仪器软件方案设计说明书

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编写：日期：审核：日期：批准：日期：文档变更记录序号变更说明作者版本号日期批准一、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......................................................................-10-6.2PC与主控板通信流程设计.............................................................-10--1-一、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1.4版本说明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》-2-二、项目概述2.1产品描述项目是由核心部件hollowfiber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hollowfiber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。-3-三、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。-4-3.3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。-5-四、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。开始蠕动泵1转动蠕动泵2转动抽取足够培养液体积？输入培养基体积开始运行否副循环培养液体积超一半？蠕动泵1转动（慢）蠕动泵2转动（快）是蠕动泵1转动（快）蠕动泵2转动（慢）培养袋中溶液相差100g以内是主循环副循环否蠕动泵1转动（快）蠕动泵2转动（慢）是蠕动泵1转动（慢）蠕动泵2转动（快）否环境建立玩成是建立环境图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，-6-来平衡主次循环中的液体流向。环境建立完成获取上位机指令液路运行主重量-次重量＞5主重量-次重量＜5次重量-主重量＜5否次重量-主重量＞5否是蠕动泵1转动（快）蠕动泵2转动（慢）是蠕动泵1转动（慢）蠕动泵2转动（慢）是蠕动泵1转动（慢）蠕动泵2转动（快）进培养基液指令进药液指令排废液指令暂停命令指令停止命令指令主次称重比较进液泵运行药液泵运行废液泵运行仪器暂停仪器停止图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。-7-4.2样品采集系统控制方案设计开始开始样品采集转盘以及坐标轴复位时间内复位完成？复位异常转盘到达预定的位置X轴电机到达预定位置Z轴开始穿刺注入一次样本Z轴复位注射泵混匀注射泵抽取样本注射结束？X轴电机复位转盘复位本次采样结束图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。-8-4.3二氧化碳恒温培养箱环境控制环境设计读取传感器参数传感器初始化完毕？开始是浓度4.9%打开电磁阀放气500ms否等待气体稳定发送传感器异常命令否图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。-9-五、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。-10-六、数