儀器軟件方案設(shè)計(jì)說明書

研發(fā)部文檔編號(hào)版本密級(jí)項(xiàng)目名稱項(xiàng)目來源軟件設(shè)計(jì)說明書日寫：編期： 日期：審核： 日期：準(zhǔn)：批 文檔變更記錄序號(hào)變更說明作者版本號(hào)日期批準(zhǔn)TOC\o"1-5"\h\z一、 引言 -.1-1.1編寫目的 -.1 -范圍 -.1 -定義 -.1 -1.4版本說明 -.1 -1.5參考資料 -.1 -\o"CurrentDocument"二、 項(xiàng)目概述 -.2-2.1產(chǎn)品描述 -.2 -2.2產(chǎn)品功能 -.2 -2.3用戶特點(diǎn) -.2 -\o"CurrentDocument"三、 嵌入式軟件整體方案設(shè)計(jì) .-3-\o"CurrentDocument"3.1子系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì) .-.3 -\o"CurrentDocument"3.2中控板GUI方案設(shè)計(jì) .-3-\o"CurrentDocument"數(shù)據(jù)通信方案設(shè)計(jì) 4 -\o"CurrentDocument"四、 子系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì) -.5-\o"CurrentDocument"4.1液路系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì) .-.5 -\o"CurrentDocument"4.2樣品采集系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì) -7 -\o"CurrentDocument"4.3二氧化碳恒溫培養(yǎng)箱環(huán)境控制環(huán)境設(shè)計(jì) .-8 -\o"CurrentDocument"五、 中控板GUI方案設(shè)計(jì) -.9-六、數(shù)據(jù)通信方案設(shè)計(jì) -.10-\o"CurrentDocument"數(shù)據(jù)鏈路層通信方式 -10-\o"CurrentDocument"PC與主控板通信流程設(shè)計(jì) -10-、引言1.1編寫目的本說明書是項(xiàng)目嵌入式軟件系統(tǒng)的主要知道設(shè)計(jì)報(bào)告， 供項(xiàng)目經(jīng)理、嵌入式軟件工程師、測(cè)試工程師等閱讀。1.2范圍本軟件為項(xiàng)目?jī)x器設(shè)備控制軟件。1.3定義否轉(zhuǎn)動(dòng)（快）蠕動(dòng)泵1轉(zhuǎn)動(dòng)（慢）蠕動(dòng)泵2抽取足夠培養(yǎng)液體積？是培養(yǎng)袋中溶液蠕動(dòng)泵1轉(zhuǎn)動(dòng)（快）是副循環(huán)否主循環(huán)＞以內(nèi)100g相差蠕動(dòng)泵2轉(zhuǎn)動(dòng)（慢）否蠕動(dòng)泵1轉(zhuǎn)動(dòng)（慢）是蠕動(dòng)泵2轉(zhuǎn)動(dòng)（快）環(huán)境建立玩成建立環(huán)境開始運(yùn)行蠕動(dòng)泵1轉(zhuǎn)動(dòng)蠕動(dòng)泵2轉(zhuǎn)動(dòng)副循環(huán)培養(yǎng)液蠕動(dòng)泵1轉(zhuǎn)動(dòng)（慢）是體積超一半？蠕動(dòng)泵2轉(zhuǎn)動(dòng)（快）1.4版本說明Vx.x——|| 版本號(hào)，表示軟件模塊更改| 版本號(hào)，表示軟件架構(gòu)性的更改1.5參考資料1.《HA通信協(xié)議總括.doc》二、項(xiàng)目概述2.1產(chǎn)品描述項(xiàng)目是由核心部件hollowfiber構(gòu)成細(xì)菌和細(xì)胞的培養(yǎng)系統(tǒng)，這套系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用前景，我們公司研發(fā)這個(gè)項(xiàng)目的目的目前主要用于三個(gè)方面： 1、免疫細(xì)胞治療；2、藥物PK/PD應(yīng)用；3、干細(xì)胞培養(yǎng)。儀器總體包括5個(gè)部分：以hollowfiber為核心的主、次循環(huán)單元；環(huán)境控制單元；樣品采集存儲(chǔ)單元；計(jì)算機(jī)控制單元。2.2產(chǎn)品功能項(xiàng)目設(shè)備為細(xì)菌、細(xì)胞體外培養(yǎng)提供恒定的二氧化碳以及溫度環(huán)境， 能夠定時(shí)進(jìn)行樣本采集，并且提供一個(gè)意志細(xì)菌、細(xì)胞生長(zhǎng)的恒定的環(huán)境。2.3用戶特點(diǎn)用戶一般為醫(yī)院醫(yī)生、護(hù)士、公司內(nèi)部人員；用戶一般具有較好的生化知識(shí)。-2-三、嵌入式軟件整體方案設(shè)計(jì)項(xiàng)目設(shè)備嵌入式軟件系統(tǒng)從板卡結(jié)構(gòu)上來分，可以分為中控板軟件、液路板軟件、樣品采集板軟件、二氧化碳恒溫環(huán)境控制板軟件。從功能上分，大體可以分為：子系統(tǒng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、中控板GUI方案設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)通信方案設(shè)計(jì)。由于子系統(tǒng)的功能比較復(fù)雜，對(duì)于單一的前后臺(tái)實(shí)現(xiàn)起來比較困難，故采用如圖3-1所示基本框架結(jié)構(gòu)。圖3-1嵌入式軟件設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)中控機(jī)硬件結(jié)構(gòu)上選擇STM32F429,其自帶TFT屏硬件驅(qū)動(dòng)器，并且?guī)в杏布铀俟ΑＴ趯?shí)時(shí)操作系統(tǒng)上選擇UCOSIII，其功能相對(duì)于做了封裝的FreeRTOS要多很多，比如包含標(biāo)志組，相同優(yōu)先級(jí)時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)等。 CMSIS固件庫采用Ver1.5,而非HAL庫，因?yàn)榇酥锌貦C(jī)對(duì)于底層的處理要求，特別是對(duì)串口的底層操作靈活性要求高，不能使用HAL的傻瓜式庫函數(shù)，會(huì)影響程序效率以及結(jié)構(gòu)性能。液路系統(tǒng)、樣品采集、以及二氧化碳恒溫箱系統(tǒng)均采用 STM32F407，將時(shí)鐘調(diào)高到160MHz，足以處理任何傳感器數(shù)據(jù)以及意外情況，并且搭載 STM32Cube上自帶的FreeRTOS,采用HAL庫，這樣做的好處在于，對(duì)于外設(shè)開發(fā)簡(jiǎn)單，可以通過STM32Cube直接生成目標(biāo)驅(qū)動(dòng)。3.1子系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)子系統(tǒng)控制系統(tǒng)可以分為：液路建立運(yùn)行控制、樣品采集控制、二氧化碳恒溫環(huán)境控制。這些控制系統(tǒng)互相各不干擾，在軟件設(shè)計(jì)上也沒有均一性，故均需要進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)。3.2中控板GUI方案設(shè)計(jì)中控GUI設(shè)計(jì)作為儀器的一個(gè)顯示窗口，為客戶提供儀器運(yùn)行狀態(tài)的最直觀顯示，故其要去：簡(jiǎn)單、大氣、美觀。原則上，不在中控GUI上做控制命令接口，只提供顯示。-3-3.3數(shù)據(jù)通信方案設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通信機(jī)制為子系統(tǒng)之間提供一套完善的通信方式，是上位機(jī)與中控、與液路系統(tǒng)、與樣品采集系統(tǒng)、二氧化碳恒溫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾侄?。其設(shè)計(jì)的好與壞，直接影響設(shè)備的正常運(yùn)行。并且與控制系統(tǒng)相輔相成，控制系統(tǒng)可以將自身的一些異常通過通信機(jī)制反饋到中控以及上位機(jī)，同時(shí)能夠接收并解析中控或者上位機(jī)的命令。-4-四、子系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)4.1液路系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)

液路系統(tǒng)控制分為兩種狀態(tài)，液路平衡建立時(shí)態(tài)以及液路平衡運(yùn)行時(shí)態(tài)。液路平衡建立時(shí)態(tài)是指建立細(xì)菌、細(xì)胞培養(yǎng)的平衡性液路環(huán)境。液路平衡運(yùn)行時(shí)態(tài)是指液路平衡時(shí)需要處理的一些運(yùn)行控制狀態(tài)。開始輸入培養(yǎng)基體積圖4-1-1液路建立流程圖如圖4-1-1液路建立流程圖所示，液路系統(tǒng)先接收培養(yǎng)基的體積，然后接收到開始液路建立命令之后，儀器開始運(yùn)轉(zhuǎn)，注液泵開始從新鮮培養(yǎng)基中抽取液體到主TOC\o"1-5"\h\z循環(huán)中。同時(shí)，主次循環(huán)的蠕動(dòng)泵開始運(yùn)轉(zhuǎn)，利用這兩個(gè)蠕動(dòng)泵的轉(zhuǎn)速之差， -5來平衡主次循環(huán)中的液體流向。液路運(yùn)行環(huán)境建立完成獲取上位機(jī)指令進(jìn)培養(yǎng)進(jìn)藥排廢暫停停止主次稱重比較命令基液指液指液指命令指令令令令指令轉(zhuǎn)動(dòng)（快）蠕動(dòng)泵 1主重量■次重量〉是5轉(zhuǎn)動(dòng)（慢）蠕動(dòng)泵藥廢儀進(jìn)液儀泵泵停運(yùn)暫轉(zhuǎn)動(dòng)（慢次重量蠕動(dòng)主重轉(zhuǎn)動(dòng)（慢蠕動(dòng)次重主重量蠕動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)（慢主重量次重蠕動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)（快） 4-1-2液路運(yùn)行流程圖圖液路運(yùn)行流程圖所示，液路系統(tǒng)建立完成后開始運(yùn)行，然后接收如圖4-1-2,主蠕5g上位機(jī)的指令，同時(shí)進(jìn)行主次循環(huán)稱重比較。如果主重量比次重量大，次蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速快；主重量和次重量的差值 5g動(dòng)泵轉(zhuǎn)速快；次重量比主重量大之內(nèi)，速度一樣。在接收到上位機(jī)的進(jìn)培養(yǎng)基指令，進(jìn)藥液指令，排廢液5g在指令，暫停指令或者停止指令后，儀器做出相應(yīng)的操作。 -6-4.2樣品采集系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)圖4-2-1樣品采集系統(tǒng)控制流程圖圖4-2-1樣品采集系統(tǒng)控制流程圖，開機(jī)候，轉(zhuǎn)盤以及X軸，Z軸先復(fù)位，如果復(fù)位超時(shí)，則發(fā)送復(fù)位異常數(shù)據(jù)包，繼續(xù)執(zhí)行復(fù)位操作，直到系統(tǒng)復(fù)位。接收到樣品采集命令，注射泵開始抽拉混勻，混勻結(jié)束之后開始抽取樣本后，轉(zhuǎn)盤開始運(yùn)轉(zhuǎn)到達(dá)預(yù)定的位置后，X軸電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)到達(dá)預(yù)定位置后，Z軸電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，采樣針穿刺，注入樣本，Z軸復(fù)位。判斷本次樣本注入完畢，如果沒有，則執(zhí)行前述操作。樣本注入完成之后，X軸電機(jī)復(fù)位，轉(zhuǎn)盤復(fù)位完成，本次采樣結(jié)束。-7-4.3二氧化碳恒溫培養(yǎng)箱環(huán)境控制環(huán)境設(shè)計(jì)圖4-3-1二氧化碳濃度控制流程圖4-3-1是二氧化碳濃度控制流程，上電后，傳感器自檢，如果自檢失敗，發(fā)送傳感器異常命令，直到自檢成功。接收到環(huán)境建立命令之后，讀取傳感器參數(shù)，如果濃度小于4.9%，則打開電磁閥放二氧化碳?xì)怏w500mS，等待氣體穩(wěn)定后,重新測(cè)量，重復(fù)之前操作，如果大于4.9%，則不用放二氧化碳?xì)怏w。溫度控制，直接與溫控板連接，設(shè)置其溫度。五、中控板GUI方案設(shè)計(jì)emWin設(shè)計(jì)用于提供高效且獨(dú)立于處理器和顯示控制器的圖形用戶界面，用于任何使用圖形顯示進(jìn)行操作的應(yīng)用。它與單任務(wù)和多任務(wù)環(huán)境、專用操作系統(tǒng)或具有任何商業(yè)RTOS兼容，emWin的發(fā)貨形式為C語言源代碼。它可適用于任何尺寸的、具有任何顯示控制器和CPU的物理和虛擬顯示器。STemwin是專門用于STM32系列芯片的emwin界面。中控板的GUI就是采用了STemwin的界面控制方法。-9-六、數(shù)據(jù)通信方案設(shè)計(jì)6.1數(shù)據(jù)鏈路層通信方式

主動(dòng)發(fā)送消自動(dòng)重對(duì)方接發(fā)送異超過三次收到回結(jié)圖6-1基本底層通信機(jī)制流程各子系統(tǒng)與中控板之間通過物理層上用RS232串口協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，因?yàn)榇诘脑谝欢ǖ恼`碼率以及可能得數(shù)據(jù)干擾，需要在物理層上添加數(shù)據(jù)鏈路層，以完善數(shù)據(jù)通信功能，所以提出了圖6-1所示的基本通信機(jī)制流程。主機(jī)主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)，從機(jī)接收，并實(shí)時(shí)回復(fù)，主機(jī)接收到回復(fù)之后，標(biāo)志本次數(shù)據(jù)發(fā)送成功，如果沒有收到回復(fù)信息，則會(huì)實(shí)時(shí)重發(fā)，超過三次重發(fā)，發(fā)送通信異常事件。數(shù)據(jù)通信格式請(qǐng)參考《HA通信協(xié)議總括.doc》文檔。6.2PC與主控板通信流程設(shè)計(jì)pc機(jī)與主控板之間主要包含四種狀態(tài)，主系統(tǒng)以及各子系統(tǒng)初始化狀態(tài)，正常運(yùn)行狀態(tài)，異常運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)束狀態(tài)。圖6-2是主系統(tǒng)初始化流程圖，其中包含了正常初始化以及異常初始化處理。-io-開始系統(tǒng)初始化PC軟件查詢下位機(jī)否在線屏幕輸岀詢問次數(shù)小否在線？3異常于是PC查詢下PC顯示錯(cuò)誤狀位機(jī)初化狀P顯示系統(tǒng)結(jié)束成功始化P顯示系統(tǒng)始化成6-2主系統(tǒng)初始-11-定時(shí)詢問傳感器下位機(jī)確認(rèn)運(yùn)數(shù)：壓力，顏色P輪詢液路狀成功P顯示錯(cuò)誤界5-2液路運(yùn)行流5-2是液路系統(tǒng)初始化流程圖，其中在等待下位機(jī)發(fā)送運(yùn)行狀態(tài)過程中上位機(jī)每5輪詢一次，而壓力、顏色傳感器參數(shù)輪訓(xùn)建議周期10-12-樣品采集運(yùn)行流程人工或者定時(shí)發(fā)否送樣品采集命令接收回復(fù)信報(bào)錯(cuò)PC否3次？是大于號(hào)？是PC查詢采集狀發(fā)生錯(cuò)誤完畢P提示采集功，取樣5-3樣品采集運(yùn)行狀態(tài)流5-是樣品采集系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)P交互的流程圖，發(fā)送樣品采集的命可有兩種驅(qū)動(dòng)源一種是人工手動(dòng)在界面上點(diǎn)擊樣品采集另一種是定時(shí)發(fā)送品采集命令（疑問：紫光燈殺菌需個(gè)小時(shí)，而細(xì)菌樣品采集時(shí)間間隔低小時(shí)怎么處理圖5-4是CO2環(huán)境建立流程，首先需要根據(jù)用戶設(shè)定CO2環(huán)境的溫度，PC機(jī)每隔5S輪詢一次環(huán)境建立的狀態(tài)，并實(shí)時(shí)顯示CO2的濃度和溫度。-13-CO2環(huán)境建立流程否PC設(shè)定CO2培養(yǎng)箱溫度接收回復(fù)信報(bào)錯(cuò)PC否次？是大于3號(hào)？PC發(fā)送建立二氧化培養(yǎng)環(huán)境命令PC詢問CO2培養(yǎng)箱狀態(tài)，顯示實(shí)時(shí)溫度和CO2濃環(huán)境建立畢P顯示環(huán)境建立完5-4CO環(huán)境建立流5-是系統(tǒng)關(guān)閉流程P發(fā)送完系統(tǒng)關(guān)閉命令之后，下位機(jī)立即回復(fù)上關(guān)