生化分析儀的ARM-SoC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張海江 黎海文 吳一輝 于正林

(長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院1，吉林 長(zhǎng)春 130028;中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所2，吉林 長(zhǎng)春 130033)

0 引言

生化分析儀是一種集光、機(jī)、電、液于一體的大型檢驗(yàn)設(shè)備，主要用于檢驗(yàn)人體體液的各項(xiàng)生化指標(biāo)。目前，關(guān)于這方面的研究主要集中在兩個(gè)方面:一是采用較低檔次處理器(單片機(jī))的小型產(chǎn)品，這類產(chǎn)品成本低，但硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、測(cè)試速度慢、人機(jī)交互性能差;二是搭配PC上位機(jī)的大型產(chǎn)品，這類產(chǎn)品的數(shù)據(jù)存貯和查詢方便，人機(jī)交互界面友好，但系統(tǒng)成本較高、體積大、運(yùn)動(dòng)控制實(shí)時(shí)性差［1－3］。針對(duì)以上問題，提出基于ARM-雙單片機(jī)系統(tǒng)的小型全自動(dòng)生化分析儀。該方案采用S3C2440A(ARM)為上位機(jī)、C8051F060單片機(jī)為下位機(jī)的雙系統(tǒng)架構(gòu)，可實(shí)時(shí)多任務(wù)并行處理。采用該方案設(shè)計(jì)的產(chǎn)品具有成本低、體積小、處理速度快等優(yōu)點(diǎn)，適用于小型全自動(dòng)生化分析系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)

系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure of the system

由圖1可知，系統(tǒng)由上位機(jī)模塊和下位機(jī)模塊兩部分組成。

上位機(jī)模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分析處理、病人信息的存儲(chǔ)查詢、人機(jī)交互和向下位機(jī)發(fā)送命令等工作;下位機(jī)模塊主要負(fù)責(zé)加樣、混合、數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)、清洗系統(tǒng)的控制和接收上位機(jī)的命令等工作。上位機(jī)模塊與下位機(jī)模塊之間采用異步串行通信。為實(shí)現(xiàn)多任務(wù)并行處理，下位機(jī)模塊采用雙單片機(jī)結(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)上位機(jī)模塊的核心是三星公司推出的基于ARM920T架構(gòu)的S3C2440A處理器。這是一款專門針對(duì)低價(jià)格、低功耗、高性能應(yīng)用推出的32位RISC指令集處理器，其最高主頻可達(dá)400 MHz，并具有加強(qiáng)的ARM體系內(nèi)存管理單元(memory management unit，MMU)，用于支持 WinCE、EPOC32和嵌入式 Linux系統(tǒng)、三通道UART、兩端口USB主機(jī)、LCD控制器等豐富的資源。S3C2440A共有130個(gè)I/O口和24路外部中斷，足以滿足小型全自動(dòng)生化分析儀上位機(jī)的要求［4］。

系統(tǒng)下位機(jī)模塊的核心采用美國(guó)Silab公司的C8051F060單片機(jī)。該單片機(jī)內(nèi)核采用流水線結(jié)構(gòu)，速度比普通的51系列單片機(jī)快10倍，其指令和標(biāo)準(zhǔn)系列51單片機(jī)兼容，芯片支持在線調(diào)試。片上有64 kB的Flash、4352 B內(nèi)部RAM、59個(gè)I/O口;片內(nèi)集成有兩個(gè)UART、一個(gè)SM(兼容I2C)和一個(gè)SPI等豐富的資源，完全滿足下位機(jī)的要求［5］。

為快速完成復(fù)雜的測(cè)試動(dòng)作并縮短測(cè)試時(shí)間，提出了雙單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該方案將復(fù)雜的測(cè)試動(dòng)作分配給兩個(gè)單片機(jī)，其中一個(gè)單片機(jī)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)盤定位和數(shù)據(jù)采集等工作，另一個(gè)單片機(jī)負(fù)責(zé)加樣臂旋轉(zhuǎn)、樣品加樣混合和清洗系統(tǒng)控制等工作。該方案大大提高了測(cè)試速度，減輕了單片機(jī)的工作任務(wù)。

下位機(jī)采用C8051F060單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn):單片機(jī)實(shí)時(shí)性好;速度比普通的單片機(jī)快，大大提高了測(cè)試速度;采用雙單片機(jī)結(jié)構(gòu)(兩個(gè)下位機(jī))，可實(shí)現(xiàn)多任務(wù)并行處理，提高了工作效率;上位機(jī)與下位機(jī)之間采用串口通信傳輸指令與數(shù)據(jù)，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

1.2 上位機(jī)與下位機(jī)之間的串口通信

系統(tǒng)上位機(jī)模塊與下位機(jī)模塊之間、下位機(jī)模塊中兩個(gè)單片機(jī)之間都采用異步串行通信。在異步通信中，數(shù)據(jù)是以字符為單位組成字符幀進(jìn)行傳送的。發(fā)送端與接收端分別按字符幀規(guī)定的格式和波特率來(lái)協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。字符幀和波特率可由用戶根據(jù)實(shí)際情況選擇。字符幀由起始位、數(shù)據(jù)位、停止位和空閑位四部分組成［6－7］。

ARM與單片機(jī)之間的串口通信電氣連接如圖2所示。ARM與單片機(jī)之間使用MAX3232SOP芯片，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性。

圖2 串口通信電氣連接圖Fig.2 Electrical connections of the serial communications

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件分為上位機(jī)程序和下位機(jī)程序兩部分。上位機(jī)程序部分采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、顯示子程序、數(shù)據(jù)處理子程序和命令發(fā)送接收子程序等部分組成。

下位機(jī)程序部分主要負(fù)責(zé)接收上位機(jī)命令、加樣、混合、轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)、控制微型光譜儀采集數(shù)據(jù)以及將數(shù)據(jù)發(fā)回給上位機(jī)等工作。

該系統(tǒng)的軟件流程如圖3所示。

2.2 串口通信

在系統(tǒng)中，上位機(jī)與下位機(jī)之間主要通過串口傳送數(shù)據(jù)與命令。因此，串口通信是系統(tǒng)的核心。本系統(tǒng)以嵌入式Linux系統(tǒng)為應(yīng)用平臺(tái)，這是由于嵌入式Linux具有內(nèi)核精悍、運(yùn)行穩(wěn)定所需資源少及支持硬件數(shù)量龐大等優(yōu)點(diǎn)［8］。在嵌入Linux系統(tǒng)中添加串口通信，首先將串口的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序添加進(jìn)內(nèi)核，然后編寫測(cè)試程序。

編譯串口設(shè)備文件的內(nèi)核，其主要步驟如下。

① 將串口驅(qū)動(dòng)保存為 serial.c，并保存在目錄linux-2.6.32.2/drivers/char下。

② 在 linux-2.6.32.2/drivers/char目錄下，打開Kconfig文件，在文件中添加以下語(yǔ)句:

③ 在 linux-2.6.32.2/目錄下執(zhí)行 make menuconfig命令。在出現(xiàn)的界面中，將光標(biāo)下調(diào)至Device Drivers，按回車鍵進(jìn)入另一界面。在這個(gè)界面中，將光標(biāo)下調(diào)至Character Devices，按回車鍵進(jìn)入另一界面。最后用方向鍵選中"Support for Serial(new)"，并按空格鍵使該行最前面的符號(hào)變?yōu)椋? ＞(＜M＞表示為編譯成Module形式，默認(rèn)＜* ＞為編譯入內(nèi)核)。配置完成后，退出并保存。

④ 在 linux-2.6.32.2/drivers/char目錄下，修改Makefile文件，添加如下語(yǔ)句并保存。

obj-$(SERIAL_NAME)+=serial.o

⑤最后執(zhí)行命令make zImage生成內(nèi)核文件。

編寫串口測(cè)試程序，其主要步驟如下。

①使用open()函數(shù)打開串口設(shè)備文件。CommFd=open(DeviceName，O_RDWR，0)，其中DeviceName為串口設(shè)備名。

②設(shè)置串口，TryATttr為存儲(chǔ)串口設(shè)置參數(shù)的結(jié)構(gòu)體名稱，設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗(yàn)位等相關(guān)參數(shù)，然后使用下面的函數(shù)進(jìn)行設(shè)置:tcsetattr(CommFd，TCSANOW，＆TtyAttr)。

③ 使用read()、write()函數(shù)對(duì)串口進(jìn)行讀寫。

④最后關(guān)閉串口設(shè)備文件，與關(guān)閉其他設(shè)備文件相同，使用close()函數(shù)，close(CommFd)。

至此，上位機(jī)模塊中含有串口驅(qū)動(dòng)的內(nèi)核以及測(cè)試程序全部完成。

2.3 應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)

友好的人機(jī)交互界面簡(jiǎn)化了復(fù)雜的操作，降低了操作人員的工作強(qiáng)度，提高了自動(dòng)化水平。上位機(jī)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 上位機(jī)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Software structure of the host computer system

系統(tǒng)采用嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)，管理軟硬件資源;采用QT/E來(lái)完成對(duì)圖形化界面和應(yīng)用程序的開發(fā)。QT/E是挪威Trolltech公司專門為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的基于C++的應(yīng)用框架和窗口系統(tǒng)，它可在含有ARM處理器的嵌入式Linux操作系統(tǒng)跨平臺(tái)運(yùn)行，且支持多線程編程［9］。

該應(yīng)用程序主要分為參數(shù)的讀取與設(shè)置、命令的發(fā)送與接收、數(shù)據(jù)接收與處理、結(jié)果的顯示與查詢四大部分。首先使用 QT Creator界面，然后遵循 Qt/Embedded編程一般規(guī)則編寫代碼，最后編譯并通過網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)(network file system，NFS)進(jìn)行板上測(cè)試。

由于圖形用戶界面應(yīng)用程序都只有一個(gè)執(zhí)行線程，且一次只執(zhí)行一個(gè)操作。而系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理或串口通信都是較耗時(shí)的操作。當(dāng)這些操作被執(zhí)行時(shí)，雖然實(shí)際上該操作正在進(jìn)行，但用戶界面通常會(huì)被凍結(jié)而不再響應(yīng)。在QT/E應(yīng)用程序中，子類化QThread并重新實(shí)現(xiàn)它的run()函數(shù)，實(shí)現(xiàn)多線程，從而解決以上問題［10］。根據(jù)系統(tǒng)要求，創(chuàng)建兩個(gè)新的線程類，分別用于與兩個(gè)下位機(jī)進(jìn)行通信。創(chuàng)建語(yǔ)句如下。

class Thread_master_SCM:public QThread;

class Thread_slave_SCM:public QThread;

兩個(gè)線程類在主界面類MainWindow類中創(chuàng)建對(duì)象，線程創(chuàng)建后通過QThread::run()函數(shù)開始執(zhí)行。要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同的線程對(duì)共有數(shù)據(jù)的互斥訪問，還需使用互斥鎖QMutex mutex來(lái)進(jìn)行線程間的協(xié)調(diào)與同步工作。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)小型全自動(dòng)生化分析儀產(chǎn)品體積小、處理速度快以及人機(jī)交互友好等需求，提出了基于ARM-雙單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)采用以ARM為上位機(jī)、單片機(jī)為下位機(jī)的雙系統(tǒng)架構(gòu)，提高了測(cè)試速度與測(cè)試效率。在上下位機(jī)之間使用串口傳送數(shù)據(jù)與命令，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力。上位機(jī)系統(tǒng)模塊采用嵌入式Linux系統(tǒng)為操作系統(tǒng)，應(yīng)用程序使用QT/E開發(fā)，并使用液晶觸摸屏使人機(jī)交互更加方便快捷。試驗(yàn)結(jié)果表明，控制系統(tǒng)人機(jī)交互方便快捷、運(yùn)動(dòng)控制實(shí)時(shí)性好、運(yùn)算處理能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定可靠。

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