摘 要： 介绍了一种基于MC68EZ328微处理器的嵌入式系统在粮情监控系统中的应用，阐述了嵌入式系统的规划方案、硬件构成和功能，并在此基础上提出了完整的软件、硬件实现方法。
关键词： 嵌入式系统 硬件平台 软件平台 监控系统
中国是人口大国，粮食的生产和储备至关重要。随着科学技术的不断进步，人们不仅对粮情监控系统的可靠性提出更高的要求，而且对系统的智能化也提出很高的要求，于是微机监控系统被广泛应用。目前微机监控系统按照系统的结构可以分为二种：集散式控制系统（DCS）和现场总线控制系统（FCS）。二者虽然在系统结构上有区别，但控制思想是一致的，即控制系统的数据采集器和控制执行器在空间上分散分布，而控制操作由系统中的控制器集中完成。微机监控系统中的监控主机就是系统中的集中控制器，它对采集到的数据进行处理，并控制相关设备工作。目前，使用工业控制计算机作为监控主机的较多。工业控制计算机具有很高的性能和很好的抗干扰能力，能够长期稳定地运行。其缺点是价格较高、体积笨重、安装操作不方便，在一些工业应用中并不实用。随着微电子技术的发展，微处理器的集成度越来越高，性能越来越强。基于嵌入式处理器的嵌入式系统由于具有性能较高、成本较低、体积小巧、使用灵活方便的优点，已经可以取代通用的工控机而在监控系统中作为监控主机起到集中控制器的作用。
1 监控系统的总体设计方案
粮情监控系统在结构上分为二层网络。上面一层网络采用高速以太网，在每个粮仓都安装一台计算机系统作为现地控制单元（LCU），也称为现地工作站，作为粮仓内的主控制器。中央控制室内的管理主机可以通过以太网与各个粮仓的现地控制单元进行通信。现地工作站将粮仓内的温度和湿度数据通过以太网传送给管理主机，管理主机对采集到的数据建立数据库进行分析，管理主机也可以通过以太网发送控制指令给现地工作站。下面一层采用现场总线，粮仓的现地工作站通过现场总线与总线上的智能采集器和智能控制器通信，交换信息发送指令，进行数据采集和控制。粮仓内外温湿度采集由基于8051微控制器的智能采集器完成。智能采集器具有现场总线接口，使用数字式温度传感器DS18B20采集温度，使用湿度传感器采集湿度。粮仓内外的储粮设备由现场总线上的基于8051微控制器的智能控制器来控制。粮仓的现地工作站可以通过现场总线发送控制命令给智能控制器，由智能控制器执行机械通风和谷物冷却等调节措施。某粮库粮情监控系统的系统结构如图1所示。
这种二层网络的粮情监控系统在上层使用了以太网通信。以太网通信速率高、通信距离远，因此系统可以消除干扰、提高稳定性并可以实现大量数据的实时传送。在底层采用速度快、抗干扰性能好的现场总线可以简化现场接线，另外也可以提高通信效率，减少采集信息的误码率。其次，这种二层网络结构的粮情监控系统在底层网络中加入控制节点，实现了监控一体，提高了自动化水平和生产效率，是储粮技术上的新突破。另外，在粮仓外安装现地控制单元，可以进行现地查询和操作，为操作人员提供了方便。由于使用了现地工作站, 现地工作站可以实现现地监控主机的功能。这样底层的网络可以脱离上层网络独立使用，大大提高了系统的灵活性和可扩展性。
2 嵌入式系统在粮情监控系统中的使用及设计
在这种二层网络的粮情监控系统方案中，安装在粮仓的现地工作站是整个系统的关键。通常的解决方案是采用一台工控机作为现地工作站。这种方案的优点是开发难度小、技术成熟，在工控机内安装以太网卡和现场总线接口卡，再开发应用软件，就可以满足应用。但这种方案中所有的硬件都需要购买，技术含量低、成本很高，而且安装维护十分不方便。在需求数目比较大时，这种方案并不适合。在某粮库粮情监控系统中，由于对现地工作站的性能要求并不高，又鉴于嵌入式系统的优点，系统决定采用自行设计的一款基于嵌入式系统的现地工作站取代工控机进行现地控制。根据某粮库粮情监控系统的要求，这种嵌入式现地工作站的核心采用Motorola 的32位嵌入式微处理器MC68EZ328，系统中固化了Linux操作系统和应用软件，扩展了以太网接口和现场总线接口，支持LCD显示和键盘操作。虽然这个嵌入式系统的功能没有工控机强大，但是成本很低、在现场安装维护十分方便、易操作。对于粮情监控系统这种任务不多的情况，这是一种很好的方案。
2.1 系统硬件平台设计
嵌入式现地工作站由CPU模块和若干个扩展模块组成。CPU模块是系统的核心，上面有一个CPU的最小系统，包括微处理器、电压管理、时钟电路、DRAM、Flash Memory等部分。外围还扩展了LCD接口、键盘接口和串口，以及总线驱动电路等。其硬件结构如图2所示。嵌入式现地工作站采用了motorola公司的68K系列中的68EZ328嵌入式微处理器，它主要有以下优点：
(1)粮情监控系统对嵌入式工作站的性能要求不高，但对成本比较敏感。68EZ328的性能并不出众，整数运算只有2.7MIPS (16MHz)，但其价格很低。
(2)68EZ328集成度比较高，提供了大量的片上外设接口，降低了系统的开发难度。特别是LCD控制器和DRAM控制器，使LCD和DRAM的扩展变得相当简单。
(3)68EZ328微处理器提供8位和16位的外部数据接口，这样微处理器可以方便地扩展外围电路。
(4)68EZ328嵌入式微处理器支持通过串口下载程序到DRAM运行，使系统开发难度降低。
(5)68EZ328嵌入式微处理器应用广泛，技术支持较好。
嵌入式现地工作站(Embed LCU)是一个嵌入式系统。它的硬件结构与一般通用的计算机系统类似，但也有其独有的特点。嵌入式现地工作站的硬件核心是嵌入式微处理器的最小系统。最小系统由嵌入式微处理器、复位电路、电源电路和时钟电路以及程序存储器和数据存储器组成。嵌入式微处理器的最小系统可以运行固化在程序存储器中的嵌入式操作系统和应用程序。但如果要应用到实际系统中，满足系统的功能要求，还要在外部扩展一些需要的功能电路和通信接口电路。在为某粮库粮情监控系统设计的嵌入式现地工作站中，为了实现现地查询和操作的功能，扩展了键盘和LCD显示屏。为了实现和中央控制室内的监控主机进行通信，扩展了10MB以太网接口电路。为了实现对粮仓内外检测节点和控制节点进行控制和通信，扩展了CAN总线接口电路。
现地嵌入式工作站与上位机的通信采用以太网，以太网通信接口由以太网控制器CS8900A及其外围电路实现。另外68EZ328微处理器还集成了一个UART（通用异步收发模块）接口，它支持标准的异步传输协议，支持300bps～1152kbps的波特率。利用这个UART接口可以扩展出如图3所示的RS-232通信接口电路。
嵌入式现地工作站与下位机通过CAN总线通信。由于CAN总线控制器SJA1000与微处理器的接口采用的是分时复用的地址/数据总线，而嵌入式微处理器68EZ328采用的是分开的数据总线和地址总线，所以68EZ328的地址线和数据线与SJA1000的复用的地址线和数据线不能直接相连。为了解决这个问题，设计中采用PC机中的CAN总线适配卡的设计方案，即使用一个单片机系统负责收发CAN总线信号，在单片机系统和嵌入式微处理器之间采用一片双口RAM作为缓冲单元，实现嵌入式微处理器和单片机系统之间的数据传送，完成微处理器的CAN总线通信功能。CAN总线接口的系统框图如图4所示。在CAN总线控制器和CAN总线接口芯片之间，为了增强CAN总线通信的抗干扰能力，使用了2个由高速光耦6N137构成的隔离电路，光耦两侧采用DC-DC对两侧的电源进行了隔离，从而大大提高通信的可靠性和稳定性。
2.2 系统软件平台设计
嵌入式工作站的软件平台是以嵌入式Linux为核心的操作系统，它与底层的硬件进行交互，为上层应用程序提供一个执行环境。
一个最小的嵌入式Linux系统仅仅需要：(1)一个用以引导的可用工具；(2)一个具备进程管理，内存管理的Linux微内核；(3)一个初始化进程。
要使最小嵌入式系统具有实用性还需要具备：(1)各种必须的硬件驱动程序；(2)一个或几个应用进程提供最终的应用功效。随着对系统要求的增加(如连接以太网网络等)，还需要增加下列组件：一个文件系统及TCP/IP网络协议栈。本文设计的嵌入式系统包括：(1)系统引导模块，其中包括对CPU工作模式和寄存器的设置，也称片级初始化；对必须的外部设备设置并提供读写驱动，也称板级初始化。(2)Linux内核模块，改成适合MC68EZ328微处理器无内存管理的特点。(3)文件系统镜像模块，提供初始化进程的程序和应用程序。
3 结束语
本文针对粮情监控系统的特点，提出了一种基于嵌入式系统的粮情监控系统的设计方案。该方案已在中央直属某粮库中实际应用，并取得了良好的经济效益。
参考文献
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