航天醫用冷藏設備監測系統的設計

摘要：為了滿(mǎn)足航天醫用冷藏設備監測系統的技術(shù)要求，研發(fā)了集數據采集、顯示、監控為一體的監測系統。本文主要從硬件、軟件兩個(gè)方面對其進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：醫用冷藏設備；數據采集；監測系統。

引言

　　航天醫用冷藏設備主要用于儲存血液、試劑、疫苗等醫學(xué)樣品，是在特殊條件下對醫學(xué)樣品進(jìn)行存儲研究的冷藏設備。為了保證冷藏設備具備高的可靠性、穩定性，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要進(jìn)行全面的實(shí)驗測試，這就需要一種相匹配的監測儀器對影響其可靠性、穩定性的參數進(jìn)行實(shí)時(shí)監測、分析，進(jìn)而提高冷藏設備的性能，最終使其滿(mǎn)足在極特殊的條件下工作。

　　目前，醫用冷藏設備在國內外有廣泛的研究，而在航空航天領(lǐng)域的研發(fā)在國內外屬于領(lǐng)先技術(shù)，為保證達到嚴格的制冷保溫指標要求，在結構設計、板材選取等方面需特殊處理，才能保證冷藏設備在特殊條件下穩定可靠的運行。相匹配的監測系統主要針對工作電源和溫度這兩個(gè)重要的控制指標進(jìn)行準確可靠的監測。

系統硬件設計

　　航天醫用冷藏設備監測系統硬件關(guān)鍵部分是信號檢測裝置，包括模擬量信號測量電路、電源系統和串口通訊。其中電源系統采用經(jīng)典電路實(shí)現，本文不作詳細敘述。監測系統的硬件設計過(guò)程中采用冗余技術(shù)、單點(diǎn)雙線(xiàn)、光耦隔離等抗干擾技術(shù)，增加了系統數據采集的準確性和可靠性。監測系統原理框圖如圖1所示。

圖1 監測系統框圖

模擬量信號測量電路

　　以AT89C52單片機為核心，外置看門(mén)狗X5045和一片11.0592MHz晶振構成最小單片機系統，AT89C52是整個(gè)系統的控制核心，內帶8KB的Flash ROM，用戶(hù)程序存放于此。測溫單元采用Pt100鉑電阻傳感器（測溫范圍-50~+100℃），配套線(xiàn)性化輸出0~5V標準信號的溫度變送器，誤差為0.06℃，構成單線(xiàn)式溫度采集網(wǎng)絡(luò )。為了提高精度，選用12bit的串行A/D轉換器TLC2543，應用單片機I/O口的雙向傳輸數據的功能，將P1.0~P1.3口與TLC2543的4根控制線(xiàn)CS、OUT、IN、SCK相連接，實(shí)現對TLC2543進(jìn)行讀取和寫(xiě)入操作。將溫度變送器輸出接入TLC2543的模擬輸入通道即可。由于A(yíng)T89C52單片機沒(méi)有SPI接口，需要用軟件實(shí)現SPI的功能，對TLC2543操作的關(guān)鍵是理清接口時(shí)序圖和寄存器的使用方式。系統程序利用Xeltek公司的基于USB口的通用編輯器Superpro3000U下載到AT89C52芯片中，實(shí)現系統固件編程。溫度采集電路如圖2所示。

　　電源信號的測量包括采集電路和顯示模塊兩部分，裝置電路圖如圖2所示。檢測供電電源的電壓采用分壓電路實(shí)現，小電阻4.3KΩ兩端接上一個(gè)5.6V穩壓管以保護單片機系統；檢測工作電流應用運算放大器LM358將采樣電壓放大為標準信號，如圖3所示。然后將電壓、電流檢測電路輸出接入TLC2543的AIN0，AIN1接口，完成對電源信號的采集。顯示模塊由2個(gè)四位一體的共陰極數碼管和1片LED串行共陰極驅動(dòng)器MAX7219構成。MAX7219的3根控制線(xiàn)DIN, LOAD, CLK與單片機AT89C52的P1.5~P1.7相連，數碼管的段選信號線(xiàn)a-dp分別和MAX7219對應的SegA~SegDP相連，其中一組數碼管LED1的4根位選信號線(xiàn)和MAX7219的位驅動(dòng)線(xiàn)Dig0~Dig3相連接，另一組LED2的位選信號與Dig4~Dig7相連。LED1顯示系統供電電壓，LED2顯示工作電流。固件程序分為信號采集和數據顯示兩部分，系統工作是在程序控制下，完成對模擬信號的采集和電源信號的顯示。  

圖2  數據采集、顯示電路

圖3  電流采集電路

串口通訊

　　由于RS-232串行通信標準接口使用方便、接線(xiàn)少而且傳輸距離可達到15m，足以滿(mǎn)足監測系統的技術(shù)要求，因此選用RS-232的串口通信方式。ATMEL的89C52單片機通過(guò)普通I/O口與 PC機 RS-232串口實(shí)現通信的硬件接口電路，如圖4所示。由于 PC系列微機串行口為RS-232標準接口，與輸入、輸出均為T(mén)TL電平的AT89C52單片機在接口規范上不一致，因此TTL電平到RS-232接口電平的轉換采用 MAX232標準 RS-232接口芯片，該芯片可以用單電壓(+5 v)實(shí)現RS-232接口邏輯“1”（-15～3V）和邏輯“0”(3～15 v)的電平轉換。AT89C52的P3.0為串行輸入端，P3.1為串行輸出端。

圖4  RS232串口通訊

系統軟件設計

　　監測系統軟件包括下位機程序和Delphi數據通訊軟件兩部分，實(shí)現測試數據的分析處理、回放顯示、打印輸出等功能，它可以接收命令和數據，向設備發(fā)送控制信號，返回設備的狀態(tài)參數，提供友好的人機界面。同時(shí)，利用軟件濾波方法提高數據采集的準確性。

下位機程序設計

　　監測系統的核心在于下位機程序能夠進(jìn)行數據的采集、顯示并與上位機的數據通訊，向上位機發(fā)送采集的溫度、電源數據，接收上位機發(fā)來(lái)控制指令，進(jìn)行傳輸數據，與上位機通信采用查詢(xún)和中斷方式實(shí)現，并有奇偶校驗以保證數據正確傳輸，下位機程序的軟件流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

　　MAX7219初始化即設置各個(gè)寄存器初始值，包括BCD譯碼器、多位掃描電路、段驅動(dòng)器、位驅動(dòng)器和用于存放每個(gè)數據位的8×8靜態(tài)RAM以及數個(gè)工作寄存器。通過(guò)指令設置這些工作寄存器，使其進(jìn)入所要求的工作狀態(tài)。AT89C52單片機有發(fā)送緩沖寄存器和接收緩沖寄存器SBUF、串行口控制寄存器（SCON）、特殊功能寄存器（PCON），MAX232串口初始化就是通過(guò)程序設置SCON定為工作方式2，并使REN為1，允許串行口中斷。串口通信發(fā)送程序采用查詢(xún)方式實(shí)現，數據接收程序采用串口中斷方式實(shí)現，在數據接收中斷服務(wù)程序中根據所接收的數據判斷是否將發(fā)送標識Send_flag置位。數據采集處理子函數形參為模擬通道號，完成對此通道數據采集轉換，并將轉換結果放入一維數組Cstring[]，然后循環(huán)采集多次順序放入Cstring[]數組中，采用軟件濾波方法得到此通道的數據。LED顯示子函數是按照正確的時(shí)序和尋址方式操作內部寄存器，完成電源信號的實(shí)時(shí)顯示。  

Delphi通訊軟件設計

　　上位機利用Delphi開(kāi)發(fā)，由于Delphi沒(méi)有自帶的通信控件，采用第三方SPComm控件實(shí)現PC機與單片機串口通信。它具有豐富的與串口通訊密切相關(guān)的屬性、方法和事件，提供了對串口進(jìn)行操作的多種功能。在使用過(guò)程中，只要設置正確，完全可以發(fā)送從 0到 255的二進(jìn)制數字，且接收正確。SPComm控件的StartComm方法用于打開(kāi)串口，StopComm過(guò)程用于關(guān)閉串口。利用事件驅動(dòng)法完成數據的接收和發(fā)送，SPComm控件的OnReceiveData事件，當輸入緩存有數據時(shí)將觸發(fā)該事件，在這里可以對串口收到的數據進(jìn)行處理，而WriteCommData完成數據的發(fā)送，這樣上位機系統可以接收單片機發(fā)送的數據和信息，以使PC機更快速作出反應。

　　為實(shí)現數據通訊程序，須在Delphi開(kāi)發(fā)環(huán)境下設置一個(gè)窗體，窗體上主要有一個(gè)通訊控件SPComm和3個(gè)Timer控件。軟件采用定時(shí)器Timer1和Timer2控件來(lái)實(shí)現在數據信息送出2s后PC機仍未收到任何回執信息，程序出現提示然后跳出系統，以下是程序編寫(xiě)時(shí)相關(guān)注意點(diǎn)：

（1）握手信號建立以及發(fā)送接收數據時(shí)：為了使主機能夠對整個(gè)檢測過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，串口打開(kāi)即發(fā)送握手信號，接著(zhù)設定等待時(shí)間，握手成功后，通過(guò)條件判斷下一步是發(fā)送還是接收數據。對發(fā)送的命令，最好采用文本方法，若采用二進(jìn)制特別注意數據的格式。

（2）接收數據：接收數據通過(guò)被動(dòng)的觸發(fā)事件完成，可以通過(guò)函數實(shí)現，根據自己的要求編寫(xiě)，在接收過(guò)程中，多用特征字符，如“#”，“$”等，這需要在通信協(xié)議中約定。

（3）Timer控件：根據需要設定Timer控件，通過(guò)它可以完成發(fā)送命令和接收數據的過(guò)程，同時(shí)可以有效的判斷通信異常等情況，并迅速作出反應。

（4）通訊錯誤：由于外界干擾或電壓波動(dòng)等原因，PC機和單片機之間的通訊可能會(huì )出現錯誤，如接收緩沖區溢出、網(wǎng)絡(luò )端口超速等，這些可能在代碼中引起運行錯誤，為了處理這些錯誤，須將錯誤處理加到SPComm控件的Receivedata事件中處理。

結語(yǔ)

　　溫度傳感器通過(guò)溫度變送器接入TLC2543A/D轉換器，輸入信號很小，對干擾很敏感，因此一定要加裝獨立的屏蔽線(xiàn)，避免外界的干擾。同時(shí)，供電電源置于設備內部，工作時(shí)會(huì )產(chǎn)生干擾，所以一定要與信號線(xiàn)、控制線(xiàn)分開(kāi)并屏蔽好，防止設備出現意外的情況。

　　經(jīng)過(guò)模塊化的電路測試、軟件調試和系統組裝，測溫精度可以達到±0.08℃。

　　此儀器采用單片機作為主控制器，成本低，通訊可靠性高，實(shí)時(shí)性好，系統運行穩定，各項指標達到了技術(shù)要求，通過(guò)青島市科技局鑒定，并已交付用戶(hù)單位使用，目前在冷藏設備的開(kāi)發(fā)過(guò)程中已經(jīng)發(fā)揮了重要作用。

參考文獻：

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5. AT89C52芯片資料，美國ATMEL公司