基于DS18B20的生化分析儀加熱模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

沈增貴，鄧紅玉

0 引言

生物化學(xué)分析儀（簡(jiǎn)稱“生化儀”）是常見的臨床檢驗(yàn)設(shè)備之一，廣泛應(yīng)用于肝功能、腎功能、心肌酶譜、糖類、血脂、電解質(zhì)等測(cè)試。根據(jù)自動(dòng)化程度高低，生化儀分為半自動(dòng)生化儀與全自動(dòng)生化儀[1]。全自動(dòng)生化儀具有測(cè)量速度快、準(zhǔn)確性高、消耗試劑量小等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)院、研究機(jī)構(gòu)、動(dòng)植物檢測(cè)所等機(jī)構(gòu)。

在全自動(dòng)生化儀研發(fā)實(shí)踐中，溫度控制是重要的一環(huán)。溫度控制包括冷卻模塊與加熱模塊。一般而言，生化儀使用的試劑需要保存在4℃左右，而全自動(dòng)生化儀中使用的試劑都是保存在試劑盤中，因此，常見的做法是設(shè)計(jì)一個(gè)冷卻模塊（帕爾貼）包裹著試劑盤，并利用儀器的不間斷供電將試劑盤置于某個(gè)冷卻的環(huán)境中，達(dá)到保存試劑的目的。而在測(cè)試過(guò)程中，試劑被吸取到反應(yīng)杯中，在常溫下參與反應(yīng)。因?yàn)樵噭┮恢碧幱谳^低溫度，如果這時(shí)直接加入到反應(yīng)杯，很容易在管路或者杯壁起霧，影響測(cè)試結(jié)果。因此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)加熱模塊，在抽取試劑時(shí)對(duì)試劑進(jìn)行預(yù)加熱。本文論述的就是利用DS18B20作為溫度傳感器、加熱膜作為加熱部件設(shè)計(jì)出來(lái)的全自動(dòng)生化儀加熱模塊。

1 DS18B20簡(jiǎn)介

DS18B20是達(dá)拉斯公司生產(chǎn)的一款數(shù)字溫度傳感器，支持9～12位不同精度的溫度讀數(shù)。DS18B20的一個(gè)特點(diǎn)就是使用單總線通信，也就是只要一根信號(hào)線即可實(shí)現(xiàn)主機(jī)與從機(jī)間的信息交互[2]。另外一個(gè)特點(diǎn)就是使用“寄生電源”，當(dāng)連接線處于高電平狀態(tài)時(shí)，就可以對(duì)DS18B20內(nèi)部的電容充電；當(dāng)連接處于低電平時(shí)，可利用該電容的電能工作。這2種特性可以使DS18B20占用的微控制單元（micro controlunit，MCU）資源少，非常適合復(fù)雜儀器中連續(xù)監(jiān)控溫度值時(shí)使用[3-4]。

DS18B20單總線的通信方式意味著主-從雙方對(duì)管腳上信號(hào)的時(shí)序要求更加嚴(yán)格?？偩€上的時(shí)序包括復(fù)位時(shí)序、讀時(shí)序、寫時(shí)序3種[5]。

1.1 復(fù)位時(shí)序

任何跟DS18B20通信的時(shí)序必須以復(fù)位時(shí)序開始[6]。復(fù)位時(shí)序由主機(jī)（MCU）發(fā)起，MCU將連接管腳設(shè)置為輸出管腳，拉低電平至少需要480μs。然后釋放管腳，并設(shè)置類型為輸入管腳。因?yàn)楣苣_是接上拉電阻，所以輸出為高電平。如果從機(jī)（DS18B20）正常響應(yīng)，拉低電平需要60～240μs。因此，如果在這段時(shí)間內(nèi)MCU采樣到低電平，就可以確認(rèn)DS18B20正常工作，可以繼續(xù)讀時(shí)序或者寫時(shí)序。整個(gè)復(fù)位時(shí)序如圖1所示。

圖1 DS18B20復(fù)位時(shí)序

1.2 寫時(shí)序

寫時(shí)序主要是MCU配置DS18B20里面的寄存器，包括寫0與寫1 2種。在復(fù)位時(shí)序后，DS18B20釋放管腳，管腳為高電平。進(jìn)入寫時(shí)序前，MCU先拉低總線，DS18B20會(huì)在15～60μs之間采樣總線。如果采樣是高電平，則認(rèn)為是寫1時(shí)序；如果采樣是低電平，則認(rèn)為是寫0時(shí)序。因此，如果MCU需要寫0，應(yīng)當(dāng)保持60μs的低電平；如果需要寫1，應(yīng)在拉低15μs后釋放管腳，使管腳被拉高為高電平。寫時(shí)序如圖2所示。

圖2 DS18B20寫時(shí)序

1.3 讀時(shí)序

在讀取DS18B20里面的溫度值時(shí)，需要使用到讀時(shí)序。與寫時(shí)序類似，讀時(shí)序也包括讀0與讀1 2種。發(fā)起讀時(shí)序時(shí)，MCU拉低管腳至少1μs，然后釋放管腳，并設(shè)置為輸入管腳。如果DS18B20輸出0，則在15μs內(nèi)管腳都被拉低；如果DS18B20需要輸出1，則在15μs內(nèi)管腳被拉高。值得注意的是，輸出值在15μs內(nèi)有效，因此，MCU必須及時(shí)地在這段時(shí)間內(nèi)采樣管腳。因?yàn)樽x時(shí)序至少要60μs，2次讀之間要1μs的恢復(fù)時(shí)間，所以采樣管腳電平后，MCU最多要等待16μs后才能繼續(xù)下一位的讀操作。讀時(shí)序如圖3所示。

圖3 DS18B20讀時(shí)序

2 加熱模塊硬件設(shè)計(jì)

在整機(jī)結(jié)構(gòu)中，上層模塊作為一個(gè)控制邏輯，主要完成用戶輸入、結(jié)果顯示、算法實(shí)現(xiàn)等功能。以80C51作為MCU的主控板，負(fù)責(zé)外設(shè)的驅(qū)動(dòng)控制。加熱模塊硬件由主控板、加熱膜以及溫度傳感器組成。控制板使用80C51單片機(jī)作為MCU，通過(guò)串口接收上層模塊傳下來(lái)的溫控命令，并通過(guò)DS18B20讀取當(dāng)前溫度，根據(jù)控制需要打開或者關(guān)閉加熱膜，從而達(dá)到控制溫度的效果。溫控命令包括溫度查詢、溫度設(shè)置、加熱膜狀態(tài)查詢3種。整個(gè)加熱模塊的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 加熱模塊設(shè)計(jì)框圖

在加熱膜控制實(shí)現(xiàn)上，80C51通過(guò)通用IO口控制加熱開關(guān)的連接與斷開，以實(shí)現(xiàn)加熱功能。加熱膜的功率是16W，為了提高驅(qū)動(dòng)能力，一般設(shè)計(jì)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路。另外，也會(huì)在加熱膜前加過(guò)熱保護(hù)電路與熔斷絲，確保加熱膜工作在可控范圍。

溫度傳感器同樣由80C51通過(guò)通用IO口控制。根據(jù)傳感器的時(shí)序要求，用IO口控制高、低電平，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的配置、溫度值的讀取。硬件連接上，直接將控制管腳接入到IO口即可。

在設(shè)計(jì)中使用2個(gè)溫度傳感器，一個(gè)用于工作室溫度探測(cè)，另外一個(gè)用于環(huán)境溫度檢測(cè)。使用2個(gè)溫度傳感器除了出于加熱算法的考慮外，還考慮到容錯(cuò)性設(shè)計(jì)。

3 加熱模塊軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件架構(gòu)

軟件架構(gòu)如圖5所示。

圖5 軟件架構(gòu)圖

加熱膜控制軟件主要是溫度傳感器讀寫驅(qū)動(dòng)、加熱膜控制以及邏輯控制，運(yùn)行在主控板MCU上。上層接收控制命令，完成控制后返回執(zhí)行結(jié)果。在實(shí)現(xiàn)上，IO口輸出高、低電平，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱膜的啟動(dòng)與斷開；而IO口的高、低電平持續(xù)時(shí)間滿足溫度傳感器時(shí)序要求后，可完成對(duì)溫度的讀取等操作。

MCU上電后，先完成軟硬件初始化，包括片內(nèi)外設(shè)、片外外設(shè)、系統(tǒng)全局參數(shù)，然后進(jìn)入主循環(huán)中。主循環(huán)內(nèi)負(fù)責(zé)接收并響應(yīng)上層的溫控命令，同時(shí)對(duì)加熱膜、DS18S20進(jìn)行控制。

3.2 DS18B20讀驅(qū)動(dòng)

按照DS18B20的數(shù)據(jù)手冊(cè)，在讀取溫度值前，先給DS18B20發(fā)送復(fù)位信號(hào)，然后向單總線發(fā)送0xCC、0x44 2個(gè)命令字，通知DS18B20開始溫度轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后，發(fā)送OxCC與OxBE通知DS18B20執(zhí)行讀溫度，并依次讀入9個(gè)字節(jié)的溫度數(shù)據(jù)，最后發(fā)送復(fù)位信號(hào)到DS18B20?？刂品独a如下：

3.3 溫度控制命令

3.3.1 協(xié)議定義

溫控加熱模塊作為下位機(jī)，通過(guò)串口與上位機(jī)通信，接收上位機(jī)的命令，同時(shí)返回執(zhí)行結(jié)果。通信雙方按照預(yù)定協(xié)議去解讀控制字節(jié)流。從上位機(jī)發(fā)送到下位機(jī)的稱為下行協(xié)議，從下位機(jī)發(fā)送到上位機(jī)的稱為上行協(xié)議。整個(gè)全自動(dòng)生化儀有13個(gè)下位機(jī)模塊，所以，為了管理方便，所有上下行協(xié)議都是定長(zhǎng)的。為了保證執(zhí)行時(shí)序，下位機(jī)收到命令后立刻返回響應(yīng)消息。此外，正常情況下，下位機(jī)只有在收到下行命令后才能發(fā)送上行響應(yīng)，只有在檢測(cè)到異常后才能主動(dòng)發(fā)送異常通知。

加熱模塊的控制命令字包括溫度設(shè)置、溫度查詢、加熱狀態(tài)查詢。下行協(xié)議操作碼與參數(shù)的含義見表1，上行協(xié)議操作碼與參數(shù)含義見表2。

表1 下行協(xié)議溫控操作碼與參數(shù)對(duì)照表

表2 上行協(xié)議溫控操作碼與參數(shù)對(duì)照表

3.3.2 溫控命令響應(yīng)

當(dāng)加熱模塊收到“設(shè)置溫度”命令字時(shí)，先把目標(biāo)溫度賦值給全局變量，并讀取DS18B20上的當(dāng)前溫度值。如果當(dāng)前溫度低于目標(biāo)溫度，則軟件上設(shè)置加熱標(biāo)志位。在軟件的主循環(huán)中，如果檢測(cè)到加熱標(biāo)志位有效，則給加熱膜輸出高電平，從而實(shí)現(xiàn)加熱功能。如果當(dāng)前溫度比目標(biāo)溫度高，則清除加熱標(biāo)志位，關(guān)閉加熱膜，通過(guò)自然散熱來(lái)降溫。

當(dāng)加熱模塊收到“溫度查詢”命令字時(shí)，讀取DS18B20上的當(dāng)前溫度值，然后按照上行協(xié)議的格式發(fā)送給上層軟件；當(dāng)加熱模塊收到“加熱狀態(tài)查詢”命令字時(shí)，將加熱標(biāo)志位按照上行協(xié)議格式發(fā)送給上層軟件。

3.3.3 溫度控制算法優(yōu)化

在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，如果簡(jiǎn)單地通過(guò)目標(biāo)溫度與當(dāng)前溫度的比較來(lái)啟動(dòng)、關(guān)閉加熱膜，會(huì)有溫度過(guò)沖現(xiàn)象。原因是加熱膜包裹的工作室空間比較小，散熱效果不好，如果工作室溫度高于目標(biāo)溫度時(shí)才關(guān)閉加熱膜，此時(shí)加熱膜還是輸出熱量，只是比工作狀態(tài)輸出的熱量小，而散去的熱量抵消不掉加熱膜的余熱，溫度持續(xù)升高，最高能過(guò)沖3～4℃[7]。

這種溫度過(guò)沖的現(xiàn)象可以通過(guò)優(yōu)化算法來(lái)改善。在常溫環(huán)境下，如果目標(biāo)溫度高于當(dāng)前溫度4℃以上，則同時(shí)打開2個(gè)加熱膜，加快升溫過(guò)程；如果二者相差小于4℃，則只用其中一個(gè)加熱膜工作；如果二者相差小于0.5℃，則不對(duì)加熱膜做任何操作。這種優(yōu)化臨界值是通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)值，實(shí)踐時(shí)應(yīng)該根據(jù)加熱膜的功率、加熱膜體積大小、工作室通風(fēng)情況、模塊的工作環(huán)境溫度來(lái)修正。

4 容錯(cuò)性設(shè)計(jì)

因?yàn)榧訜崮な侵苯痈街谝郝饭鼙谏?，如果發(fā)生故障導(dǎo)致異常加熱，可能會(huì)影響測(cè)試結(jié)果，或者導(dǎo)致管路高溫變形、破裂，甚至燒毀其他部件等嚴(yán)重后果，所以，容錯(cuò)性考慮是必不可少的。此外，加熱膜不工作、溫度傳感器讀數(shù)異常都是容錯(cuò)性考慮的一部分[8]。

4.1 異常持續(xù)加熱

如果控制軟件跑飛、誤入死循環(huán)，或者其他硬件異常導(dǎo)致MCU一直給加熱膜輸出高電平，則引起持續(xù)加熱異常。由這種異常導(dǎo)致的后果比較嚴(yán)重，一般做法是在加熱膜上增加熔斷器，用硬件的辦法來(lái)處理。在軟件上，當(dāng)啟動(dòng)加熱時(shí)，會(huì)同時(shí)啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器，在固定周期采集工作室的溫度讀數(shù)，如果溫度讀數(shù)超過(guò)合理的范圍，則停止加熱。另外一種方法是熔斷器前接上拉電阻，作為一個(gè)IO中斷源，或者直接接到復(fù)位信號(hào)上。

4.2 加熱膜不工作

如果某種原因?qū)е录訜峋€路短路或者加熱膜不工作，則整個(gè)加熱模塊失去其設(shè)計(jì)功能。檢測(cè)加熱膜是否工作有2種方法：（1）加熱后啟動(dòng)連續(xù)讀取工作室溫度，如果溫度變化小于某個(gè)閾值，則認(rèn)為加熱失效；（2）加熱后比較工作室溫度與環(huán)境溫度。2種方法通常聯(lián)合使用。在常溫環(huán)境下，一般使用方法（1）來(lái)判斷；在高溫環(huán)境下使用方法（1），而在低溫環(huán)境下則使用方法（2）。

檢測(cè)到加熱膜不工作時(shí)，通過(guò)MCU向上層發(fā)送異常碼，最終顯示到用戶界面上。

4.3 讀數(shù)異常處理

由于DS18B20使用的是單總線通信，讀取的溫度值是靠總線上的高低電平確定，如果某一位檢測(cè)錯(cuò)誤，讀出來(lái)的溫度值將有很大的誤差，因此，對(duì)總線時(shí)序要求非常嚴(yán)格。如果MCU工作主頻不高，或者對(duì)循環(huán)讀取傳感器的代碼時(shí)間控制不準(zhǔn)，存在積累誤差，就很容易導(dǎo)致讀數(shù)異常。

在實(shí)際測(cè)試中我們發(fā)現(xiàn)，如果每1 s讀取1次溫度，連續(xù)工作8 h，發(fā)現(xiàn)大約每50次就有1個(gè)異常值。從加熱算法得知，如果測(cè)得的溫度值比目標(biāo)溫度值低，就打開加熱膜加熱。假設(shè)本次測(cè)得的溫度值是個(gè)異常值，并且比目標(biāo)溫度值低，這時(shí)MCU輸出一個(gè)高電平到加熱膜；當(dāng)下一次測(cè)得的值是個(gè)正常值，比目標(biāo)溫度值高，這時(shí)候MCU就輸出一個(gè)低電平到加熱膜。這樣，就會(huì)因?yàn)樽x取到異常值，導(dǎo)致加熱膜收到一個(gè)高頻脈沖。時(shí)間長(zhǎng)了，這種頻繁的開關(guān)動(dòng)作就可能損壞加熱膜。

解決這種異常，方法之一是優(yōu)化單總線通信時(shí)序，但這種方法在實(shí)踐中很難完全杜絕讀數(shù)異常。另外一種方法是使用讀數(shù)平滑方法，算法如圖6所示。

一般認(rèn)為，在間隔不長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)連續(xù)讀取溫度，溫度變化不會(huì)很大。當(dāng)需要讀取當(dāng)前溫度時(shí)，先預(yù)測(cè)一個(gè)溫度值，如果讀出來(lái)的值跟預(yù)測(cè)的溫度相差超過(guò)某個(gè)閾值，即可判斷該值是異常值，直接忽略讀出來(lái)的溫度值，而用預(yù)測(cè)值替代本次溫度值。這個(gè)預(yù)測(cè)值實(shí)際上就是前4次溫度值的平均值。

圖6 溫度平滑算法示意圖

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果每1 s讀溫度1次，把平滑窗口設(shè)置為前4次，把閾值設(shè)置為3℃，能有效去掉異常值。當(dāng)讀溫度頻率更高時(shí)，可以通過(guò)增加平滑窗口有效濾除異常值。

5 加熱效果評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證加熱效果，將模塊按照正常的工作狀態(tài)安裝在全自動(dòng)生化儀上，在10℃溫差（環(huán)境溫度為27.2℃，目標(biāo)溫度為37℃）、一般通風(fēng)的情況下，啟動(dòng)加熱模塊，并且每1 s讀取1次溫度值，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 加熱效果圖

由圖7可知，約在20 s的時(shí)間內(nèi)，工作室的溫度即可達(dá)到預(yù)設(shè)的目標(biāo)值，并且在目標(biāo)溫度范圍小幅波動(dòng)。根據(jù)生化試劑的一般要求，這種波動(dòng)幅度是完全可以接受的，證明該模塊是可行的[9-10]。

6 結(jié)論

本文主要闡述了全自動(dòng)生化儀加熱模塊的設(shè)計(jì)，雖然硬件設(shè)計(jì)上比較簡(jiǎn)單，但在加熱方法、容錯(cuò)性設(shè)計(jì)等方面，都是針對(duì)實(shí)際產(chǎn)品經(jīng)常出現(xiàn)的故障，并做大量實(shí)驗(yàn)取得的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)而得出的處理方法，對(duì)其他研發(fā)人員有一定的提示意義。本設(shè)計(jì)方案作為一個(gè)整體模塊，在血細(xì)胞分析儀、特定反應(yīng)蛋白分析儀、酶標(biāo)儀等體外檢驗(yàn)臨床設(shè)備上使用，也取得了很好的效果，事實(shí)證明其可行、有效。

[1] 李魯寧，唐正香.自動(dòng)生物化學(xué)分析儀的原理、應(yīng)用和發(fā)展[J].醫(yī)療裝備，2007，20（4）：16-17.

[2] 李鋼，趙彥峰.1-Wire總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20原理及應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2005（21）：77-79.

[3] 周月霞，孫傳友.DS18B20硬件連接及軟件編程[J].傳感器世界，2001（12）：25-29.

[4] 王江紅，朱麗君，孫學(xué)用.基于DS18B20恒溫監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，52（8）：1 946-1 949.

[5] 李萍.基于DS18B20的多路溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（10）：122-127.

[6] 郁翔，趙學(xué)增.數(shù)字溫度傳感器DS18B20在溫度場(chǎng)測(cè)試中的應(yīng)用[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2004，272（5）：53-56.

[7] 李蘭英，楊晨.嵌入式溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦學(xué)習(xí)，2007（1）：6-8.

[8] 徐振，時(shí)維鐸，王健，等.糧倉(cāng)遠(yuǎn)程多通道測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，52（7）：1 666-1 682.

[9] 周興輝.雅培C8000自動(dòng)生化分析儀在臨床標(biāo)本分析中的應(yīng)用評(píng)價(jià)[J].實(shí)用預(yù)防醫(yī)學(xué)，2008（3）：267-269.

[10] 汪宏良，陳麗峰，胡芳.生物化學(xué)分析儀檢測(cè)結(jié)果的臨床評(píng)價(jià)[J].檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)與臨床，2007（6）：558-559.