高亮度暖色調LED模塊組均勻置于水箱頂部用于對水箱的照明。由于長途密封運輸，箱體內二氧化碳濃度增高，使用排風扇對箱體進行通風操作。

4)制氧 采用空氣泵并以多個沙頭平穩(wěn)放氣的方式用于對水箱水質的增氧。

此外，考慮到開發(fā)板的GPIO口負載能力有限，GPIO口輸出信號采用4.7K電阻上拉后連接5V高電平觸發(fā)繼電器模塊組的控制端。采集/控制模塊框圖如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1NIOS以及IP核設計

Nios嵌入式處理系統(tǒng)包括一個或多個Nios CPU、Avalon交換結構總線和其他組件[4]。使用ALTERA的Qsys系統(tǒng)開發(fā)工具對Nios核進行定制[5]，加上具有自主知識產權的IP核構成保鮮系統(tǒng)的控制核心。保鮮系統(tǒng)包含Nios CPU、Avalon 總線、外圍設備、定時器、PIO(1～32位并行I/O接口)、UART(通用串行接口)、DMA控制器、以太網接口、存儲器接口、片內調試模塊等。該系統(tǒng)的Nios處理器系統(tǒng)設計原理如圖4所示。

圖3 采集/控制模塊框圖 圖4 Nios處理系統(tǒng)

圖5 IP核設計流程圖

ALTERA公司提供用戶一些簡單的IP核，但具體應用到保鮮系統(tǒng)中，還需開發(fā)特定功能的IP核[6]。根據圖5流程步驟，該系統(tǒng)設計出電機IP核、鍵盤IP核、數碼管IP核、脈寬調試器IP核、VGA(Video Graphics Array)IP核等。這些核均可封裝打包直接應用。

3.2采集、控制系統(tǒng)設計

采集系統(tǒng)負責采集環(huán)境參數，如溫度、壓力、含氧量、光照強度等。根據采集回來的參數協(xié)調控制系統(tǒng)的動作。控制系統(tǒng)包含溫度控制、水循環(huán)控制、壓力控制、光照控制等模塊。按照模塊化設計的原則[7]，將整個系統(tǒng)劃分為多個子任務系統(tǒng)主要有系統(tǒng)進行初始化、系統(tǒng)時間顯示、采集及控制溫度、采集及控制水位等。子任務系統(tǒng)間相互獨立工作，然后將這些子任務系統(tǒng)以調用函數的形式集中起來。

系統(tǒng)設定了一系列的參數來保證保鮮系統(tǒng)的保鮮功能，設定內部溫度在16～20℃之間、水位控制在80～120cm之間，根據系統(tǒng)的時間對環(huán)境進行定時的充氧、殺菌以及水質過濾，提供保鮮技術的基本控制。系統(tǒng)控制的詳細參數如表1所示。

3.3PID算法

保鮮系統(tǒng)采用的PID算法[8]為整個系統(tǒng)提供了穩(wěn)定、準確的閉環(huán)控制，使系統(tǒng)能夠及時、準確的采集信息，反饋到核心控制芯片從而調動控制模塊對各個關鍵性參數進行控制，保證運輸產品的新鮮度。

由于溫度為保鮮環(huán)境最重要的參數，為了保證其控制系統(tǒng)的實時性，溫度控制采用定時中斷的方法，并且溫度的優(yōu)先級比其他的中斷的優(yōu)先級要高。

4 結 語

該控制系統(tǒng)使用SOPC和FPGA技術開發(fā)，用溫、濕度等傳感器對溫度、濕度等參數進行多點采集，并應用控制算法對保鮮車內環(huán)境進行溫、濕度和含氧量調節(jié)，具有多點采集、適應性強、成本低以及性能可靠等特點，能有效提高所存產品的儲存時間。

[1]刁石強.海水閉合循環(huán)暫養(yǎng)系統(tǒng)的設計技術[M].廣州：廣東經濟出版社，1997.

[2] 廖慧星.小型海鮮養(yǎng)殖系統(tǒng)簡介[J].給水排水，1998(8)：24-28.

[3] 祁真.對蝦生態(tài)工程化養(yǎng)殖系統(tǒng)水環(huán)境變化及影響因子研究[D].杭州：浙江大學，2004.

[4] 王建校.SOPC設計基礎與實踐[M].西安：西安電子科技大學出版社，2006.

[5] 李蘭英. Nios Ⅱ嵌入式軟核SOPC設計原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[6] 江國強.SOPC技術與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社， 2006.

[7] 吳厚航.深入淺出玩轉FPGA [M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

[8] 白志剛.自動調節(jié)系統(tǒng)解析與PID整定[M].北京：化學工業(yè)出版社，2012.

2012-10-12

劉偉(1991-)，男，現(xiàn)主要從事軟件工程方面的學習。

TP311.52

A

1673-1409(2013)04-0056-03

[編輯] 洪云飛