基于LPC2119生物实验室培养控制平台设计

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                    　　摘? 要： 针对生物实验微生物培养过程周期长、工作量大的特点，提出了以LPC2119为控制核心、基于CAN总线的实验室自动控制平台的设计方案。该方案中，硬件系统核心实现全隔离设计，提高了系统的安全可靠性；集成驱动电路简化了对被控对象的要求，增强了控制平台的易用性。
　　以Philips公司的ARM单片机LPC2119为控制核心，提出了一种自主式移动机器人的设计方案。应用98C1051构成多超声传感器子系统控制电路，由此子系统实现对障碍物的测距及机器人的自主避障行走控制；通过光敏传感器实现机器人对光源的感知和寻找；通过无线通信芯片PTR2000实现移动机器人与计算机之间的无线通信。
　　LPC2119是Philips公司推出的支持实时仿真和跟踪的ARM7TDMI-S微处理器，嵌入128KB高速Flash存储器。它采用3级流水线技术，取指、译码和执行同时进行，能够并行处理指令，提高CPU运行速度。由于其具有非常小的尺寸和极低的功耗，非常适合小型化应用。片内多达64KB的SRAM，具有较大的缓冲区规模和强大的处理能力。LPC2119内部集成2个CAN控制器、2个32位定时计数器和4个ADC单元电路。
　　生物实验过程，尤其是在细胞和分子层面的实验，具有周期长、工作量大的特点[1]。如何把从事生物、化工科学研究的人员从繁重的重复性体力劳动中解放出来并提高过程控制的精度是一个重要的研究方向。生物培养过程是实验中极其重要的一步，在动辄数十天的细胞培养过程中，培养环境的稳定性非常重要，这就对生物过程控制提出了稳定性的高要求。
　　1 生物实验平台简介
　　基于细胞和分子生物学研究的自动化生物实验室平台框图如图1，该实验室为包含多个生物培养箱和检测分析单元为下位节点的主从式系统。作为基于CAN总线的自动控制节点，以培养箱为例：一个可以独立工作的培养箱需要包括氧气、二氧化碳、空气、消毒液、蒸馏水在内的资源的可控供给和废气废液的可控排出才能保持稳定。培养箱中的控制平台通过前端的传感器接口，采集培养环境中的参数进行监控，之后整合数据与主机进行通信，共同决策控制方案，经过对温度、压强和一些泵阀门的基本控制，调控生物培养环境。



　　2 控制平台硬件设计
　　2.1 设计指标
　　控制平台通常包括电源、参数采集接口、数字量输入输出、可调模拟量输出、通信接口。本系统使用工业用直流电源，供电电压为24 V；温度、湿度、气体浓度等参数控制是培养箱基本功能；基于CAN总线的主从式生物实验室每个节点都需要CAN通信接口。得到设计指标为：24 V转换5 V电源，4路A/D，2路大功率模拟输出，2路继电器输出，8路数字输入输出，CAN通信接口，实时时钟。
　　2.2 电路设计
　　为了满足生物控制平台的高效、实时、稳定的要求，结合现代电子通信技术设计了一套基于LPC2119的CAN总线生物实验控制平台。该方案使用CAN总线，具有稳定可靠、连线简单、速度快、能长距离传输等优点；采用全隔离设计，提高了数字核心控制系统的抗干扰性；系统自带驱动电路，简化使用过程中对被控制对象（泵、阀等）的要求。平台结构框图如图2所示。



　　本生物实验控制平台采用双模块设计，即：输出板和主板分离，接口采用接插方式设计，这种设计方法可增强系统的易维护性和稳定性。
　　2.2.1 输出板电路
　　图2中，输出板主要包含7个模块和所有的外部接口。每一个模块根据其需求及芯片接口类型采取了不同的隔离设计方案。
　　（1）电源模块：LM2576开关电源芯片作为核心24 V->5 V的电源输入，之后采用IF0505S1的5 V->5 V隔离模块作为控制板内隔离电源。由于LPC2119核心和几个外围电路的芯片为低功耗芯片，故而采用直接的线性稳压模块LM1117-3.3和LM1117-1.8（用于核心LPC2119内部CPU供电）。为增强电源的安全可靠性，在电源部分设计中增加了限流保险和防止电源反接的二极管。
　　（2）模拟输出模块：模拟输出采用I2C总线驱动的8 bit D/A，为了保证核心LPC2119工作的稳定性，其I2C总线的隔离采用ADI公司的专用隔离芯片ADUM1250，D/A输出和外部连接使用非隔离5 V电源。D/A芯片为AD5337，8 bit两通道，串行I2C总线接口，其地址为0x18。由于平台所要控制的气泵液泵驱动电压一般在5 V以上，为了不增加系统的复杂性，在AD输出之后接运放LM358将信号放大并通过功率MOS管IRF540进行电流放大（最大支持20 A），使之具备动态范围20 V以内的驱动能力。
　　（3）模拟输入模块：生物实验所需要控制的培养环境是渐变的过程，所涉及的模拟信号量变化相对某些工业控制过程较缓慢，模拟信号采样的响应时间在毫秒量级可以满足要求。由于光耦的感应电流比较小，所以电路中需要较大的R13电阻，C32和C33的作用是减小高频噪声，但会带来响应频率的降低。R12/R13为该线性隔离电路的增益，该增益主要为了满足输入模拟信号的动态范围支持到接近0"5 V。图3为CD4051+线性光耦模块电路图。



　　该单元中CD4051地址线A、B信号经由光耦隔离输入，用于控制选通四通道之一。
　　该电路经过实测得到的线性系数为：输入信号大于0.1 V后小于5%，大于0.4 V后优于1%，优于HCNR200标称的15%。该系统输出截止电压为3.277 V，在0.4 V～3.27 V内线性度良好。
　　（4）开关量模块：经由光耦隔离的IO信号由PNP型晶体管S8550放大电流后驱动继电器。
　　（5）数字输出模块：该模块的设计采用了光耦隔离和磁耦合隔离两种方案。对照表明：作为IO隔离磁耦ADUM1410比光耦使用方便，几乎不需要外接元件，还具有使能控制引脚；光耦隔离则需要外接电阻，但具有成本优势。后级驱动芯片ULN2803的输入电流最大可达500 mA，支持的最大电压可达30 V，即：COM端可以接5 V"24 V电源。经过驱动后输出端口主要用于驱动加热电机、泵、阀门之类的模块。
　　（6）CAN接口：本接口采用周立功公司具有隔离（DC 2500）、ESD保护功能的CAN收发器CTM1050T。该收发器符合ISO11898标准，最高支持1 Mb/s的通信速率，电磁辐射低、抗干扰，使用简便，满足工业级要求。CAN是Controller Area Network 的缩写（以下称为CAN），是ISO国际标准化的串行通信协议。在当前的汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需要，
　　2.2.2 主板电路
　　（1）最小系统：包括ARM芯片、时钟、复位电路、电源（3.3 V从输出板直接引入，1.8 V需要一个稳压芯片），标准JTAG接口。在一般嵌入式系统核心电路中，通常使用专用复位芯片设计复位电路。由于该系统使用隔离电源，并且使用线性稳压器件，3.3 V电源可靠稳定，故而使用简便的阻容开关式复位电路。该系统采用标准的20脚JTAG接口，并增加上拉电阻提高稳定性。
　　（2）实时时钟模块：LPC2119虽然自带实时时钟，在低功耗模式下该模块可以工作，但在其用户手册上没有发现低功耗模式下的供电方式。为使该模块正常工作，使用基于I2C总线的PCF8563时钟芯片作为核心的实时时钟电路单元。
　　（3）E2PROM单元：为了防止系统掉电后数据丢失，外加该单元用于重要数据的存放，提高系统可靠性。该单元采用基于I2C总线的24C256。
　　（4）串口：备用，用于测试CAN数据。
　　2.3 电路特点
　　该硬件方案基于CAN总线的控制节点，CAN总线通信具有稳定可靠、连线简单、速度快、能长距离传输等优点；系统采用输出板、主板分离模块化设计；全隔离设计，提高了核心数字控制系统的抗干扰性；系统自带驱动电路，简化使用过程中对被控制对象（泵、阀等）的要求。
　　3 控制平台程序设计
　　程序开发编译环境使用ARM Developer Suite v1.2，使用周立功公司的EasyJTAG在线仿真调试运行程序。
　　3.1 系统主程序
　　基于CAN总线的生物实验控制平台程序工作框图如图4所示。系统上电后首先进行初始化，包括各种硬件使能、寄存器设置、通过I2C设置或读取时钟值、CAN接口初始化、开中断等操作，使之可以响应上位机的CAN数据查询帧。无异常则将系统状态如：温度、湿度、压强等环境参数及开关、阀门状态等重要参数进行E2PROM备份。之后继续进行数据采集，在正常状态循环中可以响应上位机（工控PC）基于CAN总线的数据查询和控制。



　　CAN总线是德国BOSCH公司从80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可达1MBPS。
　　CAN总线通过CAN收发器接口芯片82C250的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连，而CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态，CANL端只能是低电平或悬浮状态。这就保证不会在出现在RS-485网络中的现象，即当系统有错误，出现多节点同时向总线发送数据时，导致总线呈现短路，从而损坏某些节点的现象。而且CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，从而保证不会出现象在网络中，因个别节点出现问题，使得总线处于“死锁”状态。而且，CAN具有的完善的通信协议可由CAN控制器芯片及其接口芯片来实现，从而大大降低系统开发难度，缩短了开发周期，这些是仅有电气协议的RS-485所无法比拟的。
　　如果发生异常，包括参数变动超出正常范围时，需要系统进行调控，主动开启CAN发送程序向上位机报告，并请求处理指令。如果未能成功发送数据或者接收指令失败，则启动平台内部应急控制，根据计算出的控制参数进行控制量实施之后，返回程序开始处的数据采集步骤。
　　3.2 参数采集
　　本文在测试过程中采用北京昆仑海岸传感器技术中心的JWSL-7VB型温湿度传感器。传感器供电电压24 V，输出模拟电压0～5 V，温度测试范围0"50 ℃，误差±0.5 ℃，相对湿度测试范围0"100%，误差±3%。微生物培养过程所需的湿热环境，温度范围在25 ℃"40 ℃内，传感器输出信号经过线性光耦后的电压超过1 V，线性光耦引入误差小于0.1%，相对传感器误差可以不予考虑。
　　3.3 CAN通信子程序
　　CAN通信程序包括初始化、接收中断、发送程序。初始化主要完成对CAN控制器的硬件使能、管脚初始化、软件复位、设置波特率、配置CAN的工作模式、优先级模式、设置验收过滤器、设置中断使能寄存器。如为其他中断类型，则调用相应响应函数进行处理，例如总线错误中断响应需要关闭该总线接口。
　　文中基于CAN总线的发送程序较为简单，为了提高数据发送的效率，每个LPC2119集成的CAN控制器中设有3个发送缓冲区，发送数据时，需要将待发送的数据写入空闲缓冲区内，程序设计时采用第一个发送缓冲区为主发送缓冲，依次第二，第三。完成缓冲区数据填写后指定发送缓冲，发送命令字即发送数据[3]。
　　4 测试结果
　　系统完成后连接部分传感器，对其他CAN节点和工控机进行测试，完成如图5中部分内容。测试参数设置和结果如表1，其中报警状态为主板自带IO驱动的LED指示灯和工控PC端界面相应模块响应。






　　全隔离设计极大地提高了数字核心的安全性和稳定性，基于CAN总线的节点设计，为模块与上位机系统间通信的可靠性和实时性提供了保障。与此同时，该系统为以后生物实验过程控制算法的研究提供了一个高性能的平台。