摘 要：根據(jù)醫(yī)療行業(yè)對高溫滅菌的使用要求和工作特點，研制一種基于LPC2210處理器和μC/OSⅡ?qū)崟r操作系統(tǒng)的脈動真空滅菌器的模糊智能控制系統(tǒng)。通過對滅菌溫度、壓力和時間等主要工藝參數(shù)的控制，可以對包裹、器械等進行快速有效的滅菌。系統(tǒng)同時具有實時參數(shù)顯示、消毒滅菌過程中文提示及遠程控制等功能，實驗表明系統(tǒng)運行安全、可靠、實用性強。

關(guān)鍵詞：ARM；實時操作系統(tǒng)；TCP/IP；模糊PID控制；脈動真空；滅菌

中圖分類號：TP273文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)22-053-04

Design of Embedded Intelligent Control System Based on the LPC2210 for Sterilization

LI Weiwei，CHEN Shuangye，YU Chunxuan

(Electronic Infoemation Control Engineering，Beijing University of Technology，Beijing，100022，China)

Abstract：The fuzzy intelligent control system of a new medical pulsation vacuum sterilizer based on LPC2210 CPU and μC/OS II RTOS is designed，according to the requirement and the work characteristics of the medical treatment.With better control of temperature，pressure and time，the package materials，appliance，could be sterilized quickly and effectively.This system have many functions such as parameters display，Chinese prompt，and control of long-distance in the process of disinfections and sterilization.The experiment demonstrates that this practical system can implement safely and reliably.

Keywords：ARM;real-time operating system;TCP/IP;fuzzy-PID control;pulse vacuum;sterilization

1 引 言

滅菌器是保護人類生命健康的重要設(shè)備，在發(fā)達國家無論是家用滅菌器還是商用滅菌器都很普及并且技術(shù)先進。然而國內(nèi)目前的主要滅菌器產(chǎn)品都存在技術(shù)比較落后，滅菌效果不太理想的情況。在控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計方面，大部分廠家生產(chǎn)的滅菌器產(chǎn)品都是單片機控制，相對于現(xiàn)在比較成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和遠程診斷技術(shù)，明顯可以看出在系統(tǒng)硬件方面技術(shù)的滯后。根據(jù)脈動真空滅菌器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及工作環(huán)境等實際情況，并結(jié)合計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，研制和生產(chǎn)基于LPC2210微控制器和μC/OS Ⅱ操作系統(tǒng)并配以溫度和壓力傳感器、鍵盤、LCD顯示器及以太網(wǎng)通訊模塊等組成的功能強大的脈動真空滅菌控制系統(tǒng)。為方便用戶操作和觀察，設(shè)計了友好的人機對話界面，使整個消毒滅菌過程全中文顯示。為擴大脈動真空滅菌器的使用范圍，系統(tǒng)根據(jù)“包裹、器械、乳膠…”7類不同物品分別編制滅菌控制程序，并實現(xiàn)遠程控制的功能。

2 脈動真空滅菌器基本工作原理

所謂脈動真空，就是首先向滅菌器夾層內(nèi)輸蒸汽至額定壓力，然后用真空泵將滅菌器內(nèi)室抽到一個較高的真空度(脈動下限)，再充蒸汽到設(shè)定正壓(脈動上限)，如此一負一正的過程即為1次脈動循環(huán)。經(jīng)過幾次脈動后，基本抽盡器體內(nèi)的冷空氣，接著進飽和蒸汽達到不同滅菌物品對應(yīng)的滅菌溫度，開始累計滅菌計時，計時結(jié)束后，抽真空干燥，使滅菌物品達到較好的干燥度，滅菌后可直接使用，從而達到很好的滅菌效果。

脈動真空滅菌器的主體為一帶有夾層及密封門的高壓容器，配有真空泵、真空閥、排汽閥、進氣閥等控制器件及溫度、壓力傳感器，根據(jù)里外鍋的溫度和壓力是否達到規(guī)定值和時間要求而進行各種控制動作，工作過程如圖1所示。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 硬件總體結(jié)構(gòu)

脈動真空滅菌器智能控制系統(tǒng)是由主控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、開關(guān)量輸入/輸出控制系統(tǒng)和通信及人機交互系統(tǒng)組成，控制核心單元采用ARM 7核的LPC2210作為主控CPU，核心CPU板上設(shè)計有鍵盤接口、LCD接口、RS 232接口 、DI/DO接口、模擬量輸入接口、JTAG接口、網(wǎng)絡(luò)接口等。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3.2 信號采集電路與開關(guān)量輸入/輸出電路

信號采集電路主要是實現(xiàn)對里外鍋溫度和壓力的采集，溫度傳感器采用的是電流型傳感器AD590，測量范圍在55~150 ℃之間，輸出電流與溫度的線性關(guān)系為1 μA /K，0 ℃對應(yīng)的電流為273.2 μA，0~150 ℃分別對應(yīng)0~3.3 V。 該部分的電路設(shè)計思路主要是： 溫度→電流信號→電流電壓轉(zhuǎn)換→濾波→A/D轉(zhuǎn)換。

壓力傳感器采用的電壓型傳感器MPX2200，測壓范圍是220 kPa，靈敏度為0.2 mV/kPa。輸出電壓范圍是0~40 mV。該部分的電路設(shè)計思路主要是：壓力→電壓→差分放大→濾波→A/D轉(zhuǎn)換。

其中A/D部分是LPC2210片內(nèi)自帶的10位逐次逼近式轉(zhuǎn)換器，測量范圍為0~3.3 V。采集的數(shù)字量經(jīng)數(shù)字濾波、變換后通過LCD動態(tài)顯示，并且與設(shè)定值進行比較，得到誤差E與誤差變化率EC為后續(xù)控制提供依據(jù)。

二路的開關(guān)量輸入電路主要用于判斷滅菌過程中滅菌容器的門栓開關(guān)和門限位開關(guān)是否接通。10路的開關(guān)量輸出電路主要是通過控制固態(tài)繼電器的通斷，實現(xiàn)對各個數(shù)字閥門的通斷控制，從而調(diào)節(jié)里外鍋的溫度和壓力。

3.3 鍵盤及LCD顯示電路

人機界面主要包括鍵盤、LCD顯示電路。用戶通過鍵盤設(shè)定滅菌溫度、時間和脈動真空次數(shù)，滿足各種消毒要求。該模塊采用的是帶I²C接口的鍵盤與LED驅(qū)動芯ZLG7290，最大支持64個按鍵，通過I²C總線與LPC2210通信。

液晶顯示電路采用的是北京青云公司的LCM320240顯示模塊， 此模塊采用內(nèi)置的SED1335圖形顯示控制器，顯示類型為STN藍模式，和CPU以直接方式連接，用以動態(tài)顯示溫度、壓力、時間和操作提示等。

3.4 以太網(wǎng)通訊電路

該部分電路主要是實現(xiàn)通過因特網(wǎng)對該滅菌器的遠程控制與診斷，一方面發(fā)送命令與數(shù)據(jù)對該滅菌器進行控制；另一方面獲得當前的溫度壓力滅菌時間等重要狀態(tài)參數(shù)以實時反映滅菌狀況。硬件電路使用的芯片除了處理器LPC2210和以太網(wǎng)芯RTL8019AS，還有網(wǎng)卡變壓器，RTL8019AS通過總線和LPC2210處理器連接，LPC2210與以太網(wǎng)芯片RTL8019AS工作在跳線方式。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

為滿足對脈動真空滅菌控制系統(tǒng)實時性和網(wǎng)絡(luò)通訊的要求，采用基于嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS Ⅱ的軟件設(shè)計。主要工作包括μC/OS Ⅱ的移植、驅(qū)動程序的編寫、控制算法編排、多任務(wù)實現(xiàn)等。

4.1 μC/OS Ⅱ的移植

μC/OS Ⅱ是一個源碼開放的搶占式實時操作系統(tǒng)，它具有內(nèi)核可裁減、時間可確定、短小精悍、可移植性強的特點。

所謂移植，就是使一個實時內(nèi)核能在其他處理器或微控制器上運行。μC/OS Ⅱ把內(nèi)核代碼分成了3部分:與處理器無關(guān)的代碼、與處理器有關(guān)的代碼以及與應(yīng)用相關(guān)的代碼。與這里移植相關(guān)的文件包括OS_CPU.H，OS_CPU.C，OS_CPU_A.S。在移植中使用的是ADS1.2編譯器，它支持內(nèi)嵌匯編，滿足μC/ OSⅡ的移植條件。移植步驟如下：

(1) 設(shè)置OS_CPU.H中與處理器和編譯器相關(guān)的代碼。主要是編寫與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型和與處理器相關(guān)的中斷開啟和關(guān)閉、堆棧增長方式等。

(2) 用C語言編寫6個操作系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù)(OS_CPU.C)，主要編寫任務(wù)堆棧初始化函數(shù)和5個鉤子函數(shù)，其中任務(wù)堆棧初始化函數(shù)必須自己編寫，5個鉤子函數(shù)可以不加代碼，但函數(shù)必須建立。

(3) 用匯編語言編寫4個與處理器相關(guān)的函數(shù)(OS_CPU_A.S)。這4 個函數(shù)分別完成運行優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)、任務(wù)級的任務(wù)切換、中斷切換、中斷服務(wù)功能。

4.2 驅(qū)動程序的編寫

驅(qū)動程序是連接底層硬件和上層的API函數(shù)的紐帶，有了驅(qū)動程序，就可以把操作系統(tǒng)的API和底層的硬件分離開來。任何一個硬件的改變、刪除或者添加，只需隨之改變、刪除或者添加提供給操作系統(tǒng)的相應(yīng)驅(qū)動程序，并不影響到API函數(shù)的功能，更不會影響到用戶的應(yīng)用程序。同時，為了保證在實時多任務(wù)操作系統(tǒng)中對硬件訪問的惟一性，系統(tǒng)的驅(qū)動程序受控于相應(yīng)的操作系統(tǒng)的多任務(wù)之間的同步機制。在μC/OS Ⅱ中，使用信號量、郵箱等機制進行協(xié)調(diào)。

該滅菌控制器的驅(qū)動程序有GPIO驅(qū)動，AD驅(qū)動，RTC驅(qū)動，LCD驅(qū)動，網(wǎng)卡驅(qū)動，I²C驅(qū)動，RS 232驅(qū)動等。

4.3 以太網(wǎng)通訊功能的實現(xiàn)

由于μC/OSⅡ本身不帶有網(wǎng)絡(luò)功能，因此必須在此基礎(chǔ)上移植1個TCP/IP協(xié)議棧，這樣便可利用該協(xié)議棧提供的SOCKET套接字實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)編程，從而可以通過因特網(wǎng)實現(xiàn)對滅菌控制系統(tǒng)的遠距離控制與維護，大大提高了該滅菌控制系統(tǒng)的功能。

μC/OSⅡ是一種微內(nèi)核的結(jié)構(gòu)，TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)最終是以幾個任務(wù)的形式被μC/OSⅡ調(diào)度來協(xié)作完成數(shù)據(jù)的通信過程。TCP/IP系統(tǒng)框圖如圖5所示，共占用3個任務(wù)(不包括應(yīng)用程序的任務(wù))，第1個是接收和ICMP，ARP處理任務(wù)，第2個是UDP接收任務(wù)，第3個是TCP接收任務(wù)。接收任務(wù)與UDP和TCP任務(wù)的通信是通過消息隊列來進行的。而UDP接收任務(wù)和TCP接收任務(wù)是通過SOCKET接口與應(yīng)用層的程序進行通信的。

數(shù)據(jù)報的接收是通過1個任務(wù)來進行的，該任務(wù)優(yōu)先級較高，可以通過時間片或通過中斷來觸發(fā)。比如在1個任務(wù)里每隔4個時鐘節(jié)拍調(diào)用1次Rec_Packet()函數(shù)；而該函數(shù)是底層的驅(qū)動程序函數(shù)，它在接收時調(diào)用Rec_Ethernet_Packed()函數(shù)進行以太網(wǎng)層處理，而Rec_Ethernet_Packed()函數(shù)又調(diào)用IP_PROCESS()函數(shù)，IP層的處理由IP_PROCESS()函數(shù)執(zhí)行，并對不同類型的IP報進行分類；如ICMP報就交Icmp_process()函數(shù)處理，而TCP或UDP報就通過消息隊列交給TCP或UDP處理任務(wù)去執(zhí)行。UDP或TCP接收處理任務(wù)又通過信號量的方式喚醒等待數(shù)據(jù)的任務(wù)。

數(shù)據(jù)報的發(fā)送與數(shù)據(jù)報的接收是一個相反的過程，是由上層協(xié)議函數(shù)調(diào)用下層協(xié)議函數(shù)來進行的。上層TCP，UDP處理函數(shù)或SOCKET接口函數(shù)都是通過調(diào)用Send_Ip_Frame()函數(shù)來發(fā)送IP 報的，而Send_Ip_Frame()函數(shù)則通過調(diào)用Send_Ip_To_LLC()函數(shù)來處理IP地址對應(yīng)MAC地址的事情，然后Send_Ip_To_LLC()再調(diào)用Send_ethernet_Frame()函數(shù)。把對應(yīng)MAC 地址寫入發(fā)送區(qū)，最后調(diào)用驅(qū)動程序的發(fā)送函數(shù)Send_Packet()，完成發(fā)送過程。

4.4 控制策略的確定

系統(tǒng)根據(jù)“器械、包裹、液體”等幾類不同物品分別編制滅菌控制程序，現(xiàn)以包裹類為例說明控制流程，主要是外鍋溫度壓力處理、預(yù)真空處理、真空處理、滅菌處理、置換處理、開門處理。

為滿足工藝流程的要求，在除滅菌處理階段之外采用的都是順序控制，從而滿足對里外鍋溫度壓力及時間的控制，為真正的滅菌階段做好準備。

滅菌階段又可簡單地分為滅菌升溫和恒溫階段，是整個控制過程最重要的環(huán)節(jié)。在工作中溫升過快會導致當室內(nèi)溫度達到要求時消毒物品內(nèi)部卻可能達不到滅菌的要求; 另外超熱蒸汽溫度雖高，但遇到消毒物品時不能凝結(jié)成水，不能釋放潛伏熱，對滅菌不利。為保證滅菌效果和提高工作效率，用模糊PID混和控制方法控制溫度。圖6為模糊PID混和控制器結(jié)構(gòu)，控制思想是當被滅菌室溫度在設(shè)定偏差外，采用模糊控制，從而保證理想溫升速度;當被控溫區(qū)溫度進入偏差內(nèi)，自動切換為PID控制，以獲得高穩(wěn)態(tài)精度。

控制系統(tǒng)的模糊控制器采用的控制變量是滅菌室設(shè)定溫度Ts與實測溫度T的誤差E和溫度誤差的變化率EC。U和EC的模糊集是{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}，E的模糊集是{NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB}，模糊推理機制規(guī)定為“if Ek and ECk then Uk”形式，將相應(yīng)的模糊推理規(guī)則建表后儲存于計算機中，通過查表的方式實現(xiàn)模糊推理。程序中，根據(jù)溫差E及誤差變化率EC查得量化值U，再乘以對應(yīng)的量化因子，得到精確值控制量，求出U(k)為當前輸出，由于該系統(tǒng)采用數(shù)字閥．所以U(k)設(shè)為PWM波中，高電平所占時間。

PID控制器是一種線性控制器，在滅菌器計算機控制系統(tǒng)中，使用增量式PID控制算法，計算公式為:

ΔU(k)=K_p*［E(k)-E(k-1)］+K_i*E(k)+

K_d*［E(k)-2E(k-1)+E(k-2)］

其中：E(k)為當前設(shè)定溫度與檢測溫度的誤差；U(k)為當前輸出，由于該系統(tǒng)采用數(shù)字閥。所以U(k)設(shè)為PWM波中，高電平所占時間。系統(tǒng)采用PWM控制閥門的開度來實現(xiàn)溫度控制，根據(jù)壓力鍋容積大小，蒸汽壓力和溫度以及蒸汽閥管徑大小，和廠家提供的經(jīng)驗參數(shù)選擇PWM周期為2 s。溫度和壓力參數(shù)的采樣周期為100 ms，由一后臺任務(wù)完成。

4.5 多任務(wù)的實現(xiàn)

傳統(tǒng)的程序設(shè)計基本上是順序、分支結(jié)構(gòu)，效率低。所謂任務(wù)就是1個功能相對獨立的模塊，也就是1個特殊的函數(shù)，主體是個無限循環(huán)，循環(huán)里完成一定的功能。多個任務(wù)之間有一個實時的調(diào)度算法，按照任務(wù)的優(yōu)先級隨機調(diào)度這些任務(wù)來執(zhí)行。任務(wù)之間以及任務(wù)與中斷服務(wù)程序之間可以通過信號量、消息郵箱、消息隊列、延時等系統(tǒng)服務(wù)來實現(xiàn)彼此通信、數(shù)據(jù)共享和同步，因而可以有效避免資源競爭。從宏觀上看多任務(wù)是并發(fā)執(zhí)行的。創(chuàng)建5個應(yīng)用任務(wù)實現(xiàn)交互完成所有的功能，用來實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧的任務(wù)不包括在內(nèi)。

任務(wù)1：鍵盤任務(wù)，優(yōu)先級較低，采集按鍵值發(fā)給顯示的任務(wù)，由于顯示任務(wù)是個最低優(yōu)先級的任務(wù)，所以以消息隊列的方式與顯示任務(wù)交互，同時通過信號量機制，實現(xiàn)對控制任務(wù)的同步操作。

任務(wù)2：A/D采集任務(wù)，優(yōu)先級最高，類似內(nèi)核線程，每隔100 ms，采集4路溫度壓力數(shù)據(jù)存入AD_table全局數(shù)組，供其他任務(wù)查詢使用。

任務(wù)3：控制任務(wù)，優(yōu)先級高，完成滅菌控制整套流程，通過消息隊列與顯示任務(wù)交互，通過信號量與鍵盤任務(wù)交互，查詢AD_table數(shù)組，獲得當前溫度和壓力從而控制滅菌流程。

任務(wù)4：顯示任務(wù)，優(yōu)先級最低，類似Windows中消息機制，從消息隊列中循環(huán)取得顯示命令和顯示參數(shù)，分別顯示不同畫面，反映當前滅菌狀態(tài)。

任務(wù)5：遠程通信任務(wù)，優(yōu)先級較高，該任務(wù)實際上是客戶端程序，一方面接收上位機發(fā)送的不同命令和數(shù)據(jù)控制該系統(tǒng)的動作，另一方面發(fā)送重要數(shù)據(jù)給上位機以便上位機觀測該系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

編寫好這些任務(wù)的代碼和用到的中斷服務(wù)程序后，啟動操作系統(tǒng)則應(yīng)用程序就開始運行，若要增添功能，只需增加相應(yīng)的任務(wù)和調(diào)用一定的系統(tǒng)服務(wù)即可。

5 結(jié) 語

本控制系統(tǒng)是和北京將臺醫(yī)療器械廠協(xié)作完成的，已經(jīng)在脈動真空滅菌器上應(yīng)用。經(jīng)過長時間的實驗，表明其測量數(shù)值準確、穩(wěn)定；控制過程準確可靠，抗干擾能力強；操作簡單、使用方便，工作過程完全實現(xiàn)了智能化網(wǎng)絡(luò)化控制，具有較高性能。

參考文獻

［1］周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程.北京:北京航空航天大學出版社，2005.

［2］劉樂善，歐陽星明.微型計算機接口技術(shù)及應(yīng)用.武漢:華中科技大學出社，2000.

［3］Jean J Labrosse.嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS Ⅱ.北京:北京航空航天大學出版社，2003.

［4］周航慈，吳光文.基于嵌入式實時操作系統(tǒng)的程序設(shè)計技術(shù).北京:北京航空航天大學出版社，2006.

［5］W Richard Stevens.TCP/IP詳解.范建華，骨光輝，張濤，等譯.北京:機械工業(yè)出版社，2000.

［6］周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)實例(一).北京:北京航空航天大學出版社，2005.

［7］易繼鍇，侯媛彬.智能控制技術(shù).北京:北京工業(yè)大學出版社，1999.

［8］諸靜.模糊控制原理與應(yīng)用.北京:機械工業(yè)出版社，1995.

［9］于海生.微型計算機控制技術(shù).北京:清華大學出版社，1999.

［10］陶永華，尹怡欣，葛蘆生.新型PID控制及其應(yīng)用.北京:機械工業(yè)出版社，1998.

作者簡介

李偉偉 男，1982年出生，安徽舒城人，碩士研究生。主要研究方向為過程控制、嵌入式系統(tǒng)。

陳雙葉 男，1976年出生，湖北武漢人，博士，副教授。主要研究方向為智能控制、工業(yè)自動化。

余春暄 女，1974年出生，北京人，博士，副教授。主要研究方向為計算機技術(shù)與應(yīng)用、模式識別。