生物试剂检测的控制系统的制作方法

本发明涉及生物试剂检测的技术领域，更具体地说，本发明涉及一种生物试剂检测的控制系统。

背景技术：

快速型生物试剂检测装置，主要用于检测生物试剂被杀灭的程度，用于评估灭菌的效果。将灭菌后的生物试剂放置于培养基中培养，如果生物试剂没有被完全杀灭，生物试剂中的芽孢复苏后产生酶促反应，经过一段时间以后菌种会大量繁殖。采用特定的荧光染料对细菌细胞进行染色，细菌大量繁殖以后，将携带大量荧光染料。采用现有的光电检测或者光电传感技术，通过特定波长的光源激发，细菌繁殖后携带大量的荧光染料，被激发后就会产生另一种波长的荧光，通过荧光检测、荧光判读，准确测定生物菌种的繁殖情况，就可以准确评价灭菌效果的好坏。

从生物试剂检测仪器的整体功能设计出发，考虑试剂管的插入、拔出检测，测量时间的设定，环境温度，实时时钟等等复杂的操作与功能，因此，生物试剂检测的控制系统多采用集成式系统，即集成化方式、模块化设计。整个控制系统基于微处理器、微控制器为控制核心，所有的外围设备按照模块进行划分与设计。以快速生物试剂检测装置整个控制系统为例，主要包括闭环反馈的恒温控制模块、光电传感采集模块、激发光源发射模块、红外对管检测、环境温度传感器等；微控制器、微处理器构成的最小系统，还应该包括扩展的内部flash存储系统或者sd卡、rtc实时时钟模块；整个系统对外交互部分，包括ethernet以太网通信模块、lcd触摸显示屏、键盘输入、蜂鸣器报警等等。整个控制系统按照功能模块进行划分，以微处理器、微控制器为核心处理单元，集输入输出、通信、数据转换为一体，构成一个复杂的嵌入式控制系统。按照模块功能与整体工作的流程化，由微处理器或微控制器来统一协调各个部分模块的工作与运转情况，并统一采集数据、数据处理与分析。这样的设计方式前期对系统资源的评估要求高，一旦系统确定所需要的资源，选取相应的方案以后，整体进行开发与设计，对于系统整合与中央核心处理器要求高。一旦模块部分出现问题以后，可能涉及到整体控制系统的稳定性，牵一发而动全身，非常不利于后期的更新与维护，也不利于检查错误与排除问题；另一方面，系统可扩展性差，由于采用集中的控制方式，尤其是生物试剂检测类仪器，对于通道的需求量较大，一般需要多通道的adc转换器，更多的输入与输出，对于集中式控制系统而言，无法在现有的基础上进行延伸与扩展，因此，对于大量的通道无法灵活的配置与处理。另外，生物试剂检测需要高控制精度的恒定温度条件，对于高精度的温度控制又需要精密的测量与实时计算，对于控制流程的复杂性、包括数据处理、数据保存与数据存储等处理，大大增加了系统的设计成本与设计复杂性。

传统的分布式控制系统主要应用于控制设备比较多、设备之间空间距离较远的应用场合，由一台主控制器或者计算机承担主控的角色，其他分控制系统在独立完成各自结构功能，同时与主控制器通信，受主控制器的调配，并能将各个设备的情况反映到主控制单元，比如汽车通信can局域网、电梯控制系统等，但是，基于i²c的通信总线控制系统还没有在生物试剂检测的板级控制系统领域中应用。

技术实现要素：

针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种生物试剂检测的控制系统，解决了传统的分布式控制系统对系统整合与中央核心处理器要求高、系统可扩展性差的技术问题，实现板级模块功能化划分、板级模块之间基于i²c通信总线的通信总线控制，扩展性强、可维护性高。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，本发明通过以下技术方案实现：

本发明提供一种生物试剂检测的控制系统，其包括：

主控制单元，其包括通信连接的mcu微控制器与i²c控制器；

若干个多通道采集单元，其用于led恒流源控制、环境温度数据采集以及光探测数据采集；以及，

电源管理单元，其分别与所述主控制单元以及所述多通道采集单元通信连接，用于提供稳定的电源输入功率；

其中，所述i²c控制器通过i²c通信总线分别与若干个所述多通道采集单元一一通信连接。

优选的是，还包括用于现场人机交互的人机交互单元，其包括：

lcd触摸显示模块，其通信连接到所述主控制单元，用于通过触摸操作实时查看仪器运行状态；

薄膜键盘，其通信连接到所述主控制单元，用于通过非触摸输入到所述mcu微控制器；以及，

蜂鸣器，其通信连接到所述主控制单元，用于预警。

优选的是，所述主控制单元还包括gpio、uart、usb控制器、uart控制器、以太网控制器、rtc实时时钟模块、flash存储器；

其中，所述主控制单元通过所述gpio、所述uart分别通信连接到所述人机交互单元；

所述主控制单元通过所述usb控制器、所述uart控制器外接上位机；

所述主控制单元通过以太网控制器与上位机建立以太网通信；

所述rtc实时时钟模块用于计时和时间显示；

所述flash存储器用于fat文件系统的建立。

优选的是，所述fat文件系统的数据包括在测试过程中保存当前通道的系统配置状况、运行时间、ip地址参数、各个通道测试的数据组、上位机以太网通信的html源文件以及其它固定存储的文件、数据。

优选的是，所述多通道采集单元包括：

协控制器，其通过i²c通信总线与所述i²c控制器连接，用于数据通信；

恒温控制模块，其通信连接到所述协控制器，用于实时采集反馈温度以调节加热功率；

积分型光电探测模块，其通信连接到所述协控制器，用于根据所述协控制器产生的特定时序采集实时荧光信号并进行数字转换；

红外对管检测模块，其通信连接到所述协控制器，用于实时检测试剂管的插入与拔出；

紫外led光源恒流模块，其通过i²c通信总线通信连接到所述主控制单元，用于控制每个所述多通道采集单元的led电流；以及，

环境温度监测模块，其通过i²c通信总线通信连接到所述主控制单元，用于将采集的实时环境温度发送给所述主控制单元。

优选的是，所述积分型光电探测模块包括依次通信连接的光电探测器、电容积分电路、第一adc以及触发器；

所述光电探测器采集试剂管上发出的实时荧光信号，经所述电容积分放大电路的放大以及所述第一adc的模数转换后发送给所述协控制器；

所述协控制器接收数字化的荧光信号后，通过所述rtc实时时钟模块以及所述触发器的配合产生特定时序，控制所述积分型电容积分电路的实时荧光信号采集以及所述紫外led光源恒流模块的led电流产生按特定时序同步动作。

优选的是，所述恒温控制模块包括mos管、聚酰亚胺加热膜、热敏电阻以及第二adc；所述协控制器包括数字化pid控制器；

其中，所述热敏电阻采集的反馈温度，经所述第二adc转换成数字信号，经所述数字化pid控制器调节pwm占空比，控制所述mos管的导通与断开，以调节聚酰亚胺加热膜的加热功率。

本发明至少包括以下有益效果：

本发明提供的生物试剂检测的控制系统，通过i²c通信总线，将主控制单元的i²c控制器分别与若干个多通道采集单元一一通信连接，实现板级模块功能化划分、板级模块之间基于i²c的通信总线控制相结合，扩展性强、可维护性高，便于后续异常排查。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为传统的生物试剂检测的控制系统的通信示意图；

图2为本发明的生物试剂检测的控制系统的通信示意图；

图3为本发明的多通道采集单元的通信示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1所示，本发明提供一种生物试剂检测的控制系统，其包括主控制单元、若干个多通道采集单元以及电源管理单元。

主控制单元是整个系统运行的核心部分，包括通信连接的mcu微控制器与i²c控制器。每个多通道采集单元用于led恒流源控制、环境温度数据采集以及光探测数据采集。电源管理单元分别与主控制单元以及若干个多通道采集单元通信连接，用于提供稳定的电源输入功率。其中，i²c控制器通过i²c通信总线分别与若干个多通道采集单元一一通信连接。

该实施方式中，将极板上按照电源、主控、多通道采集等功能进行模块划分，并且，通过i²c通信总线与i²c控制器通信连接，建立起主控制单元与若干个多通道采集单元基于i²c通信网络的主从式控制。由于采用i²c通信总线的控制方式，i²c通信总线上根据地址分配可以连接若干个多通道采集单元，主控制单元主要通过通信命令的接收、发送，来控制各个多通道采集单元内数据的定时收集。采用基于i²c通信的主从式控制系统，结合板级模块功能化划分，突破了传统的分布式控制系统主要应用于控制设备比较多、设备之间空间距离较远的场合，实现板级模块之间基于i²c的通信总线控制，扩展性强、可维护性高。

作为上述实施方式的优选，电源管理单元主要接入外部电源输入，由dc-dc电路、ldo电路构成，并将系统的外部电源输入转换成其它单元或模块工作所需要的电源，并对电源的输入输出进行保护，例如emc\emi滤波设计等等。

作为上述实施方式的优选，生物试剂检测的控制系统还包括用于现场人机交互的人机交互单元。具体地，人机交互单元包括lcd触摸显示模块、薄膜键盘以及蜂鸣器。lcd触摸显示模块通信连接到主控制单元，用于通过触摸操作实时查看仪器运行状态。作为一种示例，lcd触摸显示模块可以是lcd触摸显示屏。薄膜键盘通信连接到主控制单元，主要用于通过非触摸输入到mcu微控制器，比如报警声音取消等等，主要是防止触摸交互故障或者无响应等。蜂鸣器通信连接到主控制单元，用于预警。具体地，蜂鸣器用于测量过程中，阴性阳性判断的报警，发出声音进行警示与提醒，可以通过按钮消除，可以通过系统设置配置是否报警。

作为上述实施方式的优选，主控制单元还包括gpio、uart、usb控制器、uart控制器、以太网控制器、rtc实时时钟模块以及flash存储器。其中，主控制单元通过gpio、uart分别通信连接到人机交互单元，实现数据通信与控制。具体地，主控制单元通过gpio、uart经i/o通信连接到lcd触摸显示模块，实现仪器运行状态的控制与数据显示；主控制单元通过usb控制器、uart控制器分别外接上位机，实现主控制单元与上位机通信，保存数据、控制设置等，usb、uart主要用于调试时使用。主控制单元通过以太网控制器与上位机建立以太网通信。rtc实时时钟模块用于计时和时间显示，试剂检测时间长通常需要1-3小时，并且需要进行数据回溯，每次测量的数据需要打上时间标签，并进行记录。flash存储器用于fat文件系统的建立。作为进一步优选，fat文件系统的数据包括在测试过程中保存当前通道的系统配置状况、运行时间、ip地址参数、各个通道测试的数据组、上位机以太网通信的html源文件以及其它固定存储的文件、数据。

作为上述实施方式的优选，多通道采集单元按照局部功能进行进一步划分，至少包括五个模块，分别是协控制器、恒温控制模块、积分型光电探测模块、红外对管检测模块、紫外led光源恒流模块以及环境温度监测模块。

协控制器具有一定运算处理能力，协控制器通过i²c通信总线与外部主控制单元的i²c控制器连接，实现数据的通信与交互。

恒温控制模块通信连接到协控制器，用于实时采集反馈温度以调节加热功率。具体地，作为一种优选，恒温控制模块包括mos管、聚酰亚胺加热膜、热敏电阻以及第二adc；协控制器包括数字化pid控制器，则热敏电阻采集的反馈温度，经第二adc转换成数字信号，再经数字化pid控制器调节pwm占空比，从而控制mos管的导通与断开，以调节聚酰亚胺加热膜的加热功率。通过调节数字化pid控制器的pid参数，使得系统加热响应速度快，温度稳定精度高。

积分型光电探测模块通信连接到协控制器，用于根据协控制器产生的特定时序采集实时荧光信号并进行数字转换。作为进一步优选，积分型光电探测模块包括依次通信连接的光电探测器、电容积分电路、第一adc以及触发器，光电探测器采集试剂管上发出的实时荧光信号，经电容积分放大电路的放大以及第一adc的模数转换后发送给协控制器。协控制器接收数字化的荧光信号后，通过rtc实时时钟模块以及触发器的配合产生特定时序，控制积分型电容积分电路的实时荧光信号采集以及紫外led光源恒流模块的led电流产生按特定时序同步动作。该实施方式采用的电容积分电路，可以有效的通过调节积分电容的大小，调节信号的放大倍数，更有效的是可以通过调节积分时间，通过更长时间的积分可以大大的提高信噪比，这是传统互阻放大器所不具有的，而对于生物指示剂判别而言，积分时间的长短远远小于判读所经历的数个小时。至于电容积分电路的具体电路形式及连接关系，本发明不做具体限制。

红外对管检测模块，其通信连接到协控制器，用于实时检测试剂管的插入与拔出。具体地，红外对管检测模块包括红外发射与红外接收两个部分，将采集到的插入或拔出的状态信息，发送给协控制器，并经i²c通信总线进一步发送到主控制单元。紫外led光源恒流模块通过i²c通信总线通信连接到主控制单元，用于控制每个多通道采集单元的led电流。即紫外led光源恒流模块通过i²c通信总线设置各个通道的led电流大小。该模块需要由主控制单元模块配合并协同积分型光电探测模块一起同步工作，产生正确的测量控制时序，并需要紫外led光源的控制配合。

环境温度监测模块，其通过i²c通信总线通信连接到主控制单元，用于将采集的实时环境温度发送给主控制单元。具体地，环境温度监测模块用于测量试剂培养时，多通道采集单元内部的环境温度，该环境温度的检测主要是用于保护整体模块，以防止过分加热、热传导以及保温效果等等。

上述实施方式中，采用基于i²c通信的主从式控制系统，通过i²c通信总线通信与板级模块划分等方式，将整个系统按照功能等效划分成功能相同的模块，模块内部采用协处理器，进行内部同步控制；模块之间通过i²c通信互联，与主控制单元采用i²c通信总线的通信方式，致使多通道采集单元自身构成了一个完整的可独立运行的系统。具体地，恒温控制模块、积分型光电探测模块、红外对管检测模块由协处理器负责控制；紫外led光源恒流模块、环境温度监测模块直接由i²c通信总线受外部主控制单元的调度与控制。工作过程中，多通道采集单元自身控制着相应模块的正常工作与运行，所有模块的同步动作由主控制单元通过i²c通信总线发起，并按照特定的控制时序，实现各个模块的联合运转，同时各个模块的运行情况也直接反馈到主控制单元，主控制单元可以根据模块通信返回的结果，判别i²c通信总线上所有子模块的工作情况与状态信息。

另外，主控制单元根据控制流程，初始化温度并实时监测温度数据、对试剂管插入进行检测、读取通道数据、并进行数据分析、存储，同时还进行lcd触摸显示屏的交互操作，与上位机pc之间的以太网、usb通信、数据传输，上位机pc可以远程设置与数据获取与分析等。

因此，主控制单元的主要任务是与人机交互单元的交互控制、与上位机pc数据通信以及特定控制时序的产生，大大减少了主控制单元对多通道采集单元中数据采集的具体细节控制，有效地降低了系统对主控制单元的处理能力与资源要求。模块出错后，通过通信方式立即可以发现问题，不影响整机其他部分的正常运行，有利于系统检修与维护；并且，采用基于i²c通信总线通信的模块化设计，可以通过通信总线方便的进行模块扩展，可以应用于多种需求场合，方便实现多个探测通道、模块的组装、扩展等。

在整个板级通信控制系统中，从设备可以是采用i²c通信总线控制的采集设备或者单个模块，也可以采用单片机作为控制核心，实现独立的控制功能，并与主控制单元通信。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。