帶觸摸屏和ARM控制器的壓力蒸汽滅菌控制系統設計

廖文濤

（四川省中西醫結合醫院，成都610041）

0 引言

壓力蒸汽滅菌器是醫院的常用醫療設備，該設備在密閉的腔體內用電加熱水，產生蒸汽，再利用蒸汽在冷凝時放出的熱量，使待滅菌的物品加熱，最后經過一段時間的保溫從而實現滅菌的目標。根據我國醫藥行業標準《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 ℃，最大加熱時間不超過30 min，工作模式為連續加熱。滅菌器的頂蓋上有自動放汽閥，當內部壓力達到自動放氣閥的額定壓力時，滅菌器依靠安全閥間歇性放汽來實現恒壓和恒溫。根據上述行業標準生產的電熱式壓力蒸汽滅菌器，需要使用者通過機械開關手工操作，往往需要專人值守。另一方面，理想的醫用滅菌器，需要針對不同的消毒對象設置不同的滅菌溫度[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，近年來醫療科技工作者對傳統的壓力蒸汽滅菌器進行了改進，用51系列單片機給壓力蒸汽滅菌器增加了控制電路[3]，可以采用按鍵來控制設備的運行參數，可以在字符液晶顯示器上顯示運行狀態，確保壓力蒸汽滅菌器可以在無人值守的條件下安全工作。

隨著科學技術的發展，觸摸屏技術在近10多年的時間，已經成了最為人們所接受的計算機輸入和顯示方式。本文將觸摸屏結合ARM控制器（采用英國ARM公司CPU構架的處理器），做成具有友好的人機交互界面（Human Machine Interface，HMI）的壓力蒸汽滅菌器控制系統，通過對滅菌的主要工藝參數（溫度和時間）的控制，可對不同器械消毒的需求提供不同的滅菌過程。觸摸屏操作方便，降低了對操作人員的培訓要求，具有直觀的應用體驗。

1 系統概述

在眾多ARM控制器的生產商中，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，還有免費提供的圖形化硬件配置工具STM32CubeMX[4]，免費提供的TouchGFX用戶圖形界面編輯器，兼容IAR、Keil等代碼編輯工具，幫助開發人員顯著地縮短了控制系統的開發周期。

本文的壓力蒸汽滅菌器控制系統選用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（簡稱LCD-TFT）作為人機界面。觸摸屏通過顯示串行接口與CPU的顯示控制器（LCD-TFT Display Controller，LTDC）連接。使用CPU擴展的外接內存作為顯示圖形緩沖器。

2 硬件設計

選用STM32F769NIH6芯片，主頻為216 MHz，具有32位的內部數據總線矩陣和豐富的外設資源，與本應用相關的資源如下：具有3個12 bit精度的模擬量采樣模塊（Analog-to-Digital Converter，ADC），每個模塊可采樣8個通道，CPU總共可以實現采集24通道信號采樣；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器控制器（Flexible external memory controller，FMC）；14個定時器。控制系統的硬件原理如圖1所示。

圖1 控制系統的硬件原理圖

為了最大限度保持原有滅菌器的結構，本文選用3.3 V輸入、220 V輸出的繼電器模塊作為驅動模塊,使CPU能夠驅動滅菌器。STM32F769NIH6芯片的GPIO口使用3.3 V電平標準，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；拆下原來的手動放汽閥，新制作一個螺紋轉接頭，轉接頭的一端連接到滅菌器殼體上，轉接頭的另外一端連接手動放汽閥，把溫度傳感器安裝到轉接頭中。經過上述改造后，CPU通過GPIO可以直接驅動繼電器模塊，實現對滅菌器的控制，通過繼電器的開啟和關斷來實現對滅菌器間歇性加熱，使滅菌器保持在設定的恒溫狀態。

3 軟件設計

控制系統軟件分為3個部分：主程序、線程1、線程2。其中，主程序負責硬件的初始化，負責線程1和線程2的創建，還負責線程間通信用的消息隊列的創建；線程1負責處理觸摸屏人機界面，線程2負責處理后臺控制邏輯。控制軟件流程圖如圖2所示。

軟件的設計過程，分別在3個開發工具中按順序完成，簡述如下：

1）在硬件配置工具STM32CubeMX中，根據配置向導完成顯示屏的LTDC顯示控制器的設置，完成FMC外置內存控制器的設置，完成連接繼電器的GPIO口的配置，完成ADC溫度采集的配置、計時周期為1 s的定時器的設置。在STM32CubeMX中還要完成嵌入式實時操作系統的設置，以在應用程序中開啟多線程；新建2個線程，線程1負責處理觸摸屏人機界面，線程2負責處理后臺控制邏輯。

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，以實現圖2所示的邏輯。用戶界面中設定變量（溫度和時間），包括“啟動”和“停止”按鈕的動作，在屏幕刷新的過程中，由線程1通過消息隊列傳遞給線程2；線程2每秒采集一次當前的溫度并計算一次累加保溫時間，將當前溫度和剩余時間通過消息隊列傳遞給線程1，線程1再將收到的值顯示在屏幕上。

系統加電后，當用戶按下“啟動”按鍵時開始循環工作，直到累計保溫時間達到預定時間，或者按下“停止”按鍵。為了保證溫度的采樣有較高的精度，負責溫度采集的ADC采樣模塊采集10個值，再對10個值取平均值，作為最終的溫度值。為了保證保溫時間的累加有較高的精度，定時器以1 s為周期持續定時，當1 s計時結束后，產生中斷，又開始新一輪的1 s計時。定時器更新中斷觸發ADC溫度采集和邏輯處理，由于定時器獨立于CPU內核運行，不占用CPU的邏輯處理時間，所以可以保證高的計時精度。

圖2 控制系統的軟件流程圖

4 測試結果

圖3顯示的是系統搭建完成后，觸摸屏上顯示和輸入溫度、時間的界面，以及“運行”和“停止”按鍵的布置。在該界面上通過增、減調節，在上、下限范圍內設置溫度和時間的預期值。當用戶按下“運行”按鍵后，如果滅菌器內的實際溫度低于設定溫度，那么CPU控制加熱器開啟，觸摸屏下半部分實時顯示當前設備內的實時溫度和所剩余的保溫時間。滅菌器按圖2所示的控制邏輯工作，直到累計保溫時間達到預定時間，或者按下“停止”鍵。

通過對控制系統升級后的壓力蒸汽滅菌器的實際使用發現，觸摸屏的使用提供了友好的人機界面，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定性。由于溫度和壓力波動范圍大大縮小，安全閥不再有持續的放汽現象，所以滅菌器對工作環境的噪聲污染顯著降低。

圖3 觸摸屏界面

5 結語

使用帶觸摸屏人機界面的ARM控制系統對傳統的壓力蒸汽滅菌器進行了升級改造，使滅菌器具有友好的人機界面，同時擴展了滅菌器溫度的設定范圍，滿足了醫療單位對不同醫療物品的消毒需求。而且，新的控制系統的引入，降低了滅菌器的水耗和電耗，減小了滅菌器工作時的噪聲。