MXT?RTOS51實時系統(tǒng)在無菌均質器中的應用

　　引言

　　隨著生物遺傳工程對儀器設備的操控性日趨提高，監(jiān)控系統(tǒng)變得越來越復雜。在以單片機為主控MCU的嵌入式方案中，面對各種傳感器的信號前處理和末端控制設備，往往通過擴展大量外圍器件來滿足電路設計。在單片機軟件方面，傳統(tǒng)開發(fā)方式形成的前后臺方式的軟件，穩(wěn)定性差和軟件維護困難的缺點早已成為業(yè)內共識，尤其在實時性和可靠性要求較高的生物電子設備中，應用這類方法開發(fā)的軟件常受到用戶的質疑。

　　無菌均質器又稱拍打式勻漿器，是通過拍擊板反復拍打置于均質袋內的動植物組織等生物樣品，使之達到樣品的均質化處理，是遺傳、醫(yī)藥和生物工程中的重要的樣品前處理設備。無菌均質器運行中需要對拍擊速率、持續(xù)時間以及樣品室溫度等多項參數(shù)進行實時監(jiān)控。

　　本文涉及某生物儀器公司的無菌均質器升級換代的技術問題，企業(yè)希望從產品設計上解決舊款產品硬件龐雜、軟件維護困難以及由軟硬件綜合因素引起的可靠性問題。如何選擇高集成度的SoC替代原有的標準單片機、選擇匹配良好的實時系統(tǒng)替代舊款的前后臺方式的控制軟件將成為本次技術升級的關鍵。

　　MXT•ROTS51多任務實時系統(tǒng)簡介

　　MXT•RTOS51是為時代民芯MXT8051單片機量身定制的嵌入式多任務實時操作系統(tǒng)，充分發(fā)揮了MXT8051豐富的片上資源優(yōu)勢，具有面向目標板、提供主程序模板等特點。MXT•RTOS實時系統(tǒng)特有的板級支持包BSP，對MXT8051片上資源和目標板上資源的支持，使用戶任務的開發(fā)實現(xiàn)了與硬件的無關性，為嵌入式產品日后的升級、軟件維護帶來了極大的便捷。在基于MXT•RTOS51平臺上進行無菌均質器監(jiān)控軟件的開發(fā)，成為了本次技術升級的首選方案。

　　無菌均質器的監(jiān)控任務

　　無菌均質器工作機理

　　無菌均質器通過作往復運動的拍擊板，以一定的速率持續(xù)拍擊裝在樣品袋中的生物試樣，最終達到樣品與溶劑均質的目的。拍擊板由直流電機、減速機構和雙曲柄滑桿機構帶動，拍擊速率由電機轉速決定。

　　無菌均質器監(jiān)控系統(tǒng)要求

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

　　a)電機速度能分級可調;

　　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、時間以及顯示運行狀態(tài)的人機交互功能;

　　d)設置安全保護機制(如拍打室門未緊閉、樣品袋破裂等異常急停)。

　　e)基本參數(shù)：

　　時間：30、180、600秒或∞(按四檔分設)

　　拍擊速度：3.6-12.0次/秒(高、中、低三檔分設)

　　工作室溫度顯示：0.0～99.9℃

　　監(jiān)控系統(tǒng)的硬件框架

　　由均質器的工作機理可知：首先，為滿足拍擊速率可調，控制系統(tǒng)必須對直流電機實施調速，時下脈寬調速技術已經(jīng)很成熟，現(xiàn)有的電機功率模塊只要輸入一定頻率、脈寬可調的信號，就可以平滑地對直流電機進行大調速比的轉速調整;第二是對樣品室的溫度監(jiān)控要求，需要一個模擬量處理模塊，由溫度傳感器輸出的模擬量送AD轉換后實施;第三是定時器，要求有倒計時和累計計時兩種工作模式;第四是必要的安全機制，需要通過I/O的邏輯控制來實現(xiàn);最后，作為監(jiān)控器必須有鍵盤和顯示器組成人機交互界面。

　　據(jù)此，硬件設計采用MXT8051單片機為主控芯片。片上PWM模塊為電機調速電路提供脈寬調制信號;片上PGA與外接晶體管PN結一起構成測溫電橋，給PN結提供恒流源的也是片上運放OP和參考電壓基準;專用LCD屏和8個鍵構成人機對話界面，片上LCD driver完成對液晶屏的驅動。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)控器對模擬和數(shù)字方面控制功能繁復，但外圍電路設計仍十分簡潔。