帶觸摸屏和ARM控制器的壓力蒸汽滅菌控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廖文濤

（四川省中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院，成都610041）

0 引言

壓力蒸汽滅菌器是醫(yī)院的常用醫(yī)療設(shè)備，該設(shè)備在密閉的腔體內(nèi)用電加熱水，產(chǎn)生蒸汽，再利用蒸汽在冷凝時(shí)放出的熱量，使待滅菌的物品加熱，最后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的保溫從而實(shí)現(xiàn)滅菌的目標(biāo)。根據(jù)我國(guó)醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《手提式壓力蒸汽滅菌器（YY 0504-2005）》[1]，滅菌器的額定工作溫度為126 ℃，最大加熱時(shí)間不超過(guò)30 min，工作模式為連續(xù)加熱。滅菌器的頂蓋上有自動(dòng)放汽閥，當(dāng)內(nèi)部壓力達(dá)到自動(dòng)放氣閥的額定壓力時(shí)，滅菌器依靠安全閥間歇性放汽來(lái)實(shí)現(xiàn)恒壓和恒溫。根據(jù)上述行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的電熱式壓力蒸汽滅菌器，需要使用者通過(guò)機(jī)械開(kāi)關(guān)手工操作，往往需要專人值守。另一方面，理想的醫(yī)用滅菌器，需要針對(duì)不同的消毒對(duì)象設(shè)置不同的滅菌溫度[2]，如橡膠制品的可承受溫度比金屬物品可承受的溫度低。

為了克服上述缺點(diǎn)，近年來(lái)醫(yī)療科技工作者對(duì)傳統(tǒng)的壓力蒸汽滅菌器進(jìn)行了改進(jìn)，用51系列單片機(jī)給壓力蒸汽滅菌器增加了控制電路[3]，可以采用按鍵來(lái)控制設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，可以在字符液晶顯示器上顯示運(yùn)行狀態(tài)，確保壓力蒸汽滅菌器可以在無(wú)人值守的條件下安全工作。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，觸摸屏技術(shù)在近10多年的時(shí)間，已經(jīng)成了最為人們所接受的計(jì)算機(jī)輸入和顯示方式。本文將觸摸屏結(jié)合ARM控制器（采用英國(guó)ARM公司CPU構(gòu)架的處理器），做成具有友好的人機(jī)交互界面（Human Machine Interface，HMI）的壓力蒸汽滅菌器控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)滅菌的主要工藝參數(shù)（溫度和時(shí)間）的控制，可對(duì)不同器械消毒的需求提供不同的滅菌過(guò)程。觸摸屏操作方便，降低了對(duì)操作人員的培訓(xùn)要求，具有直觀的應(yīng)用體驗(yàn)。

1 系統(tǒng)概述

在眾多ARM控制器的生產(chǎn)商中，ST公司的STM32系列CPU是使用最為廣泛的一種，原因之一是該公司的CPU有豐富的參考資料，還有免費(fèi)提供的圖形化硬件配置工具STM32CubeMX[4]，免費(fèi)提供的TouchGFX用戶圖形界面編輯器，兼容IAR、Keil等代碼編輯工具，幫助開(kāi)發(fā)人員顯著地縮短了控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期。

本文的壓力蒸汽滅菌器控制系統(tǒng)選用ARM Cortex-M7核心的STM32F769NIH6芯片作為CPU，使用分辨率為800×480的4 in電容觸摸屏（簡(jiǎn)稱LCD-TFT）作為人機(jī)界面。觸摸屏通過(guò)顯示串行接口與CPU的顯示控制器（LCD-TFT Display Controller，LTDC）連接。使用CPU擴(kuò)展的外接內(nèi)存作為顯示圖形緩沖器。

2 硬件設(shè)計(jì)

選用STM32F769NIH6芯片，主頻為216 MHz，具有32位的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線矩陣和豐富的外設(shè)資源，與本應(yīng)用相關(guān)的資源如下：具有3個(gè)12 bit精度的模擬量采樣模塊（Analog-to-Digital Converter，ADC），每個(gè)模塊可采樣8個(gè)通道，CPU總共可以實(shí)現(xiàn)采集24通道信號(hào)采樣；具有159路通用IO口（General-Purpose Input and Output，GPIO）；具有LCD-TFT顯示控制器（LTDC）；具有靈活的外部存儲(chǔ)器控制器（Flexible external memory controller，F(xiàn)MC）；14個(gè)定時(shí)器。控制系統(tǒng)的硬件原理如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)的硬件原理圖

為了最大限度保持原有滅菌器的結(jié)構(gòu)，本文選用3.3 V輸入、220 V輸出的繼電器模塊作為驅(qū)動(dòng)模塊,使CPU能夠驅(qū)動(dòng)滅菌器。STM32F769NIH6芯片的GPIO口使用3.3 V電平標(biāo)準(zhǔn)，所以本文選用3.3 V輸入的繼電器模塊。把繼電器串入原滅菌器的220 V供電線路中；拆下原來(lái)的手動(dòng)放汽閥，新制作一個(gè)螺紋轉(zhuǎn)接頭，轉(zhuǎn)接頭的一端連接到滅菌器殼體上，轉(zhuǎn)接頭的另外一端連接手動(dòng)放汽閥，把溫度傳感器安裝到轉(zhuǎn)接頭中。經(jīng)過(guò)上述改造后，CPU通過(guò)GPIO可以直接驅(qū)動(dòng)繼電器模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)滅菌器的控制，通過(guò)繼電器的開(kāi)啟和關(guān)斷來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)滅菌器間歇性加熱，使滅菌器保持在設(shè)定的恒溫狀態(tài)。

3 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件分為3個(gè)部分：主程序、線程1、線程2。其中，主程序負(fù)責(zé)硬件的初始化，負(fù)責(zé)線程1和線程2的創(chuàng)建，還負(fù)責(zé)線程間通信用的消息隊(duì)列的創(chuàng)建；線程1負(fù)責(zé)處理觸摸屏人機(jī)界面，線程2負(fù)責(zé)處理后臺(tái)控制邏輯。控制軟件流程圖如圖2所示。

軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程，分別在3個(gè)開(kāi)發(fā)工具中按順序完成，簡(jiǎn)述如下：

1）在硬件配置工具STM32CubeMX中，根據(jù)配置向?qū)瓿娠@示屏的LTDC顯示控制器的設(shè)置，完成FMC外置內(nèi)存控制器的設(shè)置，完成連接繼電器的GPIO口的配置，完成ADC溫度采集的配置、計(jì)時(shí)周期為1 s的定時(shí)器的設(shè)置。在STM32CubeMX中還要完成嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的設(shè)置，以在應(yīng)用程序中開(kāi)啟多線程；新建2個(gè)線程，線程1負(fù)責(zé)處理觸摸屏人機(jī)界面，線程2負(fù)責(zé)處理后臺(tái)控制邏輯。

2）用TouchGFX圖形界面編輯器制作出如圖3所示的觸摸屏界面。

3）在代碼編輯器IAR workbench中，編輯修改上述兩步所生成的程序代碼，以實(shí)現(xiàn)圖2所示的邏輯。用戶界面中設(shè)定變量（溫度和時(shí)間），包括“啟動(dòng)”和“停止”按鈕的動(dòng)作，在屏幕刷新的過(guò)程中，由線程1通過(guò)消息隊(duì)列傳遞給線程2；線程2每秒采集一次當(dāng)前的溫度并計(jì)算一次累加保溫時(shí)間，將當(dāng)前溫度和剩余時(shí)間通過(guò)消息隊(duì)列傳遞給線程1，線程1再將收到的值顯示在屏幕上。

系統(tǒng)加電后，當(dāng)用戶按下“啟動(dòng)”按鍵時(shí)開(kāi)始循環(huán)工作，直到累計(jì)保溫時(shí)間達(dá)到預(yù)定時(shí)間，或者按下“停止”按鍵。為了保證溫度的采樣有較高的精度，負(fù)責(zé)溫度采集的ADC采樣模塊采集10個(gè)值，再對(duì)10個(gè)值取平均值，作為最終的溫度值。為了保證保溫時(shí)間的累加有較高的精度，定時(shí)器以1 s為周期持續(xù)定時(shí)，當(dāng)1 s計(jì)時(shí)結(jié)束后，產(chǎn)生中斷，又開(kāi)始新一輪的1 s計(jì)時(shí)。定時(shí)器更新中斷觸發(fā)ADC溫度采集和邏輯處理，由于定時(shí)器獨(dú)立于CPU內(nèi)核運(yùn)行，不占用CPU的邏輯處理時(shí)間，所以可以保證高的計(jì)時(shí)精度。

圖2 控制系統(tǒng)的軟件流程圖

4 測(cè)試結(jié)果

圖3顯示的是系統(tǒng)搭建完成后，觸摸屏上顯示和輸入溫度、時(shí)間的界面，以及“運(yùn)行”和“停止”按鍵的布置。在該界面上通過(guò)增、減調(diào)節(jié)，在上、下限范圍內(nèi)設(shè)置溫度和時(shí)間的預(yù)期值。當(dāng)用戶按下“運(yùn)行”按鍵后，如果滅菌器內(nèi)的實(shí)際溫度低于設(shè)定溫度，那么CPU控制加熱器開(kāi)啟，觸摸屏下半部分實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前設(shè)備內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度和所剩余的保溫時(shí)間。滅菌器按圖2所示的控制邏輯工作，直到累計(jì)保溫時(shí)間達(dá)到預(yù)定時(shí)間，或者按下“停止”鍵。

通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)升級(jí)后的壓力蒸汽滅菌器的實(shí)際使用發(fā)現(xiàn)，觸摸屏的使用提供了友好的人機(jī)界面，操作更直觀方便；控制器還大大提高了滅菌器溫度控制的穩(wěn)定性。由于溫度和壓力波動(dòng)范圍大大縮小，安全閥不再有持續(xù)的放汽現(xiàn)象，所以滅菌器對(duì)工作環(huán)境的噪聲污染顯著降低。

圖3 觸摸屏界面

5 結(jié)語(yǔ)

使用帶觸摸屏人機(jī)界面的ARM控制系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)的壓力蒸汽滅菌器進(jìn)行了升級(jí)改造，使滅菌器具有友好的人機(jī)界面，同時(shí)擴(kuò)展了滅菌器溫度的設(shè)定范圍，滿足了醫(yī)療單位對(duì)不同醫(yī)療物品的消毒需求。而且，新的控制系統(tǒng)的引入，降低了滅菌器的水耗和電耗，減小了滅菌器工作時(shí)的噪聲。