基于STM32和uCOS-Ⅱ的加样指示跟踪器的设计与实现

张莉,熊健，夏伦腾，吴飞

(中南民族大学 检测与仪器校级工程中心, 生物医学工程学院，武汉 430074)

在进行药物研究、药物筛查、病毒检测等生化分析领域，实验人员对待测液体进行分析处理时，需要从存储液体的容器中，用移液枪将液体取出，加样到微孔板进行相应的生化反应.由于微孔板和待加样液体大多数是透明的，实验人员在具体的实验过程中，需要全神贯注，不能分散注意力，稍不留神，就会丢失移液的目标板孔位置，从而出现错加和漏加的问题，导致工作效率和准确率降低.在对同一微孔板进行大批量移液操作时，这一问题尤为突出[1].

目前市面上用于对微孔板加样辅助记录装置的产品种类非常少，其中一款成熟的产品是美国ACTGene加样指示器，它是通过脚踏板对微孔板的位置进行记录提示，每加样一次，相应地踩脚踏板一次，在一定程度上解决了记录问题，但实际操作时，模式呆板，操作人员需要在固定的实验台上配合脚踏板进行操作，而且有可能因为忘踩脚踏板，不能准确指示移液加样的目标板孔，而且该指示器只适用于96孔板.本文针对行业需求，设计了一款加样示踪和指示装置，该装置基于STM32微处理器和uCOS-Ⅱ实时操作系统开发[2].它可根据移液枪当前排液的位置以及移液枪按钮的按压状态来判断操作人员的工作状态，用绿灯记录已完成移液的板孔，并用红灯指示下一个待加样的板孔，从而使工作人员在完全放松的状态下，轻松地完成移液加样的过程，再也不会出现错加和漏加的情况，且该设备结构简单小巧，功耗低，并与大多数移液枪兼容.

1 功能需求与整体方案设计

本文所设计的加样示踪器包括采集器(下位机)和示踪台(上位机)两部分.本文的设计的采集器能兼容市面上98%以上的移液枪，该采集器固定在移液枪上端，能采集工作人员加样的手指力度和位置，判断移液枪的状态：吸液、排液.采集器将采集到的移液枪状态通过无线传输方式发送给示踪台，待加样的透明微孔板固定在示踪台的显示屏之上，显示屏上的图形界面与微孔板板孔一一对应，示踪台的MCU收到信号后，可在显示屏上相应位置用绿色图形显示已加样的板孔，并用红色图形提示下一步待加样的板孔.

根据上述功能需求，整体设计方案包括以下六个方面：

(1)信号采集：移液过程中，半程按压为吸液，全程按压为排液.利用霍尔传感器和力度传感器采集实验人员移液时的动作信号；

(2)信号处理：对采集到的信号进行滤波、放大等环节处理，MCU根据处理后的信号判断当前操作是吸液操作还是排液操作；

(3)数据传输：采集器的MCU将处理后的信号通过射频模块传给示踪台;

(4)屏幕显示：示踪台的MCU收到采集器传来的信号后，将信号传输至踪台的显示模块，显示模块在与板孔位置对应的显示屏上用绿色图形指示已加样，同时对下一个待加样的板孔用红色图形进行提示;

(5)下位机软件系统：基于keil环境开发，完成加样示踪器底层硬件功能驱动.包括读传感器采集到的数据、MCU写数据、MCU控制射频模块通讯等;

(6)上位机软件系统：基于实时操作系统进行多任务的创建和调度管理[3].完成用户界面开发，包括界面设计、触摸屏可视化操作、加样模式自定义等.

2 硬件方案设计

图1所示为加样示踪器的硬件系统总体架构，加样示踪器包括采集器和示踪台两大部分.这两部分有各自独立的供电、控制及通讯系统.

图1 加样示踪器系统结构

2.1 主控制器

采集器选用意法半导体的STM32L051K8T6芯片为主控芯片.芯片主要性能特点为：采用新的energy lite工艺、时钟门控技术和超低漏电流工艺生产制造.相较于F系列芯片，在低功耗模式下，L系列的待机功耗低至5 uA，适合用来做加样示踪器中采集器的处理器.

示踪台选用意法半导体的STM32F429ZGT6芯片作为主控芯片.芯片主要性能特点为：支持LCD并行接口，LCD-TFT控制器支持高分辨率，拥有Chrom-ART技术，专用于图形内容创建.其他外设资源还有：3个12位的ADC，具有可映射和突发支持的DMA控制器，3个I2C接口，6个SPI，4个串口等[4].

2.2 信号采集模块与模式判断

采集器硬件部分包括电源单元、传感器单元、信号处理单元、射频单元等.采集器模块使用的传感器包括压力传感器和霍尔传感器.

2.3 信号处理电路设计

对压力传感器采集到的信号，通过比较器来判断按压了移液枪那个档位，所用比较器型号为TLV369系列窗口比较器，TLV369翻转速度快，输出电压翻转仅0.32 us，没有输入时的最大静态电流只有150 nA，低功耗非常适合加样示踪器这种小容量电池的设备[5]，电路原理图如图2所示.

图2 比较器电路原理图

根据对按压时的阻值变化特点分析，设定比较器的反向输入端参考电压为10 mV，当同相输入端的压力信号电压大于阈值Vin1时，比较器输出高，判断为半程按压吸液操作；当信号电压低于阈值Vin2时，比较器输出低，判断为全程按压排液操作.其中Vin1值计算过程为：

(1)

由于在不按压移液枪，比较器输出电位是低电位，因此必须加入其它手段先于比较器进行一次按压状态的判断.加样示踪器采用的方法是再加一个霍尔传感器，在判断压力信号前，先判断使用移液枪时按压点的位置.霍尔传感器基于霍尔原理产生，当有电流通过的霍尔传感器靠近磁场时，霍尔传感器能输出电压，电压的大小由霍尔元件自身的霍尔系数、外部磁场强度以及通过霍尔传感器的电流大小等因素确定.霍尔电压的输出表达式为：

Vh=I×B×RH/d,

(2)

其中RH为材料霍尔系数，B为外加磁场的磁场强度，I为通过霍尔传感器的电流，d为传感器厚度.霍尔传感器需配合磁铁来使用.在移液枪按压点下方嵌入磁铁片用于产生磁场，当拇指按压移液枪向下运动，磁铁片随拇指一起向下运动，霍尔传感器离磁铁越近其磁场强度B越大，输出电平状态将发生变化.采集器选用霍尔传感器型号为DRV5053，在半程按压处输出电压小于1 V，在全程按压处，磁场强度B最大，输出电压为1.8 V.通过判断霍尔传感器先判断压力点的位置，然后再进行压力值判断，能保证对吸液和排液模式的准确判断.

2.3 示踪台

示踪台硬件上复用了采集器的很多模块，如电源转换和开关控制电路等，不同的地方在于示踪台承担了显示功能，需要外接LCD屏幕实现对加样进度的显示和待加样板孔的提示功能.常用的微孔板尺寸为128 mm×86 mm，同时考虑到壳体大小，因此选用屏幕尺寸为7寸的LCD电容屏模块[6].加样示踪器采用的屏幕模块由正点原子提供，分辨率大小为800×480，并行24位RGB接口，最高支持5点同时触控[3]，使用时不用校准，可以直接应用.

2.4 采集器与示踪台通讯

采集器需要固定在移液枪之上，主要功能是记录半程及全程按压所产生的的电信号从而达到记录的效果，采集器的实物图如图3所示：

图3 采集器实物图

采集器与示踪台之间的数据传输采用无线传输，这里选用 nRF24L01模块进行无线通讯，该模块工作在世界通用频段2.4 Ghz，使用nRF24L01射频模块收发数据时需要成对使用，两个nRF24L01模块的工作模式必须设置为相同的模式，例如频率、速率、校验方式等[7].

3 系统软件设计

根据加样示踪的功能需求，示踪台部分除了提供基本的进度显示功能，还要支持界面可视化操作，可供使用人员进行加样模式自定义，路径自定义，板孔选择等.没有操作系统的硬件平台无法完成这些复杂任务，因此需要在SMT32硬件平台的基础上移植嵌入式系统进行软件功能开发.软件系统的框架如图4所示.

图4 软件系统结构图

软件系统设计划分为实时操作系统和图形界面两部分.实时操作系统部分，加样示踪器采用的系统为uCOS-Ⅱ，uCOS-Ⅱ是一种为嵌入式系统设计的实时多任务内核.相较于其它系统，它拥有非常精简的内核,并且实时性能好,支持裁剪和固化,官方提供开发源码，方便开发人员在各种平台上移植.图形界面部分，基于STemWIN进行开发.根据系统功能需求分析，加样示踪器的人机交互主要由以下几部分构成：(1)模式输入：用户可自由设定加样板孔的位置，设定完成后该模式可保存于模式列表中，提示加样顺序的功能将按照设定时候的顺序来显示;(2)模式删除:已添加的模式可以保存在本地，也可以删除;(3)板孔设定：对常用的96孔板和384孔板进行布局模拟，用户根据需要自由选择板孔类型;(4)界面显示：全局的文字标识、实时设备电量显示等.

3.1 uCOS-Ⅱ程序设计

uCOS-Ⅱ的任务设计主要包括:任务创建，任务删除，任务调度等[8].

(1)任务创建：示踪台实时操作系统的主要功能要满足以下几点：①和采集器(下位机)通信，识别下位机的指令是否有效.②根据指令在LCD屏上进行加样板孔显示以及对待加样板孔提示.③由实验人员自定义加样模式.基于以上，本系统共创建4个任务：

任务一: “TOUCH_TASK_PRIO”(触摸屏任务)，优先级为3；

任务二：“EMWINDEMO_TASK_PRIO”(界面显示任务)，优先级为4；

任务三：“N24l01_TASK_PRIO”(通信任务)，优先级为5；

任务四：“UART_TASK_PRIO”(串口任务)，优先级为6.

优先级数值越小代表优先级越高，系统优先执行级数高的任务.以加样示踪器正常工作为例，当示踪台开始对加样位置记录直至完成前，点击界面上的“新增模式”按钮系统将不会响应.此处优先级没有从“0”值开始，优先级“0”“1”“2”被其它系统任务占用，因而不能设为被系统任务所用的数值，故创建任务优先级从“3”开始.

(2)任务删除：以加样示踪器开机时部分外设初始化为例，某些外设只需初始化一次后系统将不再用到，那么可以调用系统函数OSTaskDel()将其删掉，这里的删除不是删代码，而是指这段代码执行后系统可以不再管理.不过为了保证系统的稳定性，大多数时候应避免进行任务删除操作.

(3)任务挂起：系统在执行任务时，如果收到优先级更高的指令，那么系统将暂停正在执行的任务.被暂停任务的工作现场会被保存.

(4)任务恢复：当被挂起的任务要再次或继续执行时，需要对该任务进行恢复.

3.2 STemWIN图形界面设计

在硬件平台上进行LCD界面开发简单的显示功能，比如显示字符串，尚可通过写代码实现，当需要用户界面精美时，人机交互界面的开发过程将变得复杂，以加样示踪器图形开发为例，需要经过很多次的调试才能勉强达到能用以展示的效果.但引入STemWIN图形界面，很大程度上可以减小硬件开发人员的开发难度.STemWIN提供丰富的图形库和控件，支持模块化设计，并且对ST系列的处理器做了深度优化[9].因此在加样示踪器的硬件平台上，引入STemWIN可以很好地解决图形界面开发问题.基于STemWIN进行示踪台部分的图形界面软件开发主要包括三方面的工作：1、STemWIN的移植；2、图形绘制；3、控件设计.最终加样示踪器的工作界面如图5所示.

图5 示踪台用户界面

4 系统测试分析

本文设计的加样指示跟踪器的功能测试分为两个部分:信号采集模块与模式判断部分的测试和采集器与示踪台通讯测试.以上两个部分在本文设计产品的基础之上进行，本文设计实物如图6所示.

图6 设计产品实物图

4.1 信号采集模块与模式判断测试

采集器硬件包括电源单元、传感器单元、信号处理单元、射频单元等.采集器模块使用的传感器包括压力传感器和霍尔传感器.为保证采集的数据更贴近实际使用时的数据，测试邀请的测试者均为相关专业有使用移液枪经验的实验人员，其中测试者男女性别各3人，样本数为6×96次，如表1所示为半程按压时的统计数据.

表1 半程按压传感器导通阻值统计

其中“最小值”为移液枪刚好能排出液体的临界点导通阻值，此时传感器导通阻值在18 kΩ附近；“最大值”为半程按压时有显著触感反馈的位置，此时导通电阻在25 kΩ左右，和测得的数据“均值”接近.实际使用时，使用者几乎不可能控制拇指刚好停在触感反馈位置，多数情况会超出一小段距离，通过实际测试移液枪按压点过冲，传感器导通电阻也在20 kΩ以上，因此，按压状态的界限区分度较明显：当传感器导通阻值在18 kΩ以下，移液枪为排液状态；导通阻值在20 kΩ以上，移液枪为吸液状态.

4.2 采集器与示踪台通讯测试

在实际操作中，应当注意，由于2.4 GHz频段设备还有蓝牙以及WIFI，实际使用环境中的无线干扰是不可避免存在的，当设备受到干扰时，负责记录加样的示踪台存在漏加和多加两种情况，当发现漏加时，可以人为处理，多按压移液枪一次对加样位置进行补充记录；而出现多加的情况，可以在系统应用层面增加撤回按钮来解决这个问题.示踪台及采集器工作状态及通讯测试结果如表2所示.

表2 示踪台及采集器工作状态及通讯测试结果

进行系统整体测试以验证加样示踪器性能是否符合规范,整体测试项包括自测和外测两部分.自测主要测试加样示踪器基本功能.送外测试主要在实际加样实验中测试加样示踪器的功能和稳定性.本次测试邀请生物医学工程专业的实验室人员参与加样示踪器稳定性测试，参与测试人员为2人，实验加样次数共6×96次，综合成功率为98.43%，其中失败9次.失败原因分析：其中4次为无线电磁干扰，观测到采集器上红灯亮起，但示踪台无反应；1次为实验人员按压过程中推动了移液枪上的磁铁；4次为实验人员排液挡按压不到位.经过稳定性测试，可得出如下结论：在无线电磁干扰环境下移液加样时，加样示踪器的准确度相当高，能满足移液加样的记录需求.

5 结语

本文设计的加样示踪器是一款针对实验室、药厂等生化分析领域的实验人员在进行细胞培养、ELISA检测等实验过程中对移液加样进度进行记录和指示的自动化仪器.本文设计的加样示踪器，操作界面美观，可根据实验人员的操作习惯自定义加样模式，并且实时显示加样位置以及设备的电量等运行状态.采集器部分可与市面上绝大多数主流移液枪配套使用.测试结果表明：该系统能准确记录移液加样时的板孔位置，反应迅速，运行稳定，整体体积小巧不受使用场地限制，适用于生化实验室以及生化工厂等场合，具有广泛的市场应用前景.