仪器软件方案设计说明书

仪器设备管理制度
软件设计说明书
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文档变更记录
一、引言....................................................... - 1 -
1.1 编写目的................................................. - 1 -
1.2 范围..................................................... - 1 -
1.3 定义..................................................... - 1 -
1.4 版本说明................................................. - 1 -
1.5 参考资料................................................. - 1 -
二、项目概述 ..................................................... - 2 -
2.1 产品描述................................................. - 2 -
2.2 产品功能................................................. - 2 -
2.3 用户特点................................................. - 2 -
三、嵌入式软件整体方案设计 ....................................... - 3 -
3.1 子系统控制方案设计....................................... - 3 -
3.2 中控板GUI方案设计....................................... - 3 -
3.3 数据通信方案设计......................................... - 4 -
四、子系统控制方案设计 ........................................... - 5 -
4.1 液路系统控制方案设计..................................... - 5 -
4.2 样品采集系统控制方案设计................................. - 7 -
4.3 二氧化碳恒温培养箱环境控制环境设计....................... - 8 -
五、中控板GUI方案设计 ........................................... - 9 -
六、数据通信方案设计 ............................................ - 10 -
6.1 数据链路层通信方式...................................... - 10 -
6.2 PC与主控板通信流程设计 ................................. - 10 -
一、引言
1.1 编写目的
本说明书是项目嵌入式软件系统的主要知道设计报告，供项目经理、嵌入式软件工程师、测试工程师等阅读。

1.2 范围
本软件为项目仪器设备控制软件。

1.3 定义
Vx.x
| |_____次版本号，表示软件模块更改
|______主版本号，表示软件架构性的更改
1.5 参考资料
1.《HA通信协议总括.doc》
二、项目概述
2.1 产品描述
项目是由核心部件hollow fiber构成细菌和细胞的培养系统，这套系统有着广泛的应用前景，我们公司研发这个项目的目的目前主要用于三个方面：1、免疫细胞治疗；
2、药物PK/PD应用；
3、干细胞培养。

仪器总体包括5个部分：以hollow fiber 为核心的主、次循环单元；环境控制单元；样品采集存储单元；计算机控制单元。

2.2 产品功能
项目设备为细菌、细胞体外培养提供恒定的二氧化碳以及温度环境，能够定时进行样本采集，并且提供一个意志细菌、细胞生长的恒定的环境。

2.3 用户特点
用户一般为医院医生、护士、公司内部人员；用户一般具有较好的生化知识。

三、嵌入式软件整体方案设计
项目设备嵌入式软件系统从板卡结构上来分，可以分为中控板软件、液路板软件、样品采集板软件、二氧化碳恒温环境控制板软件。

从功能上分，大体可以分为：子系统控制系统软件设计、中控板GUI方案设计、数据通信方案设计。

由于子系统的功能比较复杂，对于单一的前后台实现起来比较困难，故采用如图3-1所示基本框架结构。

图3-1 嵌入式软件设计框架结构
中控机硬件结构上选择STM32F429，其自带TFT屏硬件驱动器，并且带有硬件加速功。

在实时操作系统上选择UCOSIII，其功能相对于做了封装的FreeRTOS要多很多，比如包含标志组，相同优先级时间片轮转调等。

CMSIS固件库采用Ver1.5，而非HAL库，因为此中控机对于底层的处理要求，特别是对串口的底层操作灵活性要求高，不能使用HAL的傻瓜式库函数，会影响程序效率以及结构性能。

液路系统、样品采集、以及二氧化碳恒温箱系统均采用STM32F407，将时钟调高到160MHz，足以处理任何传感器数据以及意外情况，并且搭载STM32Cube上自带的FreeRTOS，采用HAL库，这样做的好处在于，对于外设开发简单，可以通过STM32Cube 直接生成目标驱动。

3.1 子系统控制方案设计
子系统控制系统可以分为：液路建立运行控制、样品采集控制、二氧化碳恒温环境控制。

这些控制系统互相各不干扰，在软件设计上也没有均一性，故均需要进行单独设计。

3.2 中控板GUI方案设计
中控GUI设计作为仪器的一个显示窗口，为客户提供仪器运行状态的最直观显示，故其要去：简单、大气、美观。

原则上，不在中控GUI上做控制命令接口，只提供显示。

3.3 数据通信方案设计
数据通信机制为子系统之间提供一套完善的通信方式，是上位机与中控、与液路系统、与样品采集系统、二氧化碳恒温系统的数据传输的重要手段。

其设计的好与坏，直接影响设备的正常运行。

并且与控制系统相辅相成，控制系统可以将自身的一些异常通过通信机制反馈到中控以及上位机，同时能够接收并解析中控或者上位机的命令。

四、子系统控制方案设计
4.1 液路系统控制方案设计
液路系统控制分为两种状态，液路平衡建立时态以及液路平衡运行时态。

液路平衡建立时态是指建立细菌、细胞培养的平衡性液路环境。

液路平衡运行时态是指液路平衡时需要处理的一些运行控制状态。

图4-1-1 液路建立流程图
如图4-1-1液路建立流程图所示，液路系统先接收培养基的体积，然后接收到开始液路建立命令之后，仪器开始运转，注液泵开始从新鲜培养基中抽取液体到主循环中。

同时，主次循环的蠕动泵开始运转，利用这两个蠕动泵的转速之差，来平衡主次循环中的液体流向。

图4-1-2 液路运行流程图
如图4-1-2液路运行流程图所示，液路系统建立完成后开始运行，然后接收上位机的指令，同时进行主次循环称重比较。

如果主重量比次重量大5g，主蠕动泵转速快；次重量比主重量大5g，次蠕动泵转速快；主重量和次重量的差值在5g之内，速度一样。

在接收到上位机的进培养基指令，进药液指令，排废液指令，暂停指令或者停止指令后，仪器做出相应的操作。

4.2 样品采集系统控制方案设计
图4-2-1 样品采集系统控制流程图
图4-2-1样品采集系统控制流程图，开机候，转盘以及X轴，Z轴先复位，如果复位超时，则发送复位异常数据包，继续执行复位操作，直到系统复位。

接收到样品采集命令，注射泵开始抽拉混匀，混匀结束之后开始抽取样本后，转盘开始运转到达预定的位置后，X轴电机运转到达预定位置后，Z轴电机运转，采样针穿刺，注入样本，Z轴复位。

判断本次样本注入完毕，如果没有，则执行前述操作。

样本注入完成之后，X轴电机复位，转盘复位完成，本次采样结束。

4.3 二氧化碳恒温培养箱环境控制环境设计
图4-3-1 二氧化碳浓度控制流程
图4-3-1是二氧化碳浓度控制流程，上电后，传感器自检，如果自检失败，发送传感器异常命令，直到自检成功。

接收到环境建立命令之后，读取传感器参数，如果浓度小于4.9%，则打开电磁阀放二氧化碳气体500mS，等待气体稳定后，重新测量，重复之前操作，如果大于4.9%，则不用放二氧化碳气体。

温度控制，直接与温控板连接，设置其温度。

五、中控板GUI方案设计
emWin设计用于提供高效且独立于处理器和显示控制器的图形用户界面，用于任何使用图形显示进行操作的应用。

它与单任务和多任务环境、专用操作系统或具有任何商业RTOS兼容，emWin的发货形式为C语言源代码。

它可适用于任何尺寸的、具有任何显示控制器和CPU的物理和虚拟显示器。

STemwin是专门用于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。

六、数据通信方案设计
6.1 数据链路层通信方式
图6-1 基本底层通信机制流程
各子系统与中控板之间通过物理层上用RS232串口协议进行数据通信，因为串口的曾在一定的误码率以及可能得数据干扰，需要在物理层上添加数据链路层，以完善数据通信功能，所以提出了图6-1所示的基本通信机制流程。

主机主动发送数据，从机接收，并实时回复，主机接收到回复之后，标志本次数据发送成功，如果没有收到回复信息，则会实时重发，超过三次重发，发送通信异常事件。

数据通信格式请参考《HA通信协议总括.doc》文档。

6.2 PC与主控板通信流程设计
PC机与主控板之间主要包含四种状态，主系统以及各子系统初始化状态，正常运行状态，异常运行状态，结束状态。

图6-2是主系统初始化流程图，其中包含了正常初始化以及异常初始化处理。

图5-4是CO2环境建立流程，首先需要根据用户设定CO2环境的温度，PC机每隔5S轮询一次环境建立的状态，并实时显示CO2的浓度和温度。

图5-5 系统关闭流程
图5-6 各模块之间的顺序流程
图5-6是各状态模块之间的主要流程，不能出现顺序上的错误，否则系统无法实现其基本功能。