生物實(shí)驗(yàn)過程，尤其是在細(xì)胞和分子層面的實(shí)驗(yàn)，具有周期長(zhǎng)、工作量大的特點(diǎn)[1]。如何把從事生物、化工科學(xué)研究的人員從繁重的重復(fù)性體力勞動(dòng)中解放出來并提高過程控制的精度是一個(gè)重要的研究方向。生物培養(yǎng)過程是實(shí)驗(yàn)中極其重要的一步，在動(dòng)輒數(shù)十天的細(xì)胞培養(yǎng)過程中，培養(yǎng)環(huán)境的穩(wěn)定性非常重要，這就對(duì)生物過程控制提出了穩(wěn)定性的高要求。另外，在一些不方便人工操作又極具實(shí)驗(yàn)價(jià)值的環(huán)境里，自動(dòng)化、穩(wěn)定性強(qiáng)的生物實(shí)驗(yàn)控制平臺(tái)意義巨大，諸如在進(jìn)行具有致病微生物實(shí)驗(yàn)、高危險(xiǎn)環(huán)境下的生物實(shí)驗(yàn)以及航天生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中，高穩(wěn)定自動(dòng)控制意義尤其重要。
1 生物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)介
    基于細(xì)胞和分子生物學(xué)研究的自動(dòng)化生物實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)框圖如圖1，該實(shí)驗(yàn)室為包含多個(gè)生物培養(yǎng)箱和檢測(cè)分析單元為下位節(jié)點(diǎn)的主從式系統(tǒng)。作為基于CAN總線的自動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)，以培養(yǎng)箱為例：一個(gè)可以獨(dú)立工作的培養(yǎng)箱需要包括氧氣、二氧化碳、空氣、消毒液、蒸餾水在內(nèi)的資源的可控供給和廢氣廢液的可控排出才能保持穩(wěn)定。培養(yǎng)箱中的控制平臺(tái)通過前端的傳感器接口，采集培養(yǎng)環(huán)境中的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，之后整合數(shù)據(jù)與主機(jī)進(jìn)行通信，共同決策控制方案，經(jīng)過對(duì)溫度、壓強(qiáng)和一些泵閥門的基本控制，調(diào)控生物培養(yǎng)環(huán)境。

2 控制平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)
2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)
    控制平臺(tái)通常包括電源、參數(shù)采集接口、數(shù)字量輸入輸出、可調(diào)模擬量輸出、通信接口。本系統(tǒng)使用工業(yè)用直流電源，供電電壓為24 V；溫度、濕度、氣體濃度等參數(shù)控制是培養(yǎng)箱基本功能；基于CAN總線的主從式生物實(shí)驗(yàn)室每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要CAN通信接口。另外考慮到系統(tǒng)某些特殊用途預(yù)留部分接口。得到設(shè)計(jì)指標(biāo)為：24 V轉(zhuǎn)換5 V電源，4路A/D，2路大功率模擬輸出，2路繼電器輸出，8路數(shù)字輸入輸出，CAN通信接口，實(shí)時(shí)時(shí)鐘。
2.2 電路設(shè)計(jì)
    為了滿足生物控制平臺(tái)的高效、實(shí)時(shí)、穩(wěn)定的要求，結(jié)合現(xiàn)代電子通信技術(shù)設(shè)計(jì)了一套基于LPC2119的CAN總線生物實(shí)驗(yàn)控制平臺(tái)。該方案使用CAN總線，具有穩(wěn)定可靠、連線簡(jiǎn)單、速度快、能長(zhǎng)距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)；采用全隔離設(shè)計(jì)，提高了數(shù)字核心控制系統(tǒng)的抗干擾性；系統(tǒng)自帶驅(qū)動(dòng)電路，簡(jiǎn)化使用過程中對(duì)被控制對(duì)象（泵、閥等）的要求。平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

    本生物實(shí)驗(yàn)控制平臺(tái)采用雙模塊設(shè)計(jì)，即：輸出板和主板分離，接口采用接插方式設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)方法可增強(qiáng)系統(tǒng)的易維護(hù)性和穩(wěn)定性。
2.2.1 輸出板電路
    圖2中，輸出板主要包含7個(gè)模塊和所有的外部接口。每一個(gè)模塊根據(jù)其需求及芯片接口類型采取了不同的隔離設(shè)計(jì)方案。
    (1)電源模塊：LM2576開關(guān)電源芯片作為核心24 V->5 V的電源輸入，之后采用IF0505S1的5 V->5 V隔離模塊作為控制板內(nèi)隔離電源。由于LPC2119核心和幾個(gè)外圍電路的芯片為低功耗芯片，故而采用直接的線性穩(wěn)壓模塊LM1117-3.3和LM1117-1.8(用于核心LPC2119內(nèi)部CPU供電)。為增強(qiáng)電源的安全可靠性，在電源部分設(shè)計(jì)中增加了限流保險(xiǎn)和防止電源反接的二極管。
    (2)模擬輸出模塊：模擬輸出采用I²C總線驅(qū)動(dòng)的8 bit D/A，為了保證核心LPC2119工作的穩(wěn)定性，其I²C總線的隔離采用ADI公司的專用隔離芯片ADUM1250，D/A輸出和外部連接使用非隔離5 V電源。D/A芯片為AD5337，8 bit兩通道，串行I²C總線接口，其地址為0x18。AD5337的電源電壓為5 V，其參考電壓同樣為5 V，其輸出動(dòng)態(tài)范圍只能在0~5 V。由于平臺(tái)所要控制的氣泵液泵驅(qū)動(dòng)電壓一般在5 V以上，為了不增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，在AD輸出之后接運(yùn)放LM358將信號(hào)放大并通過功率MOS管IRF540進(jìn)行電流放大（最大支持20 A），使之具備動(dòng)態(tài)范圍20 V以內(nèi)的驅(qū)動(dòng)能力。
    (3)模擬輸入模塊：生物實(shí)驗(yàn)所需要控制的培養(yǎng)環(huán)境是漸變的過程，所涉及的模擬信號(hào)量變化相對(duì)某些工業(yè)控制過程較緩慢，模擬信號(hào)采樣的響應(yīng)時(shí)間在毫秒量級(jí)可以滿足要求。模擬信號(hào)采集中有A/D+數(shù)字隔離和模擬隔離+A/D兩種隔離方案。數(shù)字隔離具有精度高的特點(diǎn)，但A/D芯片+雙向數(shù)字隔離的成本相對(duì)較高。鑒于系統(tǒng)核心集成A/D、模擬隔離部分可以進(jìn)行信號(hào)調(diào)理的特點(diǎn)，本平臺(tái)綜合考慮成本和適用性采用了如下方案：AD1~AD4為外部信號(hào)輸入，由CD4051的AB地址線控制選通，信號(hào)經(jīng)由R13進(jìn)入放大器和線性光偶HCNR200組成的網(wǎng)絡(luò)。由于光耦的感應(yīng)電流比較小，所以電路中需要較大的R13電阻，C32和C33的作用是減小高頻噪聲，但會(huì)帶來響應(yīng)頻率的降低。R12/R13為該線性隔離電路的增益，該增益主要為了滿足輸入模擬信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍支持到接近0~5 V。圖3為CD4051+線性光耦模塊電路圖。

    該單元中CD4051地址線A、B信號(hào)經(jīng)由光耦隔離輸入，用于控制選通四通道之一。
    該電路經(jīng)過實(shí)測(cè)得到的線性系數(shù)為：輸入信號(hào)大于0.1 V后小于5%，大于0.4 V后優(yōu)于1%，優(yōu)于HCNR200標(biāo)稱的15%。該系統(tǒng)輸出截止電壓為3.277 V，在0.4 V～3.27 V內(nèi)線性度良好。
    (4)開關(guān)量模塊：經(jīng)由光耦隔離的IO信號(hào)由PNP型晶體管S8550放大電流后驅(qū)動(dòng)繼電器。
    (5)數(shù)字輸出模塊：該模塊的設(shè)計(jì)采用了光耦隔離和磁耦合隔離兩種方案。對(duì)照表明：作為IO隔離磁耦A(yù)DUM1410比光耦使用方便，幾乎不需要外接元件，還具有使能控制引腳；光耦隔離則需要外接電阻，但具有成本優(yōu)勢(shì)。后級(jí)驅(qū)動(dòng)芯片ULN2803的輸入電流最大可達(dá)500 mA，支持的最大電壓可達(dá)30 V，即：COM端可以接5 V~24 V電源。經(jīng)過驅(qū)動(dòng)后輸出端口主要用于驅(qū)動(dòng)加熱電機(jī)、泵、閥門之類的模塊。
    (6)CAN接口：本接口采用周立功公司具有隔離（DC 2500）、ESD保護(hù)功能的CAN收發(fā)器CTM1050T。該收發(fā)器符合ISO11898標(biāo)準(zhǔn)，最高支持1 Mb/s的通信速率，電磁輻射低、抗干擾，使用簡(jiǎn)便，滿足工業(yè)級(jí)要求[2]。
2.2.2 主板電路
    (1)最小系統(tǒng)：包括ARM芯片、時(shí)鐘、復(fù)位電路、電源（3.3 V從輸出板直接引入，1.8 V需要一個(gè)穩(wěn)壓芯片），標(biāo)準(zhǔn)JTAG接口。在一般嵌入式系統(tǒng)核心電路中，通常使用專用復(fù)位芯片設(shè)計(jì)復(fù)位電路。由于該系統(tǒng)使用隔離電源，并且使用線性穩(wěn)壓器件，3.3 V電源可靠穩(wěn)定，故而使用簡(jiǎn)便的阻容開關(guān)式復(fù)位電路。該系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的20腳JTAG接口，并增加上拉電阻提高穩(wěn)定性。
    (2)實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊：LPC2119雖然自帶實(shí)時(shí)時(shí)鐘，在低功耗模式下該模塊可以工作，但在其用戶手冊(cè)上沒有發(fā)現(xiàn)低功耗模式下的供電方式。為使該模塊正常工作，使用基于I2C總線的PCF8563時(shí)鐘芯片作為核心的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路單元。
    (3)E2PROM單元：為了防止系統(tǒng)掉電后數(shù)據(jù)丟失，外加該單元用于重要數(shù)據(jù)的存放，提高系統(tǒng)可靠性。該單元采用基于I²C總線的24C256。
    (4)串口：備用，用于測(cè)試CAN數(shù)據(jù)。
2.3 電路特點(diǎn)
    該硬件方案基于CAN總線的控制節(jié)點(diǎn)，CAN總線通信具有穩(wěn)定可靠、連線簡(jiǎn)單、速度快、能長(zhǎng)距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)；系統(tǒng)采用輸出板、主板分離模塊化設(shè)計(jì)；全隔離設(shè)計(jì)，提高了核心數(shù)字控制系統(tǒng)的抗干擾性；系統(tǒng)自帶驅(qū)動(dòng)電路，簡(jiǎn)化使用過程中對(duì)被控制對(duì)象（泵、閥等）的要求。
3 控制平臺(tái)程序設(shè)計(jì)
    程序開發(fā)編譯環(huán)境使用ARM Developer Suite v1.2，使用周立功公司的EasyJTAG在線仿真調(diào)試運(yùn)行程序。
3.1 系統(tǒng)主程序
    基于CAN總線的生物實(shí)驗(yàn)控制平臺(tái)程序工作框圖如圖4所示。系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行初始化，包括各種硬件使能、寄存器設(shè)置、通過I²C設(shè)置或讀取時(shí)鐘值、CAN接口初始化、開中斷等操作，使之可以響應(yīng)上位機(jī)的CAN數(shù)據(jù)查詢幀。參數(shù)采集單元主要完成各種模擬數(shù)字傳感器數(shù)據(jù)采集和數(shù)字開關(guān)狀態(tài)讀取。在參數(shù)采集之后判斷實(shí)驗(yàn)環(huán)境參數(shù)運(yùn)行是否含有異常。無異常則將系統(tǒng)狀態(tài)如：溫度、濕度、壓強(qiáng)等環(huán)境參數(shù)及開關(guān)、閥門狀態(tài)等重要參數(shù)進(jìn)行E2PROM備份。之后繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在正常狀態(tài)循環(huán)中可以響應(yīng)上位機(jī)（工控PC）基于CAN總線的數(shù)據(jù)查詢和控制。

    如果發(fā)生異常，包括參數(shù)變動(dòng)超出正常范圍時(shí)，需要系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控，主動(dòng)開啟CAN發(fā)送程序向上位機(jī)報(bào)告，并請(qǐng)求處理指令。接收上位機(jī)指令，按指令進(jìn)行響應(yīng)的控制量實(shí)施（數(shù)字量輸出，模擬量流速控制，繼電器控制泵工作）。如果未能成功發(fā)送數(shù)據(jù)或者接收指令失敗，則啟動(dòng)平臺(tái)內(nèi)部應(yīng)急控制，根據(jù)計(jì)算出的控制參數(shù)進(jìn)行控制量實(shí)施之后，返回程序開始處的數(shù)據(jù)采集步驟。
3.2 參數(shù)采集
    本文在測(cè)試過程中采用北京昆侖海岸傳感器技術(shù)中心的JWSL-7VB型溫濕度傳感器。傳感器供電電壓24 V，輸出模擬電壓0～5 V，溫度測(cè)試范圍0~50 ℃，誤差±0.5 ℃，相對(duì)濕度測(cè)試范圍0~100%，誤差±3%。該傳感器需要2路A/D接口，測(cè)試過程讀取4路模擬量輸入和8路數(shù)字輸入的邏輯，并進(jìn)行調(diào)用寫24C256保存。測(cè)試得到冬季室內(nèi)溫度16 ℃~20 ℃，相對(duì)濕度在20%~45%，與標(biāo)準(zhǔn)溫濕度表對(duì)照，誤差在允許范圍內(nèi)。微生物培養(yǎng)過程所需的濕熱環(huán)境，溫度范圍在25 ℃~40 ℃內(nèi)，傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過線性光耦后的電壓超過1 V，線性光耦引入誤差小于0.1%，相對(duì)傳感器誤差可以不予考慮。
3.3 CAN通信子程序
    CAN通信程序包括初始化、接收中斷、發(fā)送程序。初始化主要完成對(duì)CAN控制器的硬件使能、管腳初始化、軟件復(fù)位、設(shè)置波特率、配置CAN的工作模式、優(yōu)先級(jí)模式、設(shè)置驗(yàn)收過濾器、設(shè)置中斷使能寄存器。進(jìn)入CAN中斷后，首先判斷中斷類型：(1)如為接收中斷，則進(jìn)行CAN的幀接收，根據(jù)幀的內(nèi)容判斷執(zhí)行的操作類型，需要立即執(zhí)行的指令則直接執(zhí)行，指令完成后返回；不需要立即執(zhí)行的指令則將指令參數(shù)傳遞至內(nèi)存。(2)如為其他中斷類型，則調(diào)用相應(yīng)響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行處理，例如總線錯(cuò)誤中斷響應(yīng)需要關(guān)閉該總線接口。
    文中基于CAN總線的發(fā)送程序較為簡(jiǎn)單，為了提高數(shù)據(jù)發(fā)送的效率，每個(gè)LPC2119集成的CAN控制器中設(shè)有3個(gè)發(fā)送緩沖區(qū)，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，需要將待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入空閑緩沖區(qū)內(nèi)，程序設(shè)計(jì)時(shí)采用第一個(gè)發(fā)送緩沖區(qū)為主發(fā)送緩沖，依次第二，第三。完成緩沖區(qū)數(shù)據(jù)填寫后指定發(fā)送緩沖，發(fā)送命令字即發(fā)送數(shù)據(jù)[3]。
4 測(cè)試結(jié)果
    系統(tǒng)完成后連接部分傳感器，對(duì)其他CAN節(jié)點(diǎn)和工控機(jī)進(jìn)行測(cè)試，完成如圖5中部分內(nèi)容。測(cè)試參數(shù)設(shè)置和結(jié)果如表1，其中報(bào)警狀態(tài)為主板自帶IO驅(qū)動(dòng)的LED指示燈和工控PC端界面相應(yīng)模塊響應(yīng)。

    基于LPC2119設(shè)計(jì)的生物實(shí)驗(yàn)室控制平臺(tái)綜合考慮了隔離和低功耗技術(shù)，為生物實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化提供了通用性的數(shù)字控制核心。
    全隔離設(shè)計(jì)極大地提高了數(shù)字核心的安全性和穩(wěn)定性，基于CAN總線的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，為模塊與上位機(jī)系統(tǒng)間通信的可靠性和實(shí)時(shí)性提供了保障。與此同時(shí)，該系統(tǒng)為以后生物實(shí)驗(yàn)過程控制算法的研究提供了一個(gè)高性能的平臺(tái)。
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