第一章 绪 论
1.1 研究背景与意义
1.1.1 研究背景
从上世纪 80 年代中期开始，尤其是 90 年代，伴随着国家农业结构宏观调控的步伐，全国的蔬菜种植和生产规模逐步扩大。据相关统计数据显示，2015 年全国的蔬菜种植面积达到 2.81 亿亩，总产量达到 7.69 亿吨，蔬菜的种植面积以及产量都处于世界的前列[1]。蔬菜产业的蓬勃发展在增加农民收入、解决城乡居民就业以及平衡农产品国际贸易等多个方面都发挥着重大的作用。但是，我国的蔬菜产业与发达国家相比，仍然存在着明显的差距，特别是在蔬菜精（深）加工领域，全国的蔬菜精（深）加工率不到 10%，而发达国家的蔬菜精（深）加工率高达 40%[1]。泡菜作为蔬菜精（深）加工的一种产品，拥有悠久的历史，是世界上最早的发酵食品之一。泡菜作为一种乳酸菌发酵食品，不仅风味优雅、营养丰富，而且可以调节人体肠胃功能，促进人体对维生素 D 和钙磷等微量元素的吸收[2,3]。我国的泡菜以四川泡菜为代表，其享有“世界泡菜看中国，中国泡菜看四川”的美誉[4]。近几十年来，在四川省委、省政府的大力扶持以及众多企业和科研人员的共同努力下，四川泡菜在生产规模以及加工技术水平等多个方面都取得了长足的发展，已经成为了四川食品工业的支柱产业之一，为推动地方经济发展、促进农民增收做出了突出的贡献。2015 年四川泡菜年产量达 330 万吨以上，年产值 277 亿元，同比 2014 年，产量增加近 21 万吨，产值增加近 17 亿元，增幅分别达到 6.45%和6.63%[1]。此外，四川省政府已连续多年举办了大型泡菜推介会与宣传活动，在刚刚过去的第七届中国泡菜展销会上，四川泡菜产业创造了多个全国第一，如四川泡菜代表眉山市成为全国第一个泡菜产业年销售收入突破百亿元的城市、拥有全国第一个国家级泡菜质量安检中心以及颁布了全国第一个泡菜行业标准等[1]。目前，四川泡菜产业的科技创新能力以及生产加工水平均已居于全国领先水平。虽然，我省在泡菜生产与加工技术方面取得了不错的成绩，但是，随着产业的发展，四川泡菜产业的诸多问题也暴露出来。一是我省泡菜现有的产品具有一定的局限性，以适应国内消费者为主，能够满足国际市场多样化产品需求的研发能力不足[1]；二是泡菜产品的同质化现象严重、低端泡菜产品竞争激烈、精细化研究程度不够以及工艺本身较为粗放；三是泡菜生产多以人力为主，自动化水平不高、产能不足。这些问题已经成为制约我省泡菜产业发展的重要瓶颈。为了突破产业发展的瓶颈，四川泡菜生产企业研制了以活性乳酸菌泡菜为代表的发酵型泡菜，其不仅延续了传统四川泡菜风味，而且还具备了低盐、营养丰富以及发酵时间短等众多优点。然而，发酵型泡菜因其特有的“母水+陶坛”家庭式自然发酵工艺，在生产上难以实现规模化、标准化，且容易受到自然发酵条件如温度、盐度以及溶解氧等的影响，导致产品质量不稳定。因此，尽管相关研发机构已经研制了乳酸菌发酵泡菜系列的多个样品并掌握了菌种的生产技术，但相应的产品一直没大规模地供应市场。
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1.2 国内外发展状况
在工业自动化发酵生产方面，相对而言，国外的自动化发酵生产设备以及技术是领先于国内的。这有其特殊的历史原因，在发酵生产技术进步的历程中，特别是在计算机技术与传统生产技术相互融合的时期，国内在相关领域前进的步伐远滞后国外[5]。国外对自动化发酵生产技术的研究十分重视，以当今世界另一个泡菜生产大国——韩国为例，无论是在人才培养还是设备研发方面，韩国政府以及企业都投入了大量的人力和物力。早年间，韩国清川大学就已经开设了泡菜专业，为韩国的泡菜产业的发展和升级培养了大批专业人才，他们对泡菜制作工艺以及风味的研究不仅造就了当前畅销各国的韩国泡菜，同时也为泡菜的自动化发酵生产技术打下了坚实基础[6]。在工业自动化发酵生产方面，韩国研发了大量的智能控制发酵系统，如韩国百特伦公司研发的 LiFlus SP 发酵系统，其 PH 控制精度可达到 0.01，温度控制精度可到达 0.1 C[1]。毫无疑问，这类自动化发酵系统，能减少人为因素对泡菜质量的影响，提高泡菜生产的自动化水平，同时也增加了企业的经济效益以及核心竞争力。此外，国外在检测设备方面也是相对领先，研制了多种类型的高精度传感器，如检测 PH 值、温度、压力、溶解氧以及某些酶的浓度等的传感器。在制造水平方面，国外的机械制造的精度上也相对优于国内。
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第二章 嵌入式系统与专家系统理论研究
该系统不同于一般的嵌入式系统设计，这其中涉及对直投式乳酸菌泡菜发酵过程专家知识及经验的提取与应用。因此，要实现该系统，必须要首先深入研究嵌入式系统与专家系统相关理论知识。本章将着力于相关理论的研究，并在此基础上提出新的设计方法。
2.1 嵌入式系统基础理论
嵌入式系统本质上讲是一种嵌入到目标对象中的计算机系统。由此可见，嵌入式系统是一种特殊类型的计算机系统，是半导体、计算机、通信、微电子、图像及语音数据传输等技术，乃至传感器等先进技术和具体应用对象相融合后的更新换代产品[8,9]。在很多参考资料的论述中，普遍对嵌入式系统做了如下定义：嵌入式系统是以应用为核心，以计算机技术为基础，并且软硬件是可裁剪的，适用于对可靠性、功能、体积、成本以及功耗等有严格要求的专用计算机系统[9]。以上定义说明了嵌入式系统首先是一个计算机系统，它具有计算机系统的一般组成结构；其次指明了嵌入式系统与通用计算机系统在功能上的一些差异，嵌入式系统是为面向具体应用而专门设计的；最后指出了嵌入式系统在实现功能、系统可靠性、硬件体积、生产成本以及系统运行功耗等方面都有着比较严格的要求。从嵌入式系统的定义可以看出，人们日常生活中所广泛使用的手机、平板电脑以及电视机顶盒等都是嵌入式设备。此外，智能家电、车载 GPS 系统、机器人等也都是嵌入式系统。嵌入式系统已经广泛地应用在人们的生活中。
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2.2 嵌入式系统设计过程
嵌入式系统是应用于专用领域的专用计算机系统，其设计方法与通用系统的设计有所不同。虽然，不同应用领域的嵌入式系统实现方式会有所不同，但是从嵌入式系统的共性方面看，其设计过程大体上相同，主要涉及软件和硬件两个部分，其总体设计过程主要包含以下五个设计子过程，如图 2-3 所示。系统需求分析即产品的定义。在系统需求分析过程，开发人员需要以项目需求为依据去确定设计目标和设计任务，并且对项目需求进行深入地分析，以合适的粒度对项目需求进行划分，抽象出系统所需完成的功能。除此之外，开发人员还需要对系统性能、功耗、开发成本、设备尺寸及重量等内容进行设定。最后，制定出设计说明书。嵌入式系统设计包含软硬件两个方面的设计。因此，开发人员需要在体系结构设计子过程中，对所需功能的实现进行描述，这包括对软件、硬件以及执行装置进行功能划分，同时对软硬件的组成以及所需设备进行选型。在设计嵌入式系统过程中，一般很难将系统的软件与硬件完全剥离开来。所以，在设计系统体系架构时，可以将系统的软件结构作为优先考虑的对象，然后再进一步规划系统的硬件实现。事实上，系统软硬件的划分并不是一蹴而就的。软硬件开发人员在对软硬件进行初步划分后，会对系统软硬件分别建模，随着建模的深入，开发人员会对系统设计约束有更深入的了解，在这个过程中，开发人员可以不断对模型进行优化并调整系统的软硬件划分界限，最终实现最切合设计要求的软硬件划分。
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第三章 直投式乳酸菌泡菜发酵嵌入式系统方案设计.......... 17
3.1 系统需求分析 ........ 17
3.1.1 设计目标 ...... 17
3.1.2 系统功能需求 ....... 17
3.1.3 系统性能要求 ....... 18
3.2 系统方案设计 ........ 18
3.2.1 机械系统设计方案 ........ 19
3.2.2 嵌入式系统硬件设计方案 ..... 27
3.2.3 嵌入式系统软件设计方案 ..... 31
3.3 本章小结 ....... 33
第四章 专家系统思想在系统设计中的应用........ 34
4.1 综合数据库的应用 ......... 34
4.2 知识库的应用 ........ 36
4.3 推理机的应用 ........ 38
4.4 本章小结 ....... 40
第五章 直投式乳酸菌泡菜发酵嵌入式系统的实现..... 41
5.1 系统硬件的实现 .... 41
5.2 系统软件实现 ........ 48
5.3 系统调试 ....... 69
5.4 本章小结 ....... 72
第五章 直投式乳酸菌泡菜发酵嵌入式系统的实现
前面几章分别对嵌入式系统和专家系统理论基础、专家系统思想及其应用等方面进行了深入地研究。本章在这些理论基础上完成了系统嵌入式硬件和嵌入式软件的实现工作。现场控制器以及系统控制软件作为该系统的核心部分，它们协作完成直投式乳酸菌泡菜发酵的所有业务逻辑。两者的合理实现决定了系统的稳定性、可靠性以及高效性。下面将分别对系统软硬件的具体实现予以详细阐述。
5.1 系统硬件的实现
主控芯片作为整个控制器乃至系统的大脑，接收并处理来自系统的各路信号以及人机交互端发送的命令。主控芯片的选择在很大程度上决定了系统性能的优劣。根据该系统对现场控制器的各项功能要求，最终选用了英飞凌公司的XMC4500作为现场控制器的主控芯片。XMC4500 芯片以 ARM Cortex-M4 作为核心处理器，具有良好的可扩展性以及功能强大的片上外设子系统和片上存储单元[34]。下面将分别对 XMC4500 的主要特性进行阐述。CPU 内核选用了高性能的 32 位 ARM Cortex-M 内核，支持 16 位和 32 位Thumb2 指令集、DSP/MAC 指令以及操作系统的系统定时器，其处理能力可达150DMIPS。此外，CPU 子系统还包括了浮点单元、内存保护单元、事件请求单元、嵌套向量中断控制器、灵活的 CRC 引擎以及两个多达 12 个传输通道的 DMA。它在浮点数运算、中断响应、内外部服务请求处理以及多比特位错误检测等多个方面都有着良好的表现。模拟前端外设包括四个独立的模数转换器（VADC），每个 VADC 都支持 8 位、10 位、12 位的分辨率以及 8 个模拟输入通道，并且每个通道都配备了一个可以进行过压检测的输入超限比较器；用于转换模数（A/D）信号的数字信号输入部分的四通道Delta Sigma解调器；两个支持12位分辨率以及双通道的数模转换器（DAC）。
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总结
本文通过对直投式乳酸菌泡菜发酵工艺、嵌入式系统理论以及专家系统理论的研究，基于 XMC4500 设计并实现了一套自动化程度高、功能完善的直投式乳酸菌泡菜发酵嵌入式系统。在硬件层面上，采用了模块化和柔性设计思想，根据系统功能需求对硬件进行模块划分，并在个别模块电路设计中，设计了柔性电路，方便系统硬件的扩展。此外在机械系统方案设计中，创新性地提出了负压进料以及正压出料方法；在软件层面上，遵循了模块编程的思想，在 CMSIS-RTOS 实时操作系统上，进行了动态多线程的设计，并设计了人机交互界面和通信协议。通过软硬件的协同设计，该控制系统展现了产品质量稳定、可靠性高、响应速度快以及用户体验效果好等特点，并且兼备了较好的可扩展性。总结起来，本文主要完成的工作有：
（1）研究了嵌入式系统和专家系统相关基础理论，以及直投式乳酸菌泡菜发酵工艺，在以上研究的基础上提出了基于专家思想的嵌入式系统设计方法，并以此方法指导系统的程序设计。
（2）研究并分析了系统需求，完成了系统的方案设计。在机械系统方案设计，创新性地提出了负压进料、正压进料的方法并完成了相关实验，同时完成了各部分管路的设计。
（3）研究并实现了该系统硬件电路的设计，针对现场工作环境的复杂的电磁干扰问题，设计了带光耦隔离的输入输出控制电路，以及高精度的信号采集电路。
（4）研究并实现了该系统软件的设计。首先，在分析系统基本功能的基础上，完成了系统驱动接口函数的设计；然后，根据用户操作需求，完成了人机交互界面和通信协议的设计；最后，在深入理解 CMSIS-RTOS 和发酵工艺的基础上，完成了系统的任务划分，并调用驱动接口函数完成了动态多线程的设计。
（5）完成了模拟调试平台的搭建，对该系统进行了模拟调试，并进一步进行了现场调试以及试运行生产。
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参考文献（略）