怎樣設(shè)計(jì)一個(gè)基于ARM的燃料電池溫度監(jiān)控系統(tǒng)？

燃料電池（fuel cell）是一種新型綠色能源技術(shù)，是把燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置。燃料電池與一般干電池的不同點(diǎn)是：只要保持燃料供應(yīng)，電池就會(huì)不斷提供電能，而且電池反應(yīng)的最終產(chǎn)物是水，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成任何污染，以碳?xì)浠衔镒魅剂蠒r(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物僅增加少量二氧化碳［1］。

燃料電池電堆的溫度分布對(duì)燃料電池的安全與壽命有重要影響，尤其是在采用質(zhì)子交換膜的車用燃料電池中，溫度不僅影響到催化劑的活性，而且還直接影響到質(zhì)子交換膜的含水性，因此對(duì)其溫度的控制有很高的要求。為了在研究過程中對(duì)其溫度變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，本文基于ARM/Linux構(gòu)建了一個(gè)燃料電池溫度監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

溫控系統(tǒng)采用ARM微處理器S3C2410作為嵌入式微處理器。將經(jīng)過編譯的嵌入式Linux2.6內(nèi)核及Qt/E庫(kù)移植到ARM上，溫控系統(tǒng)的GUI控制界面運(yùn)行于LCD上。

溫控器以freescale公司MC9S12DG128B單片機(jī)為控制核心，采用熱電阻作為溫度傳感器，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬量的電信號(hào)，再經(jīng)過放大電路及壓頻變換（V/F變換）后，變?yōu)閿?shù)字量的電信號(hào)輸入控制器，實(shí)現(xiàn)控制算法。控制器輸出的PWM信號(hào)經(jīng)過光電隔離后直接控制固態(tài)繼電器，從而控制熱風(fēng)嘴加熱器對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行加熱操作，實(shí)現(xiàn)溫度控制。

Web Server單元采用移植基于Linux的Boa服務(wù)器，通過CGI（公共網(wǎng)關(guān)接口）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程用戶與系統(tǒng)間的交互。

數(shù)據(jù)庫(kù)單元采用SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)，Qt為數(shù)據(jù)庫(kù)訪問提供的QtSql模塊實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫(kù)與Qt應(yīng)用程序的無縫鏈接，同時(shí)為開發(fā)人員提供了一套與具體所用數(shù)據(jù)庫(kù)無關(guān)的調(diào)用接口。

GUI控制界面采用Qt Designer設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制界面，利用Qt的信號(hào)/槽（signals/slots）機(jī)制實(shí)現(xiàn)界面對(duì)下位機(jī)的控制。

2 各部分設(shè)計(jì)方法

本文重點(diǎn)研究監(jiān)控系統(tǒng)GUI界面、數(shù)據(jù)庫(kù)及遠(yuǎn)程監(jiān)控的設(shè)計(jì)與開發(fā)，主要詳細(xì)了介紹GUI界面、數(shù)據(jù)庫(kù)以及Web Server的設(shè)計(jì)，對(duì)于溫控器的設(shè)計(jì)本文不作重點(diǎn)介紹。

2.1 GUI界面及Qt程序設(shè)計(jì)

2.1.1 Qt的移植

本系統(tǒng)的構(gòu)建是通過編譯Qt4的庫(kù)到開發(fā)板來實(shí)現(xiàn)的，首先應(yīng)對(duì)源碼進(jìn)行配置編譯，使庫(kù)添加對(duì)底層驅(qū)動(dòng)的支持。設(shè)置環(huán)境變量如下［2］：

Export PATH= /usr/local/arm/3.3.2/bin：＄PATH

Export QTDIR=＄PWD

Export QTEDIR=＄QTDIR

Export LD_LIBRARY_PATH=＄QTDIR/lib：＄ LD_LIBRARY_PATH

配置Qt使其支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)、觸摸屏等驅(qū)動(dòng)，將編譯后的Qt目錄下的lib文件夾下的庫(kù)文件加入根文件系統(tǒng)。

為了方便用戶操作，本系統(tǒng)應(yīng)支持中文字體顯示。為此，一方面將編譯后的Qt/Embedeed的/lib/font目錄下的字體庫(kù)文件添加到根文件系統(tǒng)中，為了節(jié)省資源，可以只選擇比較常用的一兩種字體庫(kù)；另一方面由于程序中默認(rèn)的字體不支持中文，故在程序中需指定一種中文字體，方法是在程序的main函數(shù)中添加如下語句：

QTextCodec：：setCodecForTr（QTextcodec：：codecForName（‘gb18030’））；

2.1.2 程序界面開發(fā)

根據(jù)功能需求分析，設(shè)計(jì)構(gòu)建了監(jiān)控系統(tǒng)的層次化GUI界面結(jié)構(gòu)圖［3］，如圖2所示。

從圖2中可以看出，子菜單主要分成兩部分：一部分是溫控界面的主要控制菜單，其中主要包括溫度的設(shè)定、工作模式的設(shè)定、通信控制按鈕、和溫度顯示部分；另一部分主要完成歷史數(shù)據(jù)的顯示，通過選擇特定的通道和時(shí)間區(qū)間，可以在顯示區(qū)顯示溫度的變化曲線，為此需要在程序中構(gòu)建一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)文件用來存放歷史數(shù)據(jù)，這部分會(huì)在后面詳細(xì)介紹。

首先使用設(shè)計(jì)器創(chuàng)建界面的對(duì)話框，在對(duì)話框中添加組件，如：添加按鈕以調(diào)用其他類來實(shí)現(xiàn)界面的控制，添加LCDNumber控件來模擬顯示溫度，添加下拉菜單來進(jìn)行不同通道的選擇等。連接組件的SIGNAL/SLOT以響應(yīng)事件，修改控件屬性，合理調(diào)整布局。保存GUI界面為Temperature.ui，根據(jù)設(shè)計(jì)器保存的界面文件（ui文件）使用uic命令生成.h頭文件。

在Qt下，使用多重繼承的方式設(shè)計(jì)我們自己的界面類，這需要從標(biāo)準(zhǔn)的QTabWidget類和Qt設(shè)計(jì)器生成的界面類繼承，如圖3所示。

在界面類MytemperWid中，定義GUI界面所需要的槽函數(shù)，如：定義Displaynumber（）函數(shù)用于顯示接收到的數(shù)據(jù)，定義Connect_serial（）和Disconnect_serial（）分別用于連接和斷開端口，定義CreatSqliteDB（）用于創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)等。

MytemperWid類的程序片段如下：

class MytemperWid：public QTabWidget，public Ui：：Temperature

{ Q_OBJECT

public：

Mytempwid（QWidget *parent =0）；

public slots：

void Displaynumber（）； //接收并顯示溫度信息

void Connect_serial（）； //連接端口

void Disconnect_serial（）； //斷開端口

void CreatSqliteDB（）； //創(chuàng)建數(shù)據(jù)口

… …

private：

… …

}；

2.2 Web Server的設(shè)計(jì)

Boa是嵌入式 Web Server中的代表，對(duì)于Boa的移植非常簡(jiǎn)單［4］，配置好交叉編譯器后，編譯Boa源代碼，將生成的應(yīng)用程序放入根文件系統(tǒng)的/bin目錄下，接下來完成Boa的配置。

Boa需要在/etc目錄下建立一個(gè)boa目錄，里面放入Boa的主要配置文件boa.conf。在Boa源碼目錄下已有一個(gè)示例boa.conf，可以在其基礎(chǔ)上進(jìn)行修改。首先修改Group為User，修改User為boa，要根據(jù)自己開發(fā)板的情況設(shè)定，一定要是存在的用戶和組。設(shè)置ServerName可以為想要的任何名字，接下來，從Linux主機(jī)的/etc目錄下將mine.types文件復(fù)制到文件系統(tǒng)/etc目錄下。最后，創(chuàng)建日志文件所需的目錄/var/log/boa，HTML文檔的主目錄/var/www，CGI腳本所在目錄/var/www/cgi-bin。

配置工作完成以后，設(shè)定開發(fā)板的ip與主機(jī)在同一網(wǎng)段，運(yùn)行boa，即可開啟boa服務(wù)器，將靜態(tài)網(wǎng)頁(yè)放入/var/www目錄下，在瀏覽器中輸入開發(fā)板ip即可看到網(wǎng)頁(yè)運(yùn)行，對(duì)于動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)，要編寫相應(yīng)的CGI程序，編譯后放入/var/www/cgi-bin目錄。

CGI是Web服務(wù)器與你的或其他機(jī)器上的http程序進(jìn)行“交談”的一種工具，其程序需運(yùn)行在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上。在本設(shè)計(jì)中，ARM板通過串口與下位機(jī)進(jìn)行通信，遠(yuǎn)程PC無法直接與下位機(jī)進(jìn)行通信，所以采用數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)單元，在數(shù)據(jù)庫(kù)中建立兩個(gè)字段，一個(gè)字段用于存放數(shù)據(jù)信息，另一字段存放控制信息。如圖1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖所示，下位機(jī)的數(shù)據(jù)信息通過串口發(fā)往ARM，將這些信息在LCD上顯示，同時(shí)經(jīng)這些信息保存在數(shù)據(jù)字段中，CGI程序讀取并處理數(shù)據(jù)字段信息后，將這些信息顯示在遠(yuǎn)程PC的瀏覽器上；另一方面，PC端的控制信息，經(jīng)CGI編碼后存放于數(shù)據(jù)庫(kù)的控制字段中，Qt程序檢查控制字段，根據(jù)這些控制信息改變程序運(yùn)行狀態(tài)。

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)

SQLite是一款輕型的數(shù)據(jù)庫(kù)，它的設(shè)計(jì)目標(biāo)是嵌入式，占用資源低、能夠支持Windows/Linux/Unix等主流的操作系統(tǒng)，與Mysql、PostgreSQL這兩款開源世界著名的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)相比，它的處理速度快［5］。Qt的QtSql模塊由三部分組成，分別是驅(qū)動(dòng)層、SQL接口層、用戶接口層。QtSql模塊為不同層次的用戶提供了豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)操作類。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)操作前，必須首先建立與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接。QtSql模塊使用驅(qū)動(dòng)插件與不同數(shù)據(jù)庫(kù)接口通信，目前Qt4支持幾乎所有主流數(shù)據(jù)庫(kù)。在配置Qt時(shí)，選擇將SQLite驅(qū)動(dòng)內(nèi)置于Qt中或者編譯成插件。在使用QtSql模塊時(shí)，需要對(duì)工程進(jìn)行配置：在頭文件中加入語句#include；在工程的.pro文件中加入Qt+=sql。經(jīng)配置后，在Qt應(yīng)用程序中就可以連接并使用SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)了。在Qt中建立數(shù)據(jù)庫(kù)連接的方法是：

QSqlDatabase db=QSqldatabase：：addDatabase（‘QSQ-LITE’）；

根據(jù)本系統(tǒng)的要求，要監(jiān)控8個(gè)通道的溫度數(shù)據(jù)，能根據(jù)這些數(shù)據(jù)繪制歷史曲線，所以數(shù)據(jù)庫(kù)要包含一個(gè)時(shí)間字段和八個(gè)溫度值字段，同時(shí)還要一個(gè)數(shù)值字段和一個(gè)控制字字段用于與遠(yuǎn)程PC的通信，在Qt程序中可以使用如下語句建立數(shù)據(jù)庫(kù)：

QSqlQuery q；

q.exec（‘CREATE TABLE temperature （datetime DOUBLE，’‘channel1 DOUBLE，’‘channel2 DOUBLE，’‘channel3 DOUBLE，’‘channel4 DOUBLE，’‘channel5 DOUBLE，’‘channel6 DOUBLE，’‘channel7 DOUBLE，’‘channel8 DOUBLE，’‘webdate DOUBLE，’‘webcontrol DOUBLE）’）；

建立數(shù)據(jù)庫(kù)后，就可以使用INSERT、DELETE等SQL語句對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行插入、刪除等操作了。

3 運(yùn)行實(shí)例

根據(jù)上文所提出的技術(shù)方案和Qt/E程序設(shè)計(jì)思想，在S3C2410ARM處理器上完成了系統(tǒng)的開發(fā)，系統(tǒng)運(yùn)行界面截圖如圖4所示。

選則好通道和時(shí)間區(qū)間，可以查看各通道不同時(shí)間段內(nèi)的歷史曲線圖，如圖5所示。

在開發(fā)板上運(yùn)行Boa服務(wù)器，設(shè)置開發(fā)板ip為192.168.1.100，在遠(yuǎn)程PC上打開瀏覽器，輸入“http：//192.168.1.100/cgi-bin/temperature”，則可在瀏覽器上監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行，如圖6所示。

根據(jù)燃料電池開發(fā)過程中對(duì)溫度監(jiān)控的需要設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)及GUI界面，本文詳細(xì)介紹了整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)各部分的開發(fā)流程，基于Qt/E類庫(kù)，設(shè)計(jì)了監(jiān)控系統(tǒng)的GUI及程序結(jié)構(gòu)。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，所提出的設(shè)計(jì)方法能夠滿足應(yīng)用的需要。

本設(shè)計(jì)與初步應(yīng)用表明，采用Qt/Embedded作為開發(fā)圖形界面工具，利用其結(jié)構(gòu)清晰的特點(diǎn)和跨平臺(tái)性，能有效縮短項(xiàng)目的開發(fā)周期，提高程序代碼的重用率，是開發(fā)嵌入式系統(tǒng)GUI界面的有效工具。