仪器软件方案设计说明书.docx
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仪器软件方案设计说明书
研发部
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软件设计说明书
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一、引言...........................................................................................................-1-
1.1编写目的.............................................................................................-1-
1.2范围.....................................................................................................-1-
1.3定义.....................................................................................................-1-
1.4版本说明.............................................................................................-1-
1.5参考资料.............................................................................................-1-
二、项目概述...................................................................................................-2-
2.1产品描述.............................................................................................-2-
2.2产品功能.............................................................................................-2-
2.3用户特点.............................................................................................-2-
三、嵌入式软件整体方案设计.......................................................................-3-
3.1子系统控制方案设计.........................................................................-3-
3.2中控板GUI方案设计.......................................................................-3-
3.3数据通信方案设计.............................................................................-4-
四、子系统控制方案设计...............................................................................-5-
4.1液路系统控制方案设计.....................................................................-5-
4.2样品采集系统控制方案设计.............................................................-7-
4.3二氧化碳恒温培养箱环境控制环境设计.........................................-8-
五、中控板GUI方案设计.............................................................................-9-
六、数据通信方案设计.................................................................................-10-
6.1数据链路层通信方式.......................................................................-10-
6.2PC与主控板通信流程设计..............................................................-10-
一、引言
1.1编写目的
本说明书是项目嵌入式软件系统的主要知道设计报告,供项目经理、嵌入式软件工程师、测试工程师等阅读。
1.2范围
本软件为项目仪器设备控制软件。
1.3定义
否转动(快)蠕动泵1转动(慢)蠕动泵2抽取足够培养液体积?
是培养袋中溶液蠕动泵1转动(快)是副循环否主循环>以内100g相差蠕动泵2转动(慢)否蠕动泵1转动(慢)是蠕动泵2转动(快)环境建立玩成
建立环境
开始运行
蠕动泵1转动蠕动泵2转动
副循环培养液蠕动泵1转动(慢)是体积超一半?
蠕动泵2转动(快)
1.4版本说明
Vx.x
||_____次版本号,表示软件模块更改
|______主版本号,表示软件架构性的更改
1.5参考资料
1.《HA通信协议总括.doc》
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二、项目概述
2.1产品描述
项目是由核心部件hollowfiber构成细菌和细胞的培养系统,这套系统有着广泛的应用前景,我们公司研发这个项目的目的目前主要用于三个方面:
1、免疫细胞治疗;2、药物PK/PD应用;3、干细胞培养。
仪器总体包括5个部分:
以hollowfiber为核心的主、次循环单元;环境控制单元;样品采集存储单元;计算机控制单元。
2.2产品功能
项目设备为细菌、细胞体外培养提供恒定的二氧化碳以及温度环境,能够定时进行样本采集,并且提供一个意志细菌、细胞生长的恒定的环境。
2.3用户特点
用户一般为医院医生、护士、公司内部人员;用户一般具有较好的生化知识。
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三、嵌入式软件整体方案设计
项目设备嵌入式软件系统从板卡结构上来分,可以分为中控板软件、液路板软件、样品采集板软件、二氧化碳恒温环境控制板软件。
从功能上分,大体可以分为:
子系统控制系统软件设计、中控板GUI方案设计、数据通信方案设计。
由于子系统的功能比较复杂,对于单一的前后台实现起来比较困难,故采用如图3-1所示基本框架结构。
图3-1嵌入式软件设计框架结构
中控机硬件结构上选择STM32F429,其自带TFT屏硬件驱动器,并且带有硬件加速功。
在实时操作系统上选择UCOSIII,其功能相对于做了封装的FreeRTOS要多很多,比如包含标志组,相同优先级时间片轮转调等。
CMSIS固件库采用Ver1.5,而非HAL库,因为此中控机对于底层的处理要求,特别是对串口的底层操作灵活性要求高,不能使用HAL的傻瓜式库函数,会影响程序效率以及结构性能。
液路系统、样品采集、以及二氧化碳恒温箱系统均采用STM32F407,将时钟调高到160MHz,足以处理任何传感器数据以及意外情况,并且搭载STM32Cube上自带的FreeRTOS,采用HAL库,这样做的好处在于,对于外设开发简单,可以通过STM32Cube直接生成目标驱动。
3.1子系统控制方案设计
子系统控制系统可以分为:
液路建立运行控制、样品采集控制、二氧化碳恒温环境控制。
这些控制系统互相各不干扰,在软件设计上也没有均一性,故均需要进行单独设计。
3.2中控板GUI方案设计
中控GUI设计作为仪器的一个显示窗口,为客户提供仪器运行状态的最直观显示,故其要去:
简单、大气、美观。
原则上,不在中控GUI上做控制命令接口,只提供显示。
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3.3数据通信方案设计
数据通信机制为子系统之间提供一套完善的通信方式,是上位机与中控、与液路系统、与样品采集系统、二氧化碳恒温系统的数据传输的重要手段。
其设计的好与坏,直接影响设备的正常运行。
并且与控制系统相辅相成,控制系统可以将自身的一些异常通过通信机制反馈到中控以及上位机,同时能够接收并解析中控或者上位机的命令。
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四、子系统控制方案设计
4.1液路系统控制方案设计
液路系统控制分为两种状态,液路平衡建立时态以及液路平衡运行时态。
液路平衡建立时态是指建立细菌、细胞培养的平衡性液路环境。
液路平衡运行时态是指液路平衡时需要处理的一些运行控制状态。
开始输入培养基体积
图4-1-1液路建立流程图
如图4-1-1液路建立流程图所示,液路系统先接收培养基的体积,然后接收到开始液路建立命令之后,仪器开始运转,注液泵开始从新鲜培养基中抽取液体到主循环中。
同时,主次循环的蠕动泵开始运转,利用这两个蠕动泵的转速之差,-5-
来平衡主次循环中的液体流向。
液路运行环境建立完成获取上位机指令进培养进药排废暂停停止主次称重比较命令基液指液指液指命令指令令令令指令转动(快)蠕动泵1主重量-次重量>是5转动(慢)蠕动泵药废仪进液仪泵泵停运暂转动(慢次重量蠕动主重转动(慢蠕动次重主重量蠕动转动(慢主重量次重蠕动转动(快)4-1-2液路运行流程图图液路运行流程图所示,液路系统建立完成后开始运行,然后接收如图4-1-2,主蠕5g上位机的指令,同时进行主次循环称重比较。
如果主重量比次重量大,次蠕动泵转速快;主重量和次重量的差值5g动泵转速快;次重量比主重量大之内,速度一样。
在接收到上位机的进培养基指令,进药液指令,排废液5g在指令,暂停指令或者停止指令后,仪器做出相应的操作。
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4.2样品采集系统控制方案设计
开始转盘以及坐标轴复Z轴复位注射结束?
X轴电机复位位时间内复位完注入一次样本转盘复位复位异常成本次采样结开始样品采轴开始穿轴电机到达预注射泵混位转盘到达预定的注射泵抽取样
图4-2-1样品采集系统控制流程图
图4-2-1样品采集系统控制流程图,开机候,转盘以及X轴,Z轴先复位,如果复位超时,则发送复位异常数据包,继续执行复位操作,直到系统复位。
接收到样品采集命令,注射泵开始抽拉混匀,混匀结束之后开始抽取样本后,转盘开始运转到达预定的位置后,X轴电机运转到达预定位置后,Z轴电机运转,采样针穿刺,注入样本,Z轴复位。
判断本次样本注入完毕,如果没有,则执行前述操作。
样本注入完成之后,X轴电机复位,转盘复位完成,本次采样结束。
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4.3二氧化碳恒温培养箱环境控制环境设计
开始发送传感器传感器初始化否完毕?
异常命令读取传器参浓>4.9打开电阀放500m等待气稳定
图4-3-1二氧化碳浓度控制流程
图4-3-1是二氧化碳浓度控制流程,上电后,传感器自检,如果自检失败,发送传感器异常命令,直到自检成功。
接收到环境建立命令之后,读取传感器参数,如果浓度小于4.9%,则打开电磁阀放二氧化碳气体500mS,等待气体稳定后,重新测量,重复之前操作,如果大于4.9%,则不用放二氧化碳气体。
温度控制,直接与温控板连接,设置其温度。
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五、中控板GUI方案设计
emWin设计用于提供高效且独立于处理器和显示控制器的图形用户界面,用于任何使用图形显示进行操作的应用。
它与单任务和多任务环境、专用操作系统或具有任何商业RTOS兼容,emWin的发货形式为C语言源代码。
它可适用于任何尺寸的、具有任何显示控制器和CPU的物理和虚拟显示器。
STemwin是专门用于STM32系列芯片的emwin界面。
中控板的GUI就是采用了STemwin的界面控制方法。
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六、数据通信方案设计
6.1数据链路层通信方式
主动发送消自动重对方接发送异超过三次收到回结
图6-1基本底层通信机制流程
各子系统与中控板之间通过物理层上用RS232串口协议进行数据通信,因为串口的曾在一定的误码率以及可能得数据干扰,需要在物理层上添加数据链路层,以完善数据通信功能,所以提出了图6-1所示的基本通信机制流程。
主机主动发送数据,从机接收,并实时回复,主机接收到回复之后,标志本次数据发送成功,如果没有收到回复信息,则会实时重发,超过三次重发,发送通信异常事件。
数据通信格式请参考《HA通信协议总括.doc》文档。
6.2PC与主控板通信流程设计
PC机与主控板之间主要包含四种状态,主系统以及各子系统初始化状态,正常运行状态,异常运行状态,结束状态。
图6-2是主系统初始化流程图,其中包含了正常初始化以及异常初始化处理。
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开始系统初始化PC软件查询下位机否在线屏幕输出询问次数小否在线?
3异常于是PC查询下PC显示错误状位机初化状P显示系统结束成功始化P显示系统始化成
6-2主系统初始
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用户向PC输入参数:
液路运行流程培养液体积用户手动点击液路PC显示传感器参数系统开始运定时询问传感器下位机确认运数:
压力,颜色P轮询液路状成功P显示错误界
5-2液路运行流
5-2是液路系统初始化流程图,其中在等待下位机发送运行状态过程中上位机每5轮询一次,而压力、颜色传感器参数轮训建议周期10
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样品采集运行流程人工或者定时发否送样品采集命令接收回复信报错PC否3次?
是大于号?
是PC查询采集状发生错误完毕P提示采集功,取样
5-3样品采集运行状态流
5-是样品采集系统运行状态P交互的流程图,发送样品采集的命可有两种驱动源一种是人工手动在界面上点击样品采集另一种是定时发送品采集命令(疑问:
紫光灯杀菌需个小时,而细菌样品采集时间间隔低小时怎么处理
图5-4是CO2环境建立流程,首先需要根据用户设定CO2环境的温度,PC机每隔5S轮询一次环境建立的状态,并实时显示CO2的浓度和温度。
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CO2环境建立流程否PC设定CO2培养箱温度接收回复信报错PC否次?
是大于3号?
PC发送建立二氧化培养环境命令PC询问CO2培养箱状态,显示实时温度和CO2浓环境建立毕P显示环境建立完
5-4CO环境建立流
5-是系统关闭流程P发送完系统关闭命令之后,下位机立即回复上关闭系统,然后P每5轮询一次下位机关闭状态,如CO系统关完成P显CO系统关闭,依次类推,知道三大系统都关闭完成P显系统关闭
P发送系统关闭命系统关闭流接收回复报P次大号P轮询系统关闭状态PC显示CO2系统是CO2系统关闭?
关闭否样品采集系统PC显示样品采是关闭?
集系统关闭否液路系统关闭?
PC显示系统关闭
图5-5系统关闭流程
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系统初始化环境建立CO2液路运行流样品采集运行流关闭系统流
5-6图各模块之间的顺序流程是各状态模块之间的主要流程,不能出现顺序上的错误,否则系统无图5-6法实现其基本功能。
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