文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2010)08-0037-04
生物實驗過程，尤其是在細胞和分子層面的實驗，具有周期長、工作量大的特點[1]。如何把從事生物、化工科學研究的人員從繁重的重復性體力勞動中解放出來并提高過程控制的精度是一個重要的研究方向。生物培養過程是實驗中極其重要的一步，在動輒數十天的細胞培養過程中，培養環境的穩定性非常重要，這就對生物過程控制提出了穩定性的高要求。另外，在一些不方便人工操作又極具實驗價值的環境里，自動化、穩定性強的生物實驗控制平臺意義巨大，諸如在進行具有致病微生物實驗、高危險環境下的生物實驗以及航天生物學實驗中，高穩定自動控制意義尤其重要。
1 生物實驗平臺簡介
基于細胞和分子生物學研究的自動化生物實驗室平臺框圖如圖1，該實驗室為包含多個生物培養箱和檢測分析單元為下位節點的主從式系統。作為基于CAN總線的自動控制節點，以培養箱為例：一個可以獨立工作的培養箱需要包括氧氣、二氧化碳、空氣、消毒液、蒸餾水在內的資源的可控供給和廢氣廢液的可控排出才能保持穩定。培養箱中的控制平臺通過前端的傳感器接口，采集培養環境中的參數進行監控，之后整合數據與主機進行通信，共同決策控制方案，經過對溫度、壓強和一些泵閥門的基本控制，調控生物培養環境。
2 控制平臺硬件設計
2.1 設計指標
控制平臺通常包括電源、參數采集接口、數字量輸入輸出、可調模擬量輸出、通信接口。本系統使用工業用直流電源，供電電壓為24 V；溫度、濕度、氣體濃度等參數控制是培養箱基本功能；基于CAN總線的主從式生物實驗室每個節點都需要CAN通信接口。另外考慮到系統某些特殊用途預留部分接口。得到設計指標為：24 V轉換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路數字輸入輸出，CAN通信接口，實時時鐘。
2.2 電路設計
為了滿足生物控制平臺的高效、實時、穩定的要求，結合現代電子通信技術設計了一套基于LPC2119的CAN總線生物實驗控制平臺。該方案使用CAN總線，具有穩定可靠、連線簡單、速度快、能長距離傳輸等優點；采用全隔離設計，提高了數字核心控制系統的抗干擾性；系統自帶驅動電路，簡化使用過程中對被控制對象（泵、閥等）的要求。平臺結構框圖如圖2所示。
本生物實驗控制平臺采用雙模塊設計，即：輸出板和主板分離，接口采用接插方式設計，這種設計方法可增強系統的易維護性和穩定性。
2.2.1 輸出板電路
圖2中，輸出板主要包含7個模塊和所有的外部接口。每一個模塊根據其需求及芯片接口類型采取了不同的隔離設計方案。
(1)電源模塊：LM2576開關電源芯片作為核心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隔離電源。由于LPC2119核心和幾個外圍電路的芯片為低功耗芯片，故而采用直接的線性穩壓模塊LM1117-3.3和LM1117-1.8(用于核心LPC2119內部CPU供電)。為增強電源的安全可靠性，在電源部分設計中增加了限流保險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總線驅動的8 bit D/A，為了保證核心LPC2119工作的穩定性，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，其輸出動態范圍只能在0~5 V。由于平臺所要控制的氣泵液泵驅動電壓一般在5 V以上，為了不增加系統的復雜性，在AD輸出之后接運放LM358將信號放大并通過功率MOS管IRF540進行電流放大（最大支持20 A），使之具備動態范圍20 V以內的驅動能力。
(3)模擬輸入模塊：生物實驗所需要控制的培養環境是漸變的過程，所涉及的模擬信號量變化相對某些工業控制過程較緩慢，模擬信號采樣的響應時間在毫秒量級可以滿足要求。模擬信號采集中有A/D+數字隔離和模擬隔離+A/D兩種隔離方案。數字隔離具有精度高的特點，但A/D芯片+雙向數字隔離的成本相對較高。鑒于系統核心集成A/D、模擬隔離部分可以進行信號調理的特點，本平臺綜合考慮成本和適用性采用了如下方案：AD1~AD4為外部信號輸入，由CD4051的AB地址線控制選通，信號經由R13進入放大器和線性光偶HCNR200組成的網絡。由于光耦的感應電流比較小，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，但會帶來響應頻率的降低。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的動態范圍支持到接近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信號經由光耦隔離輸入，用于控制選通四通道之一。
該電路經過實測得到的線性系數為：輸入信號大于0.1 V后小于5%，大于0.4 V后優于1%，優于HCNR200標稱的15%。該系統輸出截止電壓為3.277 V，在0.4 V～3.27 V內線性度良好。
(4)開關量模塊：經由光耦隔離的IO信號由PNP型晶體管S8550放大電流后驅動繼電器。
(5)數字輸出模塊：該模塊的設計采用了光耦隔離和磁耦合隔離兩種方案。對照表明：作為IO隔離磁耦ADUM1410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，但具有成本優勢。后級驅動芯片ULN2803的輸入電流最大可達500 mA，支持的最大電壓可達30 V，即：COM端可以接5 V~24 V電源。經過驅動后輸出端口主要用于驅動加熱電機、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保護功能的CAN收發器CTM1050T。該收發器符合ISO11898標準，最高支持1 Mb/s的通信速率，電磁輻射低、抗干擾，使用簡便，滿足工業級要求[2]。
2.2.2 主板電路
(1)最小系統：包括ARM芯片、時鐘、復位電路、電源（3.3 V從輸出板直接引入，1.8 V需要一個穩壓芯片），標準JTAG接口。在一般嵌入式系統核心電路中，通常使用專用復位芯片設計復位電路。由于該系統使用隔離電源，并且使用線性穩壓器件，3.3 V電源可靠穩定，故而使用簡便的阻容開關式復位電路。該系統采用標準的20腳JTAG接口，并增加上拉電阻提高穩定性。
(2)實時時鐘模塊：LPC2119雖然自帶實時時鐘，在低功耗模式下該模塊可以工作，但在其用戶手冊上沒有發現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時鐘芯片作為核心的實時時鐘電路單元。
(3)E2PROM單元：為了防止系統掉電后數據丟失，外加該單元用于重要數據的存放，提高系統可靠性。該單元采用基于I2C總線的24C256。
(4)串口：備用，用于測試CAN數據。
2.3 電路特點
該硬件方案基于CAN總線的控制節點，CAN總線通信具有穩定可靠、連線簡單、速度快、能長距離傳輸等優點；系統采用輸出板、主板分離模塊化設計；全隔離設計，提高了核心數字控制系統的抗干擾性；系統自帶驅動電路，簡化使用過程中對被控制對象（泵、閥等）的要求。
3 控制平臺程序設計
程序開發編譯環境使用ARM Developer Suite v1.2，使用周立功公司的EasyJTAG在線仿真調試運行程序。
3.1 系統主程序
基于CAN總線的生物實驗控制平臺程序工作框圖如圖4所示。系統上電后首先進行初始化，包括各種硬件使能、寄存器設置、通過I2C設置或讀取時鐘值、CAN接口初始化、開中斷等操作，使之可以響應上位機的CAN數據查詢幀。參數采集單元主要完成各種模擬數字傳感器數據采集和數字開關狀態讀取。在參數采集之后判斷實驗環境參數運行是否含有異常。無異常則將系統狀態如：溫度、濕度、壓強等環境參數及開關、閥門狀態等重要參數進行E2PROM備份。之后繼續進行數據采集，在正常狀態循環中可以響應上位機（工控PC）基于CAN總線的數據查詢和控制。
如果發生異常，包括參數變動超出正常范圍時，需要系統進行調控，主動開啟CAN發送程序向上位機報告，并請求處理指令。接收上位機指令，按指令進行響應的控制量實施（數字量輸出，模擬量流速控制，繼電器控制泵工作）。如果未能成功發送數據或者接收指令失敗，則啟動平臺內部應急控制，根據計算出的控制參數進行控制量實施之后，返回程序開始處的數據采集步驟。
3.2 參數采集
本文在測試過程中采用北京昆侖海岸傳感器技術中心的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，溫度測試范圍0~50 ℃，誤差±0.5 ℃，相對濕度測試范圍0~100%，誤差±3%。該傳感器需要2路A/D接口，測試過程讀取4路模擬量輸入和8路數字輸入的邏輯，并進行調用寫24C256保存。測試得到冬季室內溫度16 ℃~20 ℃，相對濕度在20%~45%，與標準溫濕度表對照，誤差在允許范圍內。微生物培養過程所需的濕熱環境，溫度范圍在25 ℃~40 ℃內，傳感器輸出信號經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、發送程序。初始化主要完成對CAN控制器的硬件使能、管腳初始化、軟件復位、設置波特率、配置CAN的工作模式、優先級模式、設置驗收過濾器、設置中斷使能寄存器。進入CAN中斷后，首先判斷中斷類型：(1)如為接收中斷，則進行CAN的幀接收，根據幀的內容判斷執行的操作類型，需要立即執行的指令則直接執行，指令完成后返回；不需要立即執行的指令則將指令參數傳遞至內存。(2)如為其他中斷類型，則調用相應響應函數進行處理，例如總線錯誤中斷響應需要關閉該總線接口。
文中基于CAN總線的發送程序較為簡單，為了提高數據發送的效率，每個LPC2119集成的CAN控制器中設有3個發送緩沖區，發送數據時，需要將待發送的數據寫入空閑緩沖區內，程序設計時采用第一個發送緩沖區為主發送緩沖，依次第二，第三。完成緩沖區數據填寫后指定發送緩沖，發送命令字即發送數據[3]。
4 測試結果
系統完成后連接部分傳感器，對其他CAN節點和工控機進行測試，完成如圖5中部分內容。測試參數設置和結果如表1，其中報警狀態為主板自帶IO驅動的LED指示燈和工控PC端界面相應模塊響應。
基于LPC2119設計的生物實驗室控制平臺綜合考慮了隔離和低功耗技術，為生物實驗室自動化提供了通用性的數字控制核心。
全隔離設計極大地提高了數字核心的安全性和穩定性，基于CAN總線的節點設計，為模塊與上位機系統間通信的可靠性和實時性提供了保障。與此同時，該系統為以后生物實驗過程控制算法的研究提供了一個高性能的平臺。
參考文獻
[1] 馬永嬌，生物梅里埃.致力于食品微生物實驗室的全面自動化[J].INSPECTION & DETECTION檢驗檢測，2009(9)：44-45.
[2] 周立功.ARM嵌入式系統基礎教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.
[3] Philips公司.LPC2119/2129/2194/2292/2294 USER MANUAL[M].2004，3.