MXT?RTOS51實時系統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，監控系統變得越來越復雜。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，傳統開發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早已成為業內共識，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、持續時間以及樣品室溫度等多項參數進行實時監控。

　　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，充分發揮了MXT8051豐富的片上資源優勢，具有面向目標板、提供主程序模板等特點。MXT•RTOS實時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，使用戶任務的開發實現了與硬件的無關性，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控軟件的開發，成為了本次技術升級的首選方案。

　　無菌均質器的監控任務

　　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。

　　無菌均質器監控系統要求

　　為達到最佳的均質要求，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、時間以及顯示運行狀態的人機交互功能;

　　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：

　　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℃

　　監控系統的硬件框架

　　由均質器的工作機理可知：首先，為滿足拍擊速率可調，控制系統必須對直流電機實施調速，時下脈寬調速技術已經很成熟，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;最后，作為監控器必須有鍵盤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潔。