仪器软件方案设计说明书

1、研发部 文档编号 版本 密级 项目名称 项目来源 软件设计说明书 日期: 编写： 日期: 审核： 日期: 批准： 文档变更记录 序号 变更说明 作者 版本号 日期 批准 一、弓I 言一1- 11编写目的一1一 1.2 范围1一 1.3 定义1- 1. 4版本说明一1 一 15参考资料-1- 二、项目概述-2- 21产品描述-2- 22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- 32中控板GUI方案设计-3- 33数据通信方案设计 四、子系统控制方案设计 4. 1液路系统控制方案设计 4. 2样品采集系统控制方案设计 4. 3二氧化碳恒

2、温培养箱环境控制环境设计 6. 2PC与主控板通信流程设计-10- 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- 11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。 13定义 14版本说明 Vx.x II版本号，表示软件模块更改 I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

3、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；坏境 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

4、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。 Middleware CMSI5-DSP Library CMSIS-RTOS CMSI5-D river Debugger FteaTTime Kernel Device HAL 3+ CPU CM535-COR C-wAccm山.D 巩/mn g血严沖门轴村时曲 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。

5、 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V erl. 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。

6、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

7、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坏境。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

8、次循环中的液体流向 主重量-次重量5 液路运行 蠕动泵1转动（快） 蠕动泵2转动 主重量-次重量V 5 次重量-主重量V 5 否 次重量一主重量5 曰蠕动泵1转动 疋 （慢） tr H 蠕动泵1转动 疋片（慢） 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

9、统控制方案设计 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 开始 传感器初始化 完毕? 读取传感 器参数 浓度4. 9% 发送传感器 异常命令 打开电磁 阀放气 500

10、ms 等待气体 稳定 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%,贝U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坏境、专用操作系统或具有任何商业RTOS兼 容，emW

11、in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 主动发送消息 对方接收 - 收到回复、 Jr 结束 图61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，

12、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。 开始 系统初始化 屏幕输出 异常* 询问次数小 否 PC软件查 询下位机 在线 是 PC显示系统初 始化成功 图6-2主系统初始化 否工 PC显示错误界面 图5-2液路运行流程 lOSo 图5-2是液路系统初始化流程图，

13、其中在等待下位机发送运行状态过程中，上位机每 隔5S轮询一次，而压力、颜色传感器参数轮训建议周期是 完毕? 样品采集运行流程 PC提示采集成 功，取样品 图5-3样品采集运行状态流程 图5-3是样品采集系统运行状态与PC交互的流程图，发送样品采集的命令 可有两种 驱动源，一种是人工手动在界面上点击样品采集，另一种是定时发送样品采集命令。（疑 问：紫光灯杀菌需要1个小时，而细菌样品采集时间间隔低于1小时怎么处理） 图5-4是C02环境建立流程，首先需要根据用户设定C02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C02的浓度和温度。 C02坏境建立流程d PC设定C02培养箱隘度 PC报错 大于3次？否 接收回复信 环境建立完 毕？ PC報示环境建立完毕 图5-4 C02环境建立流程 图5-5是系统关闭流程，PC发送完系统关闭命令之后，下位机立即回复马 上关闭系统，然后，PC每隔5S轮询一次下位机关闭状态，如果C02系统关闭 完成，PC显示C02系统关闭，依次类推，知道三大系统都关闭完成，PC显示 系统关闭。 系统关闭流