MXT?RTOS51實(shí)時(shí)系統(tǒng)在無(wú)菌均質(zhì)器中的應(yīng)用

　　引言

　　隨著生物遺傳工程對(duì)儀器設(shè)備的操控性日趨提高，監(jiān)控系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜。在以單片機(jī)為主控MCU的嵌入式方案中，面對(duì)各種傳感器的信號(hào)前處理和末端控制設(shè)備，往往通過(guò)擴(kuò)展大量外圍器件來(lái)滿足電路設(shè)計(jì)。在單片機(jī)軟件方面，傳統(tǒng)開發(fā)方式形成的前后臺(tái)方式的軟件，穩(wěn)定性差和軟件維護(hù)困難的缺點(diǎn)早已成為業(yè)內(nèi)共識(shí)，尤其在實(shí)時(shí)性和可靠性要求較高的生物電子設(shè)備中，應(yīng)用這類方法開發(fā)的軟件常受到用戶的質(zhì)疑。

　　無(wú)菌均質(zhì)器又稱拍打式勻漿器，是通過(guò)拍擊板反復(fù)拍打置于均質(zhì)袋內(nèi)的動(dòng)植物組織等生物樣品，使之達(dá)到樣品的均質(zhì)化處理，是遺傳、醫(yī)藥和生物工程中的重要的樣品前處理設(shè)備。無(wú)菌均質(zhì)器運(yùn)行中需要對(duì)拍擊速率、持續(xù)時(shí)間以及樣品室溫度等多項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

　　本文涉及某生物儀器公司的無(wú)菌均質(zhì)器升級(jí)換代的技術(shù)問(wèn)題，企業(yè)希望從產(chǎn)品設(shè)計(jì)上解決舊款產(chǎn)品硬件龐雜、軟件維護(hù)困難以及由軟硬件綜合因素引起的可靠性問(wèn)題。如何選擇高集成度的SoC替代原有的標(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)、選擇匹配良好的實(shí)時(shí)系統(tǒng)替代舊款的前后臺(tái)方式的控制軟件將成為本次技術(shù)升級(jí)的關(guān)鍵。

　　MXT•ROTS51多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

　　MXT•RTOS51是為時(shí)代民芯MXT8051單片機(jī)量身定制的嵌入式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，充分發(fā)揮了MXT8051豐富的片上資源優(yōu)勢(shì)，具有面向目標(biāo)板、提供主程序模板等特點(diǎn)。MXT•RTOS實(shí)時(shí)系統(tǒng)特有的板級(jí)支持包BSP，對(duì)MXT8051片上資源和目標(biāo)板上資源的支持，使用戶任務(wù)的開發(fā)實(shí)現(xiàn)了與硬件的無(wú)關(guān)性，為嵌入式產(chǎn)品日后的升級(jí)、軟件維護(hù)帶來(lái)了極大的便捷。在基于MXT•RTOS51平臺(tái)上進(jìn)行無(wú)菌均質(zhì)器監(jiān)控軟件的開發(fā)，成為了本次技術(shù)升級(jí)的首選方案。

　　無(wú)菌均質(zhì)器的監(jiān)控任務(wù)

　　無(wú)菌均質(zhì)器工作機(jī)理

　　無(wú)菌均質(zhì)器通過(guò)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的拍擊板，以一定的速率持續(xù)拍擊裝在樣品袋中的生物試樣，最終達(dá)到樣品與溶劑均質(zhì)的目的。拍擊板由直流電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)和雙曲柄滑桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，拍擊速率由電機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。

　　無(wú)菌均質(zhì)器監(jiān)控系統(tǒng)要求

　　為達(dá)到最佳的均質(zhì)要求，要求監(jiān)控系統(tǒng)具備以下功能：

　　a)電機(jī)速度能分級(jí)可調(diào);

　　b)配置樣品室的溫度采集、顯示(或監(jiān)控)功能;

　　c)有選擇速率、時(shí)間以及顯示運(yùn)行狀態(tài)的人機(jī)交互功能;

　　d)設(shè)置安全保護(hù)機(jī)制(如拍打室門未緊閉、樣品袋破裂等異常急停)。

　　e)基本參數(shù)：

　　時(shí)間：30、180、600秒或∞(按四檔分設(shè))

　　拍擊速度：3.6-12.0次/秒(高、中、低三檔分設(shè))

　　工作室溫度顯示：0.0～99.9℃

　　監(jiān)控系統(tǒng)的硬件框架

　　由均質(zhì)器的工作機(jī)理可知：首先，為滿足拍擊速率可調(diào)，控制系統(tǒng)必須對(duì)直流電機(jī)實(shí)施調(diào)速，時(shí)下脈寬調(diào)速技術(shù)已經(jīng)很成熟，現(xiàn)有的電機(jī)功率模塊只要輸入一定頻率、脈寬可調(diào)的信號(hào)，就可以平滑地對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行大調(diào)速比的轉(zhuǎn)速調(diào)整;第二是對(duì)樣品室的溫度監(jiān)控要求，需要一個(gè)模擬量處理模塊，由溫度傳感器輸出的模擬量送AD轉(zhuǎn)換后實(shí)施;第三是定時(shí)器，要求有倒計(jì)時(shí)和累計(jì)計(jì)時(shí)兩種工作模式;第四是必要的安全機(jī)制，需要通過(guò)I/O的邏輯控制來(lái)實(shí)現(xiàn);最后，作為監(jiān)控器必須有鍵盤和顯示器組成人機(jī)交互界面。

　　據(jù)此，硬件設(shè)計(jì)采用MXT8051單片機(jī)為主控芯片。片上PWM模塊為電機(jī)調(diào)速電路提供脈寬調(diào)制信號(hào);片上PGA與外接晶體管PN結(jié)一起構(gòu)成測(cè)溫電橋，給PN結(jié)提供恒流源的也是片上運(yùn)放OP和參考電壓基準(zhǔn);專用LCD屏和8個(gè)鍵構(gòu)成人機(jī)對(duì)話界面，片上LCD driver完成對(duì)液晶屏的驅(qū)動(dòng)。全部器件布局在一塊9.5㎝×12.8㎝的雙面板上(見圖1)。由于MXT8051片上資源的保障，盡管本監(jiān)控器對(duì)模擬和數(shù)字方面控制功能繁復(fù)，但外圍電路設(shè)計(jì)仍十分簡(jiǎn)潔。