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、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(yǎng)過程是實(shí)驗(yàn)中極其重要的一步，在動輒數(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)價值的環(huán)境里，自動化、穩(wěn)定性強(qiáng)的生物實(shí)驗(yàn)控制平臺意義巨大，諸如在進(jìn)行具有致病微生物實(shí)驗(yàn)、高危險環(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)定自動控制意義尤其重要。
1 生物實(shí)驗(yàn)平臺簡介
    基于細(xì)胞和分子生物學(xué)研究的自動化生物實(shí)驗(yàn)室平臺框圖如圖1，該實(shí)驗(yàn)室為包含多個生物培養(yǎng)箱和檢測分析單元為下位節(jié)點(diǎn)的主從式系統(tǒng)。作為基于CAN總線的自動控制節(jié)點(diǎn)，以培養(yǎng)箱為例：一個可以獨(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 控制平臺硬件設(shè)計(jì)
2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)
    控制平臺通常包括電源、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)時時鐘。
2.2 電路設(shè)計(jì)
    為了滿足生物控制平臺的高效、實(shí)時、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。該方案使用CAN總線，具有穩(wěn)定可靠、連線簡單、速度快、能長距離傳輸?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)動電路，簡化使用過程中對被控制對象（泵、閥等）的要求。平臺結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

    本生物實(shí)驗(yàn)控制平臺采用雙模塊設(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個模塊和所有的外部接口。每一個模塊根據(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，其輸出動態(tài)范圍只能在0~5 V。由于平臺所要控制的氣泵液泵驅(qū)動電壓一般在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），使之具備動態(tài)范圍20 V以內(nèi)的驅(qū)動能力。
    (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，所涉及的模擬信號量變化相對某些工業(yè)控制過程較緩慢，模擬信號采樣的響應(yīng)時間在毫秒量級可以滿足要求。模擬信號采集中有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)行信號調(diào)理的特點(diǎn)，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(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的動態(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)測得到的線性系數(shù)為：輸入信號大于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信號由PNP型晶體管S8550放大電流后驅(qū)動繼電器。
    (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。后級驅(qū)動芯片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)動后輸出端口主要用于驅(qū)動加熱電機(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，使用簡便，滿足工業(yè)級要求[2]。
2.2.2 主板電路
    (1)最小系統(tǒng)：包括ARM芯片、時鐘、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)時時鐘模塊：LPC2119雖然自帶實(shí)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(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時鐘芯片作為核心的實(shí)時時鐘電路單元。
    (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、連線簡單、速度快、能長距離傳輸?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(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)變動超出正常范圍時，需要系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控，主動開啟CAN發(fā)送程序向上位機(jī)報告，并請求處理指令。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，則啟動平臺內(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(shù)字輸入的邏輯，并進(jìn)行調(diào)用寫24C256保存。測試得到冬季室內(nèi)溫度16 ℃~20 ℃，相對濕度在20%~45%，與標(biāo)準(zhǔn)溫濕度表對照，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)送程序較為簡單，為了提高數(shù)據(jù)發(fā)送的效率，每個LPC2119集成的CAN控制器中設(shè)有3個發(fā)送緩沖區(qū)，發(fā)送數(shù)據(jù)時，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)時采用第一個發(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 測試結(jié)果
    系統(tǒng)完成后連接部分傳感器，對其他CAN節(jié)點(diǎn)和工控機(jī)進(jìn)行測試，完成如圖5中部分內(nèi)容。測試參數(shù)設(shè)置和結(jié)果如表1，其中報警狀態(tài)為主板自帶IO驅(qū)動的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)室控制平臺綜合考慮了隔離和低功耗技術(shù)，為生物實(shí)驗(yàn)室自動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)時性提供了保障。與此同時，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高性能的平臺。
參考文獻(xiàn)
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