智能生物组织冷冻包埋机的设计与研究

陈桂兰

（金华职业技术学院，浙江金华，321017）

智能生物组织冷冻包埋机的设计与研究

陈桂兰

（金华职业技术学院，浙江金华，321017）

生物组织冷冻包埋机石蜡的温度控制和石蜡的流量控制等很大程度上需依赖工作人员经验，为有效解决该问题，设计一种智能包埋机，将采用国际柔性的加温理念，智能PID温度控制，以提高温度控制的快速性和高精度。

石蜡包埋；温度控制；ARM；PID控制

0 引言

生物组织冷冻包埋机是对生物组织进行石蜡包埋然后快速冷却的专用医疗设备。包埋机目前已经成为各级医院、公安法医、科研机构等单位作病理及生物组织切片的必备设备。由于技术限制，包埋机的石蜡温度控制，包埋时的石蜡流量，包埋组织冷却等一直不够理想，很大程度上依赖工作人员经验。为提高温度控制的快速性和高精度，设计和研究一款智能包埋机。

1 生物组织冷冻包埋机的结构

生物组织冷冻包埋机分蜡缸、左/右保存盒、工作台，储镊台、蜡嘴、小冰台和冷冻台7个工作区,可分别独立控制温度，互不影响。采用五路加温控制多重过热保护装置，柔性加热器使加温快、受热均匀，且节能可靠。流蜡嘴设计可调节出蜡流量。采用可单体组合的冷冻台和包埋机，冷冻台则可根据用户操作习惯随意组合在左边或右边。设有小冷台，可随时冷冻包埋好的组织。工作台面上设有蜡块修复装置，可将完成包埋的蜡块周边修复平整。带废蜡盒抽屉系统，可轻易将费蜡处理干净。

2 智能包埋机控制系统的设计

智能包埋机控制器的设计采用ARM+FreeRTOS的核心架构。

2.1 包埋机控制系统的硬件设计

大冷冻台采用无传感器变频无刷直流压缩机来作为制冷设备，压缩机自带控制器，温度设定采用一可调电位器就可以。但由于本项目的总控制器采用ARM微处理器，为便于控制压缩机，项目将设计采用一数字电位器，由ARM微处理器用数字接口来设定电位器的阻值，然后再由数字电位器来控制压缩机的转速以调节温度。人机控制界面采用OLED模块作显示屏，省电、无需提供背光、任意角度都能清晰观察显示屏数据。

包埋机处于工作运行状态时，通过传感器定时采集设备中的必需物理参数，由此判断设备的工作状态，并通过算法得出控制策略，最后输出控制加热主回路和制冷主回路；此外，系统也接受键盘输入，根据用户的需求改变系统设置，并实时显示各点温度、故障等信息。

包埋机总控制系统硬件设计如图1所示。

图1 包埋机总控制系统硬件设计方案

2.2 包埋机控制系统的软件设计

软件设计主要包括嵌入式实时操作系统内核、键盘处理及参数设置模块、数据采集模块、包埋机过程控制模块、压缩机控制处理模块、故障检测与处理模块、温度控制算法处理模块等。实时嵌入式操作系统内核将以子任务的形式调用各功能模块，各功能模块的优先级大小的确定，模块之间用信号量、消息队列等手段进行数据传递和协调等，是软件设计时首先要考虑的问题。

由于温度控制系统是一个大惯量的时延系统，常规的PID控制超调量大，精度低，本项目将采用常规PID控制+机器学习前馈智能控制的复合控制方法，由机器学习算法在线学习被控对象的非线性特性，并作为前馈学习控制，与PID控制共同作用自动调整各通道的温度，以提高温度控制的快速性和高精度。

3 生物组织包埋机的性能

根据以上设计，智能生物组织冷冻包埋机的智能化程度极高，设备具有时间预置功能，大冷却台制冷温度自动调节，自动恒温，并可根据组织所需调节适当的温度以避免组织蜡块不够冷或冻裂等。包埋机技术性将达到国外同类产品的先进水平，产品价格却可以远低于国外产品，具备很强的竞争优势。

[1] 李渊.智能PID控制器优化仿真研究[J].计算机仿真.2012；29（12）:180-183.

[2] 张彤.基于PID的温度控制器研究[J].通信电源技术.2012；29（4）:42-43.

[3] 庄志红.石蜡包埋机系统[J].中国医疗设备.2008；23（2）:20-22.

陈桂兰，女（1977-），浙江东阳人，现供职于金华职业技术学院，讲师，硕士学位，研究方向：电子产品开发与研究。

从上式可以看出，随着CPU频率的降低，电流称比例下降。

在STM8L15X系列芯片中，时钟管理单元可以通过CLK_ PCKENRx(x为1、2)寄存器禁止外设时钟，停止向内核、单个外设或存储器提供时钟，达到降低芯片功耗的目的。同时集成时钟安全系统（CSS），在外部时钟（HSE）故障时，系统时钟可自动切换到HSI。

2.3 芯片的低功耗模式

在许多应用场合，依靠降低时钟频率降低功耗并不是一个好主意，因为降低时钟频率就降低了微处理器性能，微处理器运行时间更长。如果考虑平均功耗，最好尽可能用高的时钟频率执行程序，然后在剩下的很长时间进入休眠或低功耗模式。

STM8L15X系列微处理器共支持4种低功耗模式：

（1）低功耗运行模式：CPU和选择的外设运行。程序以低时钟频率（LSI或LSE）从RAM中执行，FLASH和数据EEPROM停止，电压调节器配置为超低功耗模式，功耗典型值小于6uA。

（2）低功耗等待模式：当在低功耗模式中等待一个事件时进入该模式，功耗典型值小于3uA。该模式在低功耗运行模式基础上，停止CPU的时钟。

（3）活跃停机模式：除了RTC外，CPU和外设时钟都停止，功耗典型值小于1.2uA。

（4）停机模式：CPU和外设时钟都停止，芯片保持上电状态，功耗典型值小于0.5uA。

3 结语

本文主要研究了STM8L15X系列微处理器的动态电压调节技术、高级灵活的时钟系统设计技术、多种低功耗模式等超低功耗设计技术，通过灵活应用这些技术可有效降低了微处理器的动态和静态功耗。再加上该系列丰富的片内资源、完整的复位电路和供电监测电路、极低的工作电压等特点，使得其产品非常适合用于汽车电子、穿戴式电子产品、无线传感器网络结点、无线报警系统、触感模块和便携设备、低压产品和电池供电应用等诸多领域。

参考文献

[1] STM8L15x microcontroller family. Reference manual,2012.

[2] 井刚.数字集成电路RTL级低功耗设计技术.中国集成电路,2003,(54):33-36.

[3] 田素雷,张勇,张磊等.基于门控时钟技术的IC低功耗设计.无线电工程, 2010,40(5):57-59.

作者简介

谭靖，男，（1975.01-），高级工程师，主要从事传感器技术、信号处理、嵌入式系统研究。

Design and Study on Biological Tissue Embedding Freezer

Chen Guilan
（Jinhua Polytechnic，Zhejiang Jinhua，321017）

It is heavily relied on staff work experience that the temperature and flow of paraffin used in biological tissue frozen machine.International flexible heating concept is used to effectively solve this problem. Using intelligent PID temperature control can raise the temperature control speed and accuracy.

Paraffin-embedded;temperature control;ARM; PID-control

浙江省教育厅科研项目。课题名称：生物组织冷冻包埋机智能控制系统研究。编号：Y201327935