MXT?RTOS51實(shí)時(shí)系統在無(wú)菌均質(zhì)器中的應用

　　引言

　　隨著(zhù)生物遺傳工程對儀器設備的操控性日趨提高，監控系統變得越來(lái)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(guò)擴展大量外圍器件來(lái)滿(mǎn)足電路設計。在單片機軟件方面，傳統開(kāi)發(fā)方式形成的前后臺方式的軟件，穩定性差和軟件維護困難的缺點(diǎn)早已成為業(yè)內共識，尤其在實(shí)時(shí)性和可靠性要求較高的生物電子設備中，應用這類(lèi)方法開(kāi)發(fā)的軟件常受到用戶(hù)的質(zhì)疑。

　　無(wú)菌均質(zhì)器又稱(chēng)拍打式勻漿器，是通過(guò)拍擊板反復拍打置于均質(zhì)袋內的動(dòng)植物組織等生物樣品，使之達到樣品的均質(zhì)化處理，是遺傳、醫藥和生物工程中的重要的樣品前處理設備。無(wú)菌均質(zhì)器運行中需要對拍擊速率、持續時(shí)間以及樣品室溫度等多項參數進(jìn)行實(shí)時(shí)監控。

　　本文涉及某生物儀器公司的無(wú)菌均質(zhì)器升級換代的技術(shù)問(wèn)題，企業(yè)希望從產(chǎn)品設計上解決舊款產(chǎn)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(wèn)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(shí)時(shí)系統替代舊款的前后臺方式的控制軟件將成為本次技術(shù)升級的關(guān)鍵。

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

　　MXT•RTOS51是為時(shí)代民芯MXT8051單片機量身定制的嵌入式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統，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(diǎn)。MXT•RTOS實(shí)時(shí)系統特有的板級支持包BSP，對MXT8051片上資源和目標板上資源的支持，使用戶(hù)任務(wù)的開(kāi)發(fā)實(shí)現了與硬件的無(wú)關(guān)性，為嵌入式產(chǎn)品日后的升級、軟件維護帶來(lái)了極大的便捷。在基于MXT•RTOS51平臺上進(jìn)行無(wú)菌均質(zhì)器監控軟件的開(kāi)發(fā)，成為了本次技術(shù)升級的首選方案。

　　無(wú)菌均質(zhì)器的監控任務(wù)

　　無(wú)菌均質(zhì)器工作機理

　　無(wú)菌均質(zhì)器通過(guò)作往復運動(dòng)的拍擊板，以一定的速率持續拍擊裝在樣品袋中的生物試樣，最終達到樣品與溶劑均質(zhì)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(dòng)，拍擊速率由電機轉速決定。

　　無(wú)菌均質(zhì)器監控系統要求

　　為達到最佳的均質(zhì)要求，要求監控系統具備以下功能：

　　a)電機速度能分級可調;

　　b)配置樣品室的溫度采集、顯示(或監控)功能;

　　c)有選擇速率、時(shí)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(mén)未緊閉、樣品袋破裂等異常急停)。

　　e)基本參數：

　　時(shí)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℃

　　監控系統的硬件框架

　　由均質(zhì)器的工作機理可知：首先，為滿(mǎn)足拍擊速率可調，控制系統必須對直流電機實(shí)施調速，時(shí)下脈寬調速技術(shù)已經(jīng)很成熟，現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(jìn)行大調速比的轉速調整;第二是對樣品室的溫度監控要求，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轉換后實(shí)施;第三是定時(shí)器，要求有倒計時(shí)和累計計時(shí)兩種工作模式;第四是必要的安全機制，需要通過(guò)I/O的邏輯控制來(lái)實(shí)現;最后，作為監控器必須有鍵盤(pán)和顯示器組成人機交互界面。

　　據此，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(zhuān)用LCD屏和8個(gè)鍵構成人機對話(huà)界面，片上LCD driver完成對液晶屏的驅動(dòng)。全部器件布局在一塊9.5㎝×12.8㎝的雙面板上(見(jiàn)圖1)。由于MXT8051片上資源的保障，盡管本監控器對模擬和數字方面控制功能繁復，但外圍電路設計仍十分簡(jiǎn)潔。