基于ARM的生物安全柜控制器設(shè)計(jì)

　　摘　要： 分析了生物安全柜系統(tǒng)的功能和原理，提出了一種基于ARM的生物安全柜控制器的軟硬件設(shè)計(jì)方案，在控制器中使用了性能優(yōu)良的壓差傳感器和信號(hào)調(diào)理電路。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)接收各種輸入信號(hào)，經(jīng)過ARM嵌入式內(nèi)核處理后，控制器具有良好的控制性能，達(dá)到預(yù)期的效果。
　　關(guān)鍵詞： 生物安全柜 ARM 控制器 傳感器

　　生物安全柜是采用隔離技術(shù)防止危險(xiǎn)性微生物向外界擴(kuò)散的一種設(shè)備。隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展，生物學(xué)的研究對(duì)象不斷增加，危險(xiǎn)性隨之增加。有關(guān)實(shí)驗(yàn)室感染加深了人們對(duì)生物學(xué)危險(xiǎn)的認(rèn)識(shí)，空氣潔凈技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用使人們認(rèn)識(shí)到隔離技術(shù)可以防止危險(xiǎn)性微生物向外界擴(kuò)散。目前的生物安全柜控制器通常采用8位單片機(jī)，帶有A/D、D/A或PWM，主要以增量式數(shù)字PID控制器作為控制策略。隨著自適應(yīng)控制和智能識(shí)別等控制策略的深入研究，傳統(tǒng)的單片機(jī)已不能滿足運(yùn)算的速度要求。而32位的RISC架構(gòu)，基于ARM核的微控制器芯片具有低功耗、高性價(jià)比的特點(diǎn)，并且可以發(fā)揮其高速度與高精度的優(yōu)勢(shì)。
　　基于此，本文搭建了以Samsung公司生產(chǎn)的32位芯片S3C44B0X(ARM7TDMI核心)作為處理器的控制系統(tǒng)，采用μClinux作為嵌入式操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種經(jīng)濟(jì)、高效、實(shí)用、升級(jí)方便的生物安全柜控制系統(tǒng)。
1 控制器設(shè)計(jì)要求
　　病原微生物對(duì)人的感染一般可有呼吸道吸入、口腔進(jìn)入、通過破損皮膚以及粘膜侵入等途徑^[4]。在感染事故中，則有30%是由氣溶膠引起的。
　　根據(jù)生物安全柜的基本原理提出的設(shè)計(jì)要求有以下幾點(diǎn)：
　　(1)空氣循環(huán)
　　作為保證安全的主要工作器件，本生物安全柜的風(fēng)機(jī)和過濾器采用了進(jìn)口產(chǎn)品，并且采用微壓傳感器作為監(jiān)控設(shè)備。采用垂直流工作方式，伴隨著風(fēng)幕的形成和排氣空氣過濾器的使用，使其可以在對(duì)環(huán)境要求相當(dāng)高的情況下使用，可以使試驗(yàn)物質(zhì)不會(huì)逸出而污染環(huán)境。
　　(2)報(bào)警處理
　　本安全柜設(shè)計(jì)了監(jiān)控系統(tǒng)，當(dāng)前窗上升到超過安全的開窗高度(玻璃門未停留在安全位置)將會(huì)報(bào)警。基于S3C44B0X的控制系統(tǒng)通過壓差傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)工作區(qū)內(nèi)壓力的各級(jí)參數(shù)，確保生物安全柜的性能滿足要求，一旦過濾膜失效，系統(tǒng)將自動(dòng)報(bào)警，提醒用戶及時(shí)更換過濾膜。
　　(3)控制功能
　　用戶界面為LCD顯示，對(duì)安全柜內(nèi)主要電氣設(shè)備(照明燈、紫外線滅菌燈、風(fēng)機(jī)等)采用按鍵控制；監(jiān)控系統(tǒng)的信號(hào)為控制系統(tǒng)所接收，并且在處理后執(zhí)行相應(yīng)的控制程序；在程序設(shè)計(jì)中采用容錯(cuò)、避錯(cuò)技術(shù)，當(dāng)操作人員誤操作時(shí)，系統(tǒng)仍能正常工作；檢測(cè)到危險(xiǎn)情況時(shí)，立即報(bào)警并驅(qū)動(dòng)設(shè)備到指定狀態(tài)。
2 控制器硬件設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
　　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成
　　(1)CPU的選擇
　　這里CPU選用的是Samsung公司的S3C44B0X，這是一款A(yù)RM7系列的處理器，工作頻率為66MHz，片上集成8KB cache、存儲(chǔ)控制器、LCD控制器、4通道DMA、2通道UART、1通道I2C、1通道I2S、5通道PWM定時(shí)器、1通道內(nèi)部定時(shí)器、看門狗、8通道10位ADC、71個(gè)通用IO口(復(fù)用)、8通道外中斷源、RTC和片上時(shí)鐘產(chǎn)生器。含有非常豐富的片上資源，幾乎所有常用的芯片級(jí)總線結(jié)構(gòu)都有對(duì)應(yīng)的硬件控制器，在做外圍擴(kuò)展時(shí)非常方便。片上ICE中斷調(diào)試支持JTAG調(diào)試方式，使系統(tǒng)調(diào)試很方便。同時(shí)，采購比較方便，成本較低。
　　(2)壓差傳感器
　　在選擇傳感器時(shí)需要確保壓差傳感器和它實(shí)際應(yīng)用中的相容性。本控制器選用的是HONEYWELL公司生產(chǎn)的量程為1Psi的26PC 系列壓差傳感器，其特點(diǎn)如下：專利的導(dǎo)電密封彈性連接系統(tǒng)消除了傳統(tǒng)的導(dǎo)線粘結(jié)和帶狀連接，增加了介質(zhì)的測(cè)量兼容性； 專利的Snap-together結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了多樣化的測(cè)量孔形式；最低價(jià)格的帶溫度補(bǔ)償和校整的小型封裝壓力傳感器；可以測(cè)量負(fù)壓和正壓；激光刻蝕電阻保證極好的器件一致性。在本系統(tǒng)中壓差傳感器測(cè)量箱體內(nèi)部各點(diǎn)的壓差。
　　(3)信號(hào)調(diào)理電路
　　MAX1452是一種高集成、精密的、16位智能型信號(hào)調(diào)理器，能夠在寬溫度范圍內(nèi)數(shù)字化校正傳感器輸出，適用于阻性傳感器，提供放大、校正和溫度補(bǔ)償。MAX1452可以提供一個(gè)基本的線性輸出。圖2所示是一個(gè)線性輸出的信號(hào)調(diào)理電路，這個(gè)典型電路提供了與供電電源成正比的輸出，再通過A/D轉(zhuǎn)換器，得到線性的數(shù)字輸出。MAX1452僅需最少量的外部元件輔助，就能提供高性能線性輸出。這些外部元件包括一個(gè)供電旁路電容，抗電磁干擾的濾波電容，兩個(gè)可選電阻：RISRC 和RSTC。本系統(tǒng)中信號(hào)調(diào)理電路作用是將壓差傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行放大。

　　(4)固態(tài)繼電器
　　驅(qū)動(dòng)器件由光電隔離器件和固態(tài)繼電器SSR組成。固態(tài)繼電器是一種電子型無觸點(diǎn)開關(guān)，具有開關(guān)速度快、壽命長、向外部傳輸干擾小等優(yōu)點(diǎn)。S3C44B0X輸出的三個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)(風(fēng)機(jī)、滅菌、照明)經(jīng)光耦器件TLP521-4完成+5V～+12V的電壓轉(zhuǎn)換，由12V電壓驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器工作。選用較高輸入電壓的固態(tài)繼電器可降低周圍噪聲對(duì)固態(tài)繼電器的影響，有利于系統(tǒng)可靠工作。
3 控制器軟件設(shè)計(jì)
3.1 程序運(yùn)行環(huán)境
　　雖然應(yīng)用程序完全可以在裸板上運(yùn)行，但為了更有效地利用系統(tǒng)資源，使之具有任務(wù)管理、定時(shí)器管理、存儲(chǔ)器管理和中斷處理等能力，這里引入了嵌入式操作系統(tǒng)?；诔墒臁⒏咝?、健壯、可靠、模塊化、易于配置的操作系統(tǒng)來開發(fā)自己的應(yīng)用程序，無疑能進(jìn)一步提高效率，并具有很好的可移植性。通過與其他的嵌入式系統(tǒng)比較，μClinux具有優(yōu)異的性能、免費(fèi)開放的代碼等優(yōu)點(diǎn)，所以將在處理器S3C44B0X上運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)μClinux。軟件運(yùn)行平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖3所示。
　　μClinux是從Linux2.0/2.4內(nèi)核派生而來，沿襲了主流Linux的絕大部分特性。它是專門針對(duì)沒有MMU的CPU，并且為了適合嵌入式系統(tǒng)而做了許多小型化的工作，為硬件平臺(tái)更好地運(yùn)行各種程序提供了保證。運(yùn)行μClinux系統(tǒng)的用戶幾乎可以使用所有的LinuxAPI函數(shù)，不會(huì)因?yàn)闆]有MMU而受到影響。

3.2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　本安全柜的軟件系統(tǒng)分為3個(gè)層次：①引導(dǎo)加載程序bootloader。②嵌入式操作系統(tǒng)μClinux內(nèi)核，即特定于嵌入式板子的定制內(nèi)核以及內(nèi)核的啟動(dòng)參數(shù)。③用戶應(yīng)用程序，用戶應(yīng)用程序和內(nèi)核之間還包括一個(gè)圖形用戶界面（GUI）。
　　從生物安全柜功能分析可以看出，系統(tǒng)功能的重點(diǎn)就是檢測(cè)安全柜內(nèi)各點(diǎn)的壓強(qiáng)和控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，其次為人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。
　　根據(jù)生物安全柜所要實(shí)現(xiàn)的功能及其硬件電路的需要，在μClinux運(yùn)行環(huán)境下所編制的生物安全柜的軟件可以分為下面幾個(gè)子程序模塊：指示燈顯示子程序LampShow.c，LCD顯示子程序LCDShow.c，按鈕采集及其處理子程序Button.c，A/D轉(zhuǎn)換子程序A/D.c，壓差報(bào)警子程序Press.c，以及主程序main.c。
　　整個(gè)程序的執(zhí)行過程為：bootloader分配各個(gè)模塊相應(yīng)的地址空間，μClinux系統(tǒng)底層的初始化，主程序系統(tǒng)輸出控制信號(hào)，控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行，然后控制器在定時(shí)器中斷程序里采集外部中斷口的中斷信號(hào)，和鍵盤輸入的信號(hào)相耦合后，進(jìn)行窗高的調(diào)節(jié)，同時(shí)將安全柜內(nèi)的壓差信號(hào)通過中斷口檢測(cè)回控制器。經(jīng)過處理后與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速作比較，通過兩者偏差來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的速度，使壓強(qiáng)趨于穩(wěn)定。
3.3 程序功能及流程
　　本控制系統(tǒng)的程序編制采用C語言。程序主要有如下功能：
　　(1)系統(tǒng)初始化時(shí)自檢，保證處于安全狀態(tài)。
　　(2)采用大小合適的數(shù)據(jù)采集間隔時(shí)間，提高控制精度。
　　(3)數(shù)據(jù)采集程序從A/D口讀入壓差數(shù)據(jù)，并進(jìn)行軟件濾波處理。
　　(4)報(bào)警子程序根據(jù)檢測(cè)到的報(bào)警信息驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的端口進(jìn)行聲音報(bào)警和顯示報(bào)警。
　　(5)顯示和驅(qū)動(dòng)子程序把待顯示的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的端口進(jìn)行顯示和驅(qū)動(dòng)。
　　(6)按鍵處理子程序的操作者按下的面板按鈕信息進(jìn)行紀(jì)錄，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。
　　應(yīng)用程序主程序部分流程圖如圖4所示。

　　本文設(shè)計(jì)了一種新型的基于ARM的生物安全柜的控制器。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，性能、價(jià)格和上市時(shí)間將是電子產(chǎn)品能否被應(yīng)用推廣的決定性因素。以ARM為代表的32位嵌入式處理器，在性能、價(jià)格和上市時(shí)間方面的優(yōu)勢(shì)將越來越明顯。采用ARM芯片進(jìn)行控制后，控制精度有了進(jìn)一步提高，也為下一步設(shè)計(jì)功能更強(qiáng)、控制效果更好的安全柜奠定了基礎(chǔ)。
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