基于DS18B20的生化分析仪加热模块的设计与实现

沈增贵，邓红玉

0 引言

生物化学分析仪（简称“生化仪”）是常见的临床检验设备之一，广泛应用于肝功能、肾功能、心肌酶谱、糖类、血脂、电解质等测试。根据自动化程度高低，生化仪分为半自动生化仪与全自动生化仪[1]。全自动生化仪具有测量速度快、准确性高、消耗试剂量小等优势，被广泛应用于医院、研究机构、动植物检测所等机构。

在全自动生化仪研发实践中，温度控制是重要的一环。温度控制包括冷却模块与加热模块。一般而言，生化仪使用的试剂需要保存在4℃左右，而全自动生化仪中使用的试剂都是保存在试剂盘中，因此，常见的做法是设计一个冷却模块（帕尔贴）包裹着试剂盘，并利用仪器的不间断供电将试剂盘置于某个冷却的环境中，达到保存试剂的目的。而在测试过程中，试剂被吸取到反应杯中，在常温下参与反应。因为试剂一直处于较低温度，如果这时直接加入到反应杯，很容易在管路或者杯壁起雾，影响测试结果。因此，需要设计一个加热模块，在抽取试剂时对试剂进行预加热。本文论述的就是利用DS18B20作为温度传感器、加热膜作为加热部件设计出来的全自动生化仪加热模块。

1 DS18B20简介

DS18B20是达拉斯公司生产的一款数字温度传感器，支持9～12位不同精度的温度读数。DS18B20的一个特点就是使用单总线通信，也就是只要一根信号线即可实现主机与从机间的信息交互[2]。另外一个特点就是使用“寄生电源”，当连接线处于高电平状态时，就可以对DS18B20内部的电容充电；当连接处于低电平时，可利用该电容的电能工作。这2种特性可以使DS18B20占用的微控制单元（micro controlunit，MCU）资源少，非常适合复杂仪器中连续监控温度值时使用[3-4]。

DS18B20单总线的通信方式意味着主-从双方对管脚上信号的时序要求更加严格。总线上的时序包括复位时序、读时序、写时序3种[5]。

1.1 复位时序

任何跟DS18B20通信的时序必须以复位时序开始[6]。复位时序由主机（MCU）发起，MCU将连接管脚设置为输出管脚，拉低电平至少需要480μs。然后释放管脚，并设置类型为输入管脚。因为管脚是接上拉电阻，所以输出为高电平。如果从机（DS18B20）正常响应，拉低电平需要60～240μs。因此，如果在这段时间内MCU采样到低电平，就可以确认DS18B20正常工作，可以继续读时序或者写时序。整个复位时序如图1所示。

图1 DS18B20复位时序

1.2 写时序

写时序主要是MCU配置DS18B20里面的寄存器，包括写0与写1 2种。在复位时序后，DS18B20释放管脚，管脚为高电平。进入写时序前，MCU先拉低总线，DS18B20会在15～60μs之间采样总线。如果采样是高电平，则认为是写1时序；如果采样是低电平，则认为是写0时序。因此，如果MCU需要写0，应当保持60μs的低电平；如果需要写1，应在拉低15μs后释放管脚，使管脚被拉高为高电平。写时序如图2所示。

图2 DS18B20写时序

1.3 读时序

在读取DS18B20里面的温度值时，需要使用到读时序。与写时序类似，读时序也包括读0与读1 2种。发起读时序时，MCU拉低管脚至少1μs，然后释放管脚，并设置为输入管脚。如果DS18B20输出0，则在15μs内管脚都被拉低；如果DS18B20需要输出1，则在15μs内管脚被拉高。值得注意的是，输出值在15μs内有效，因此，MCU必须及时地在这段时间内采样管脚。因为读时序至少要60μs，2次读之间要1μs的恢复时间，所以采样管脚电平后，MCU最多要等待16μs后才能继续下一位的读操作。读时序如图3所示。

图3 DS18B20读时序

2 加热模块硬件设计

在整机结构中，上层模块作为一个控制逻辑，主要完成用户输入、结果显示、算法实现等功能。以80C51作为MCU的主控板，负责外设的驱动控制。加热模块硬件由主控板、加热膜以及温度传感器组成。控制板使用80C51单片机作为MCU，通过串口接收上层模块传下来的温控命令，并通过DS18B20读取当前温度，根据控制需要打开或者关闭加热膜，从而达到控制温度的效果。温控命令包括温度查询、温度设置、加热膜状态查询3种。整个加热模块的结构如图4所示。

图4 加热模块设计框图

在加热膜控制实现上，80C51通过通用IO口控制加热开关的连接与断开，以实现加热功能。加热膜的功率是16W，为了提高驱动能力，一般设计独立的驱动电路。另外，也会在加热膜前加过热保护电路与熔断丝，确保加热膜工作在可控范围。

温度传感器同样由80C51通过通用IO口控制。根据传感器的时序要求，用IO口控制高、低电平，实现对传感器的配置、温度值的读取。硬件连接上，直接将控制管脚接入到IO口即可。

在设计中使用2个温度传感器，一个用于工作室温度探测，另外一个用于环境温度检测。使用2个温度传感器除了出于加热算法的考虑外，还考虑到容错性设计。

3 加热模块软件设计

3.1 软件架构

软件架构如图5所示。

图5 软件架构图

加热膜控制软件主要是温度传感器读写驱动、加热膜控制以及逻辑控制，运行在主控板MCU上。上层接收控制命令，完成控制后返回执行结果。在实现上，IO口输出高、低电平，实现对加热膜的启动与断开；而IO口的高、低电平持续时间满足温度传感器时序要求后，可完成对温度的读取等操作。

MCU上电后，先完成软硬件初始化，包括片内外设、片外外设、系统全局参数，然后进入主循环中。主循环内负责接收并响应上层的温控命令，同时对加热膜、DS18S20进行控制。

3.2 DS18B20读驱动

按照DS18B20的数据手册，在读取温度值前，先给DS18B20发送复位信号，然后向单总线发送0xCC、0x44 2个命令字，通知DS18B20开始温度转换。转换完成后，发送OxCC与OxBE通知DS18B20执行读温度，并依次读入9个字节的温度数据，最后发送复位信号到DS18B20。控制范例代码如下：

3.3 温度控制命令

3.3.1 协议定义

温控加热模块作为下位机，通过串口与上位机通信，接收上位机的命令，同时返回执行结果。通信双方按照预定协议去解读控制字节流。从上位机发送到下位机的称为下行协议，从下位机发送到上位机的称为上行协议。整个全自动生化仪有13个下位机模块，所以，为了管理方便，所有上下行协议都是定长的。为了保证执行时序，下位机收到命令后立刻返回响应消息。此外，正常情况下，下位机只有在收到下行命令后才能发送上行响应，只有在检测到异常后才能主动发送异常通知。

加热模块的控制命令字包括温度设置、温度查询、加热状态查询。下行协议操作码与参数的含义见表1，上行协议操作码与参数含义见表2。

表1 下行协议温控操作码与参数对照表

表2 上行协议温控操作码与参数对照表

3.3.2 温控命令响应

当加热模块收到“设置温度”命令字时，先把目标温度赋值给全局变量，并读取DS18B20上的当前温度值。如果当前温度低于目标温度，则软件上设置加热标志位。在软件的主循环中，如果检测到加热标志位有效，则给加热膜输出高电平，从而实现加热功能。如果当前温度比目标温度高，则清除加热标志位，关闭加热膜，通过自然散热来降温。

当加热模块收到“温度查询”命令字时，读取DS18B20上的当前温度值，然后按照上行协议的格式发送给上层软件；当加热模块收到“加热状态查询”命令字时，将加热标志位按照上行协议格式发送给上层软件。

3.3.3 温度控制算法优化

在实验中发现，如果简单地通过目标温度与当前温度的比较来启动、关闭加热膜，会有温度过冲现象。原因是加热膜包裹的工作室空间比较小，散热效果不好，如果工作室温度高于目标温度时才关闭加热膜，此时加热膜还是输出热量，只是比工作状态输出的热量小，而散去的热量抵消不掉加热膜的余热，温度持续升高，最高能过冲3～4℃[7]。

这种温度过冲的现象可以通过优化算法来改善。在常温环境下，如果目标温度高于当前温度4℃以上，则同时打开2个加热膜，加快升温过程；如果二者相差小于4℃，则只用其中一个加热膜工作；如果二者相差小于0.5℃，则不对加热膜做任何操作。这种优化临界值是通过实验得出的经验值，实践时应该根据加热膜的功率、加热膜体积大小、工作室通风情况、模块的工作环境温度来修正。

4 容错性设计

因为加热膜是直接附着在液路管壁上，如果发生故障导致异常加热，可能会影响测试结果，或者导致管路高温变形、破裂，甚至烧毁其他部件等严重后果，所以，容错性考虑是必不可少的。此外，加热膜不工作、温度传感器读数异常都是容错性考虑的一部分[8]。

4.1 异常持续加热

如果控制软件跑飞、误入死循环，或者其他硬件异常导致MCU一直给加热膜输出高电平，则引起持续加热异常。由这种异常导致的后果比较严重，一般做法是在加热膜上增加熔断器，用硬件的办法来处理。在软件上，当启动加热时，会同时启动一个定时器，在固定周期采集工作室的温度读数，如果温度读数超过合理的范围，则停止加热。另外一种方法是熔断器前接上拉电阻，作为一个IO中断源，或者直接接到复位信号上。

4.2 加热膜不工作

如果某种原因导致加热线路短路或者加热膜不工作，则整个加热模块失去其设计功能。检测加热膜是否工作有2种方法：（1）加热后启动连续读取工作室温度，如果温度变化小于某个阈值，则认为加热失效；（2）加热后比较工作室温度与环境温度。2种方法通常联合使用。在常温环境下，一般使用方法（1）来判断；在高温环境下使用方法（1），而在低温环境下则使用方法（2）。

检测到加热膜不工作时，通过MCU向上层发送异常码，最终显示到用户界面上。

4.3 读数异常处理

由于DS18B20使用的是单总线通信，读取的温度值是靠总线上的高低电平确定，如果某一位检测错误，读出来的温度值将有很大的误差，因此，对总线时序要求非常严格。如果MCU工作主频不高，或者对循环读取传感器的代码时间控制不准，存在积累误差，就很容易导致读数异常。

在实际测试中我们发现，如果每1 s读取1次温度，连续工作8 h，发现大约每50次就有1个异常值。从加热算法得知，如果测得的温度值比目标温度值低，就打开加热膜加热。假设本次测得的温度值是个异常值，并且比目标温度值低，这时MCU输出一个高电平到加热膜；当下一次测得的值是个正常值，比目标温度值高，这时候MCU就输出一个低电平到加热膜。这样，就会因为读取到异常值，导致加热膜收到一个高频脉冲。时间长了，这种频繁的开关动作就可能损坏加热膜。

解决这种异常，方法之一是优化单总线通信时序，但这种方法在实践中很难完全杜绝读数异常。另外一种方法是使用读数平滑方法，算法如图6所示。

一般认为，在间隔不长的时间段内连续读取温度，温度变化不会很大。当需要读取当前温度时，先预测一个温度值，如果读出来的值跟预测的温度相差超过某个阈值，即可判断该值是异常值，直接忽略读出来的温度值，而用预测值替代本次温度值。这个预测值实际上就是前4次温度值的平均值。

图6 温度平滑算法示意图

通过实验发现，如果每1 s读温度1次，把平滑窗口设置为前4次，把阈值设置为3℃，能有效去掉异常值。当读温度频率更高时，可以通过增加平滑窗口有效滤除异常值。

5 加热效果评价

为了验证加热效果，将模块按照正常的工作状态安装在全自动生化仪上，在10℃温差（环境温度为27.2℃，目标温度为37℃）、一般通风的情况下，启动加热模块，并且每1 s读取1次温度值，测试结果如图7所示。

图7 加热效果图

由图7可知，约在20 s的时间内，工作室的温度即可达到预设的目标值，并且在目标温度范围小幅波动。根据生化试剂的一般要求，这种波动幅度是完全可以接受的，证明该模块是可行的[9-10]。

6 结论

本文主要阐述了全自动生化仪加热模块的设计，虽然硬件设计上比较简单，但在加热方法、容错性设计等方面，都是针对实际产品经常出现的故障，并做大量实验取得的经验参数而得出的处理方法，对其他研发人员有一定的提示意义。本设计方案作为一个整体模块，在血细胞分析仪、特定反应蛋白分析仪、酶标仪等体外检验临床设备上使用，也取得了很好的效果，事实证明其可行、有效。

[1] 李鲁宁，唐正香.自动生物化学分析仪的原理、应用和发展[J].医疗装备，2007，20（4）：16-17.

[2] 李钢，赵彦峰.1-Wire总线数字温度传感器DS18B20原理及应用[J].现代电子技术，2005（21）：77-79.

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[5] 李萍.基于DS18B20的多路温度监测系统设计与仿真[J].现代电子技术，2013，36（10）：122-127.

[6] 郁翔，赵学增.数字温度传感器DS18B20在温度场测试中的应用[J].导弹与航天运载技术，2004，272（5）：53-56.

[7] 李兰英，杨晨.嵌入式温度采集系统设计与实现[J].电脑学习，2007（1）：6-8.

[8] 徐振，时维铎，王健，等.粮仓远程多通道测温系统的设计[J].湖北农业科学，2013，52（7）：1 666-1 682.

[9] 周兴辉.雅培C8000自动生化分析仪在临床标本分析中的应用评价[J].实用预防医学，2008（3）：267-269.

[10] 汪宏良，陈丽峰，胡芳.生物化学分析仪检测结果的临床评价[J].检验医学与临床，2007（6）：558-559.