基于STM32的接種分離裝置控制系統

侯延進，田寒梅，滕竟爭，張新力，許敏

(山東省科學院能源研究所傳遞現象研究中心，山東 濟南 250014)

接種分離是醫學用途廣泛的一種操作，其人工操作用工量大、耗費時間，且易使醫護人員發生感染。醫用接種分離器是將病人的尿液、痰液等物理樣本取樣并在培養基里面按照不同方式劃線培養，然后將結果進行分析化驗的一種儀器。目前國外接種分離裝置在控制系統設計方面，只有德國西門子等幾家大公司有類似的產品，大多采用可編程控制器(PLC)[1]、工業控制機(IPC)、單片機等自動控制手段，具有人機界面友好、工作安全可靠等特點[2-3]，但是費用昂貴且售后服務不到位。國內目前醫用接種分離自動化程度不高，大多依賴于人工操作，步驟繁瑣且占用大量人力，全自動接種分離控制技術還屬空白。本文研制了一種以ARM系列STM32F407型單片機作為核心接種分離器及相關的外圍配套器件的全自動控制系統，實現了樣本采集、細菌培養、實驗數據存儲以及授權扣費等功能。

1 接種分離器的系統構成及工作流程

圖1展示了接種分離器執行機構的基本構造，其中包括13個步進電機[4]，6個減速電機，6個電磁閥，24個位置傳感器(其中包括對射式和反射式兩種)以及一個電加熱器。

圖1 接種分離器的構造圖Fig.1 Structure of inoculation separator

本系統分為樣本輸送段以及細菌接種段。樣本輸送段的流程為：當檢測到有樣本到來后，步進電機和電磁閥控制機械手將樣本移動到開蓋位置開蓋，然后再移動到樣本沾取位置等待接種段的探針接種，在接種完畢后將樣本移動到關蓋位置關蓋，移動到丟棄孔丟棄。細菌接種段的流程為：將培養品按照樣本的種類從料架中取出，開蓋并移動到劃線位置，然后探針沾取樣本按照觸摸屏上設定的方式進行劃線(劃線方式一共分為4種，見圖2)，劃線完畢后探針消毒并將培養皿關蓋移出，返回初始狀態準備下一次劃線。

圖2 劃線方式圖Fig.2 Scribing chart

2 控制系統組成及功能

2.1 控制系統設計

本文研發的接種分離控制系統可控制接種分離裝置中的各個執行部分的動作，并與外部掃碼器、RFID射頻讀卡器、觸摸屏以及PC機進行數據交換處理，以實現樣本采集、細菌培養、實驗數據存儲以及授權扣費等功能。其輸入信號包括樣本輸送入口的位置、樣本出口位置、電機初始位置、觸摸屏輸入的劃線方式等，分別由相對應的傳感器及串口完成信號采集。輸出信號包括各電機的啟停、機械手位置以及觸摸屏顯示計費等信息，由相應的執行機構完成動作輸出。

控制系統由系統硬件及軟件兩部分組成，硬件主要由核心板、各步進電機、減速電機、加持氣缸、光電傳感器等組成。系統軟件部分主要采用模塊化編寫，順序控制，實現系統各功能。

2.2 硬件構成及核心器件

本控制系統采用以ARM[5-6]單片機為核心的控制器將接種分離器中的所有外圍器件聯接起來，采用輸入輸出全光電隔離的方式，避免了由于某一個外部器件的短路導致所有器件的誤動作，提高了系統的可靠性，且利用限位開關硬件防干擾，提高系統運行精度。

系統以STM32F407CPU為中心，通過電平轉換芯片74LVC4245和光電隔離芯片與外部的輸入單元聯接，利用鎖存芯片74HC574及光耦來驅動外部輸出設備，圖3展示了本單片機系統的硬件構成。其中，USART串口轉232通訊與外部配套設備以MODBUS協議或者設備自定義協議交換數據。采用SPI協議的FLASH W25X16用來實現數據的存儲，采用I2C協議的EEPROM 24C02用來存儲授權以及密碼等數據。幾種核心器件的應用如下。

圖3 硬件系統圖Fig.3 Hardware system diagram

2.2.1 STM32F407

STM32F407內核為ARM 32位的Cortex(TM)-M4 CPU[7]，最高168 MHz工作頻率，3個12位A/D模數轉換器，1 μs轉換時間(多達24個輸入通道)，2通道12位D/A轉換器、12通道DMA控制器，多達140個I/O端口具有中斷功能，136個快速I/O高達84 MHz，138個5 V容限I/O，17個定時器，2個看門狗，15個通信接口，3個I2C接口，3個SPI接口，5個USART接口支持ISO7816，如此強大的片內資源能充分滿足對于外部接口及控制實時性要求較高的接種分離器的要求。

2.2.2 W25X16

W25X16是華邦的一款容量為16 M字節的FLASH存儲器，通過SPI口與單片機相連，可以快速地實現大容量的數據存儲。由于接種分離器需要存儲1年的用戶數據，按照每天做200個樣本，每個樣本需要20字節的存儲空間，這樣一天的數據量為4 000字節。而W25X16每頁的存儲量為4 096字節，剛好一天占一頁，查詢的時候只需要按照日期對應的某一頁查詢即可。需要注意的是，W25X16是一款FLASH芯片，所以寫入數據前必須先擦除，也就是說此芯片只能置0不能置1，所以每天寫入之前都要對當天對應的存儲頁擦除，然后再進行寫操作。

2.2.3 通訊接口硬件

通訊接口的硬件圖見圖4，因為需要和4個外圍設備通訊，擔心外部設備若有故障會影響內部芯片的正常工作，因此采用了高速光耦6N137來做隔離。與觸摸屏聯接采用MODBUS RTU協議，觸摸屏作為主機，定時向控制器發送命令，控制器根據發送的命令進行應答，根據相應的地址將數據發送到觸摸屏中顯示。在后期處理過程中，有可能會將前處理后處理一起通過觸摸屏控制，這樣軟件利用MODBUS可以方便地進行子網的擴展，硬件上采用232轉484轉換器開擴展。與掃碼器和IFRD通訊都采用器件各自的自定義協議。

圖4 通訊接口圖Fig.4 Communication interface diagram

2.2.4 限位開關

圖5 反射式限位開關Fig.5 Reflective limit switch

2.3 軟件控制流程

為更好地實現系統功能，軟件設計采用分塊編寫程序的方式，將一個復雜的系統分成若干個相互聯系的塊，相互獨立又相輔相成，使程序結構清晰、維護方便。同時采用軟件位置修正等措施充分保證了執行機構動作的可靠性和精度。

本系統簡化的軟件流程如圖6所示，在初始上電之前需要對所有帶位置控制的步進電機做一個歸位程序，如果本來就在初始位置的要先移出一定步數重新歸位。執行上述動作的原因是由于限位開關自身有6～7 mm的感應范圍，這個范圍足以影響機械執行的精度，因此程序上對于每一個限位開關都做了修正，即步進電機在檢測到限位開關的上調沿脈沖后繼續執行一定的步數以達到精確定位。程序根據掃碼器讀出的狀態來判斷樣本的類型、需要培養皿的個數以及每個培養皿的劃線方式，根據這些信息執行劃線動作，每個探針在劃線結束后需要進行一個8 s的高溫消毒動作。消毒加熱器在待機狀態下采用半功率控制，利用單片機發出一個脈寬為50%的PWM波，在檢測到樣品時全功率加熱，這樣既能保證在有限的時間內加熱溫度達到標準，又能提高加熱器使用壽命。所有動作執行完畢后將培養皿關蓋輸送到下一段進行培養。

圖6 軟件控制流程Fig.6 Software controlling flowchart

3 實驗結果

本控制系統針對不同病人的樣本可以實現4種劃線方式，效果如圖7所示。處理速度可以達到每小時100個樣本，完全取代了人工，并且故障率低。實驗連續處理了1 000個樣本，系統運行穩定，處理效果完全達標且無異常情況出現，受到了醫院用戶的一致認可。

圖7 接種培養后效果Fig.7 Effect after inoculation

4 結論

本文研究開發的接種分離系統實現了智能化的接種方式，即劃線方式可依據樣本的類型自動選取，結構上采用多個步進電機及位置傳感器協調動作精確定位，完全模擬人工劃線方式操作，實現包括分區劃線在內的多種劃線方式，解決了國內外同類產品普遍存在的劃線方式單一的問題。利用全封閉式的樣本杯采樣本與自動化開關蓋技術，全過程保證人員與樣本全隔離零接觸，最大程度地保證人員安全，解決了國內產品存在的生物安全問題。使用紅外滅菌器，全過程采用循環滅菌法，保證接種環每次操作前處于無菌狀態，克服了同類產品每個樣本只能單次劃線的缺陷，保證接種可靠性和成功率。采用大容量存儲器存儲過程數據，將樣本所有劃線信息都加以記錄，便于用戶查詢。

由于機械加工精度造成的誤差，以及限位開關安裝位置總有一定的偏差，導致產品調試維護不便，對現場調試人員要求比較高。由于設備需要壓縮空氣作為動力，空壓機的噪音比較大。針對上述問題，后續準備采用國際大公司的機械臂來代替一些關鍵部位的步進電機，采用電動缸來替代氣缸，進一步提高系統的穩定性和實用性。

[1]茆春春. 淺談PLC控制系統工程應用的抗干擾設計[J]. 硅谷,2008(13):31.

[2]韓服善,王建勝. 食用菌液體菌種自動接種機控制系統設計[J]. 包裝與食品機械，2012 (1):37-40.

[3]盛彬. PLC步進電機控制技術[J]. 現代制造技術與裝備,2016(11):167.

[4]張永華. 步進電機運動控制系統硬件部分的設計[J]. 裝備制造技術,2010(5):71-72．

[5]周立功. ARM微控制器基礎與實戰[M].北京：航空大學出版社，2011.

[6]廖義奎.Cortex-M3之STM32嵌入式系統設計[M].北京：中國電力出版社，2012．

[7]姚文祥.ARM Cortex-M3權威指南[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009．