采用CAN总线的生物安全实验室负压测量系统设计

黄世安，刘保真，刘志国

（军事医学科学院 卫生装备研究所，天津 300161）

近年来，新发突发传染病的威胁日益加重，世界各国对生物安全实验室，特别是高等级生物安全实验室的需求不断增加。生物安全实验室对微生物进行检测和科学研究，广泛应用于传染病的控制与预防，动物防疫，出入境检验检疫和医院感染控制[1]。压力梯度控制是生物安全实验室防止病原微生物扩散，保证环境和实验室安全的技术手段之一。以某型移动式生物安全3级实验室为例，存在5个压力梯度，其中主实验室负压-70±10 Pa，气锁负压-45±5 Pa，更防护服间负压-20±5 Pa，更内衣间负压-10±5 Pa，更外衣间、水处理间、设备间、动力间为常压。生物安全实验室压力梯度多，对压差测量的要求高（通常采用分辨率为1 Pa的压差变送器），设备运行的过程控制复杂，负压控制系统一旦出现故障，可能会导致危害性气溶胶扩散，引发实验室感染或公共安全事件。目前国内在建设生物安全实验室时，已预设了简单的故障提示和故障处置，但无法根据故障提示快速指出故障设备，或工况的变化趋势预测故障发生的可能，设备维修保养困难。为实现生物安全实验室压力控制系统的故障自诊断，本文设计了一种适用于生物安全实验室的负压测量系统，详细介绍了系统硬件与软件设计，并给出了实验结果。

1 系统工作原理和硬件组成

负压测量系统框图如图1所示，压力传感器输出的模拟信号被放大调理后经A/D转换为数字量，传送给单片机，经过标定、运算及零点补偿等处理，通过CAN收发器将压差数据发送至CAN总线，经CAN总线传给上位机进行分析。

图1 负压测量电路结构图Fig.1 The differential-pressure measuring circuitblock diagram

1.1 压力采集和信号调理

压力传感器种类繁多，其中硅半导体传感器因其体积小、重量轻、成本低、性能好、易集成等优点得到广泛的应用，Motorola/Freescale生产的X型电阻是利用离子注入工艺光刻在硅膜片上，并采用计算机控制的激光修正技术，温度补偿技术，因此其生产的MPX系列硅半导体压力传感器精度很高，具有极好的线性度，且灵敏度高，长期重复性好[2]。部分压力传感器参数如表1[3]。

经对比，最终选定MPX2010作为压差测量模块的压力传感器，省去了温度补偿和校准电路。MPX2010有单输入和双输入（后缀D或DP）之分，本系统采用的是MPX2010DP。由于传感器感知压力信号的幅值较小，且受到设备启停，开关门，人员走动等影响，扰动较大，因此信号调理电路需具有输入阻抗大，共模抑制比高的特点。选用常用的仪表放大器AD620[4]，它具有低成本、低功耗、高精度、只需一个电阻即可设置增益等特点，广泛应用于电子秤、医疗仪器，传感器接口和工业过程控制。信号调理电路和A/D接口电路如图2。放大电路的增益由公式G=+1决定，最大增益应与A/D

表1 部分硅半导体压力传感器技术指标Tab.1 Operating characteristics of some silicon pressure sensors

转换器的输入信号幅值相符。

1.2 A/D转换

A/D转换器的分辨率决定了最终能测量的最小压差值。要实现1 Pa级别的压差识别，根据MPX2010的说明，满量程输出时压力为10 kPa，转换位数应≥log210 000≅13，故所需的ADC的转换位数至少为14bit。输入通道数目和输出方式应结合选用的单片机和系统对采样速度的要求而定，生物安全实验室压差测量对A/D转换速度要求不高，精度要求较高；且检测设备工况信号需要占用一定的端口。本设计采用的微处理器STC89C52RC为51系列单片机，端口较少，因此选择串行输出的A/D转换器较为合适，最终选择MAX111。MAX111是一款采用单电源供电的14位低功耗、双通道输入、串行输出、可内部校准的高精度AD转换器[5]。

图2 信号调理和A/D转换接口电路Fig.2 The circuit for signal condition and ADC

采用单电源供电时，MAX111的差分模拟输入信号为0～1.5V，由此可以得出信号调理电路的最大输出不超过1.5 V，最大压差（10 kPa）的理论增益为1.5 V/25 mV=60，RG为834Ω。本文设定RG为99Ω，增益为500，信号调理电路的理论分辨率为2.5*500mV/KPa=1.25 mV/Pa，此时最大测量压差为1 kPa。

1.3 CAN接口

CAN总线是目前汽车行业主流的现场总线，具有节点不分主从、开发方便，硬件需求低、传输距离远、抗干扰性好、节点发生错误时可自动关闭，不影响其他节点等特点[6]。本系统以 51单片机为核心，SJA1000为 CAN控制器，82C250为CAN总线收发器建立CAN接口电路，电路结构如图3所示。

图3 CAN接口电路Fig.3 The CAN interface circuit

其中STC89C52和SJA1000采用独立的晶振，原因是共用一个晶振，51单片机的驱动能力不足，导致SJA1000工作异常，进而无法实现帧信息的正常收发。为增加抗干扰能力，有文献[7－8]采用高速光耦6N137进行信号隔离，但这样需要多增加一个独立的电源，导致电路过于复杂。另外大气压力不同于其它信号，引入的电磁干扰较少，制作电路板时还可以通过其他途径达到同样的抗干扰效果，故本设计未采用6N137。

1.4 电源电路

压差测量系统采用DC24 V和24 V蓄电池共同供电，MPX2010工作电压为10 V，本文采用±5 V为MPX2010和AD620供电，其它芯片的供电电压为5V，因此需将DC24V先转为DC5V，再经ICL7660S转为DC－5V[9]，电路结构如图4所示。

图4 电源电路设计Fig.4 The power circuit

2 软件设计

本模块电路的软件设计包括A/D转换和CAN收发两部分。下位机软件流程如图5所示。

图5 下位机软件流程图Fig.5 Work flowchart of the MCU software

A/D转换主要是对MAX111的编程，此部分较为简单，首先需对MAX111进行校正。自校正过程可分为3步，首先是向max111写入控制字0x800c进行零点校正，然后写入控制字0x8008进行增益校正，最后写入控制字0x8004进行通道1的零点校正（如选择通道2，则为0x8014）[10]。校正程序只需在上电时调用一次，正常采样只要对所用通道进行零点校正。

部分代码参考如下：

CAN收发程序分为SJA1000寄存器的预定义部分和CAN收发部分。把SJA1000的CS端接入51单片机的高地址（如P2.0），其首地址为0xFE00H，此时SJA1000相当于51单片机的一个外部存储器。CAN收发部分包括SJA1000的初始化，发送数据和接收数据3部分。Pelican模式下的SJA1000的初始化流程[11]为：检测硬件连接—＞进入复位状态 —＞设置时钟分频寄存器—＞设置输出控制寄存器—＞设置通讯波特率—＞设置代码验收寄存器—＞设置代码屏蔽寄存器—＞退出复位状态—＞设置工作模式—＞设置中断使能寄存器。数据发送可采用定时发送方式，数据接收可选择中断方式。

3 实验结果

对压力差信号进行A/D转换，所得数据经CAN总线发送至上位机，由上位机进行数据分析，限于篇幅，本文不再详细叙述。

压差测量系统对不同大小的压力差进行AD转换后，得到一系列实际数据和理论数据，压力差信号大小由空气多参数测试仪TSI 8386测得，实际电压值由万用表MS8215测量MAX111输入引脚。如表2所示，通过Excel对数值进行曲线绘制，如图6所示，发现测压电路具有较好的线性。

表2 AD转换数据和实际数据Tab.2 The AD conversion data and actual data

图6 A/D转换的线性度Fig.6 A/D converter linearity

经Matlab拟合，得直线斜率为13，即压差测量系统实际灵敏度为13/Pa，与理论灵敏度2.5 mV/kPa*500/1 500*16 384=13.7/Pa相当，可认为压差测量系统的分辨率与TSI 8386（分辨率为1 Pa）相同。即本系统可分辨1Pa的压力差，满足了生物安全实验室的压差测量要求。

4 结束语

经过多年的发展，国内在生物安全实验室建设上已逐渐走向成熟、规范，特别是在负压控制技术和控制策略方面提出了很多有益的见解，但针对负压控制系统发生故障时的处理问题考虑较少。本文提出了一种用于负压测量的电路模块设计，实现了分辨率为1 Pa的压差测量，为下一步设计压力控制系统故障自诊系统断奠定了硬件基础。

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