侯延進(jìn)，田寒梅，滕竟?fàn)?，張新力，許敏

(山東省科學(xué)院能源研究所傳遞現(xiàn)象研究中心，山東 濟(jì)南 250014)

接種分離是醫(yī)學(xué)用途廣泛的一種操作，其人工操作用工量大、耗費(fèi)時(shí)間，且易使醫(yī)護(hù)人員發(fā)生感染。醫(yī)用接種分離器是將病人的尿液、痰液等物理樣本取樣并在培養(yǎng)基里面按照不同方式劃線培養(yǎng)，然后將結(jié)果進(jìn)行分析化驗(yàn)的一種儀器。目前國(guó)外接種分離裝置在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，只有德國(guó)西門(mén)子等幾家大公司有類(lèi)似的產(chǎn)品，大多采用可編程控制器(PLC)[1]、工業(yè)控制機(jī)(IPC)、單片機(jī)等自動(dòng)控制手段，具有人機(jī)界面友好、工作安全可靠等特點(diǎn)[2-3]，但是費(fèi)用昂貴且售后服務(wù)不到位。國(guó)內(nèi)目前醫(yī)用接種分離自動(dòng)化程度不高，大多依賴(lài)于人工操作，步驟繁瑣且占用大量人力，全自動(dòng)接種分離控制技術(shù)還屬空白。本文研制了一種以ARM系列STM32F407型單片機(jī)作為核心接種分離器及相關(guān)的外圍配套器件的全自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了樣本采集、細(xì)菌培養(yǎng)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及授權(quán)扣費(fèi)等功能。

1 接種分離器的系統(tǒng)構(gòu)成及工作流程

圖1展示了接種分離器執(zhí)行機(jī)構(gòu)的基本構(gòu)造，其中包括13個(gè)步進(jìn)電機(jī)[4]，6個(gè)減速電機(jī)，6個(gè)電磁閥，24個(gè)位置傳感器(其中包括對(duì)射式和反射式兩種)以及一個(gè)電加熱器。

圖1 接種分離器的構(gòu)造圖Fig.1 Structure of inoculation separator

本系統(tǒng)分為樣本輸送段以及細(xì)菌接種段。樣本輸送段的流程為：當(dāng)檢測(cè)到有樣本到來(lái)后，步進(jìn)電機(jī)和電磁閥控制機(jī)械手將樣本移動(dòng)到開(kāi)蓋位置開(kāi)蓋，然后再移動(dòng)到樣本沾取位置等待接種段的探針接種，在接種完畢后將樣本移動(dòng)到關(guān)蓋位置關(guān)蓋，移動(dòng)到丟棄孔丟棄。細(xì)菌接種段的流程為：將培養(yǎng)品按照樣本的種類(lèi)從料架中取出，開(kāi)蓋并移動(dòng)到劃線位置，然后探針沾取樣本按照觸摸屏上設(shè)定的方式進(jìn)行劃線(劃線方式一共分為4種，見(jiàn)圖2)，劃線完畢后探針消毒并將培養(yǎng)皿關(guān)蓋移出，返回初始狀態(tài)準(zhǔn)備下一次劃線。

圖2 劃線方式圖Fig.2 Scribing chart

2 控制系統(tǒng)組成及功能

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文研發(fā)的接種分離控制系統(tǒng)可控制接種分離裝置中的各個(gè)執(zhí)行部分的動(dòng)作，并與外部掃碼器、RFID射頻讀卡器、觸摸屏以及PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換處理，以實(shí)現(xiàn)樣本采集、細(xì)菌培養(yǎng)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及授權(quán)扣費(fèi)等功能。其輸入信號(hào)包括樣本輸送入口的位置、樣本出口位置、電機(jī)初始位置、觸摸屏輸入的劃線方式等，分別由相對(duì)應(yīng)的傳感器及串口完成信號(hào)采集。輸出信號(hào)包括各電機(jī)的啟停、機(jī)械手位置以及觸摸屏顯示計(jì)費(fèi)等信息，由相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成動(dòng)作輸出。

控制系統(tǒng)由系統(tǒng)硬件及軟件兩部分組成，硬件主要由核心板、各步進(jìn)電機(jī)、減速電機(jī)、加持氣缸、光電傳感器等組成。系統(tǒng)軟件部分主要采用模塊化編寫(xiě)，順序控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各功能。

2.2 硬件構(gòu)成及核心器件

本控制系統(tǒng)采用以ARM[5-6]單片機(jī)為核心的控制器將接種分離器中的所有外圍器件聯(lián)接起來(lái)，采用輸入輸出全光電隔離的方式，避免了由于某一個(gè)外部器件的短路導(dǎo)致所有器件的誤動(dòng)作，提高了系統(tǒng)的可靠性，且利用限位開(kāi)關(guān)硬件防干擾，提高系統(tǒng)運(yùn)行精度。

系統(tǒng)以STM32F407CPU為中心，通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片74LVC4245和光電隔離芯片與外部的輸入單元聯(lián)接，利用鎖存芯片74HC574及光耦來(lái)驅(qū)動(dòng)外部輸出設(shè)備，圖3展示了本單片機(jī)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成。其中，USART串口轉(zhuǎn)232通訊與外部配套設(shè)備以MODBUS協(xié)議或者設(shè)備自定義協(xié)議交換數(shù)據(jù)。采用SPI協(xié)議的FLASH W25X16用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，采用I2C協(xié)議的EEPROM 24C02用來(lái)存儲(chǔ)授權(quán)以及密碼等數(shù)據(jù)。幾種核心器件的應(yīng)用如下。

圖3 硬件系統(tǒng)圖Fig.3 Hardware system diagram

2.2.1 STM32F407

STM32F407內(nèi)核為ARM 32位的Cortex(TM)-M4 CPU[7]，最高168 MHz工作頻率，3個(gè)12位A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，1 μs轉(zhuǎn)換時(shí)間(多達(dá)24個(gè)輸入通道)，2通道12位D/A轉(zhuǎn)換器、12通道DMA控制器，多達(dá)140個(gè)I/O端口具有中斷功能，136個(gè)快速I(mǎi)/O高達(dá)84 MHz，138個(gè)5 V容限I/O，17個(gè)定時(shí)器，2個(gè)看門(mén)狗，15個(gè)通信接口，3個(gè)I2C接口，3個(gè)SPI接口，5個(gè)USART接口支持ISO7816，如此強(qiáng)大的片內(nèi)資源能充分滿足對(duì)于外部接口及控制實(shí)時(shí)性要求較高的接種分離器的要求。

2.2.2 W25X16

W25X16是華邦的一款容量為16 M字節(jié)的FLASH存儲(chǔ)器，通過(guò)SPI口與單片機(jī)相連，可以快速地實(shí)現(xiàn)大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。由于接種分離器需要存儲(chǔ)1年的用戶數(shù)據(jù)，按照每天做200個(gè)樣本，每個(gè)樣本需要20字節(jié)的存儲(chǔ)空間，這樣一天的數(shù)據(jù)量為4 000字節(jié)。而W25X16每頁(yè)的存儲(chǔ)量為4 096字節(jié)，剛好一天占一頁(yè)，查詢的時(shí)候只需要按照日期對(duì)應(yīng)的某一頁(yè)查詢即可。需要注意的是，W25X16是一款FLASH芯片，所以寫(xiě)入數(shù)據(jù)前必須先擦除，也就是說(shuō)此芯片只能置0不能置1，所以每天寫(xiě)入之前都要對(duì)當(dāng)天對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)頁(yè)擦除，然后再進(jìn)行寫(xiě)操作。

2.2.3 通訊接口硬件

通訊接口的硬件圖見(jiàn)圖4，因?yàn)樾枰?個(gè)外圍設(shè)備通訊，擔(dān)心外部設(shè)備若有故障會(huì)影響內(nèi)部芯片的正常工作，因此采用了高速光耦6N137來(lái)做隔離。與觸摸屏聯(lián)接采用MODBUS RTU協(xié)議，觸摸屏作為主機(jī)，定時(shí)向控制器發(fā)送命令，控制器根據(jù)發(fā)送的命令進(jìn)行應(yīng)答，根據(jù)相應(yīng)的地址將數(shù)據(jù)發(fā)送到觸摸屏中顯示。在后期處理過(guò)程中，有可能會(huì)將前處理后處理一起通過(guò)觸摸屏控制，這樣軟件利用MODBUS可以方便地進(jìn)行子網(wǎng)的擴(kuò)展，硬件上采用232轉(zhuǎn)484轉(zhuǎn)換器開(kāi)擴(kuò)展。與掃碼器和IFRD通訊都采用器件各自的自定義協(xié)議。

圖4 通訊接口圖Fig.4 Communication interface diagram

2.2.4 限位開(kāi)關(guān)

圖5 反射式限位開(kāi)關(guān)Fig.5 Reflective limit switch

2.3 軟件控制流程

為更好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，軟件設(shè)計(jì)采用分塊編寫(xiě)程序的方式，將一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)分成若干個(gè)相互聯(lián)系的塊，相互獨(dú)立又相輔相成，使程序結(jié)構(gòu)清晰、維護(hù)方便。同時(shí)采用軟件位置修正等措施充分保證了執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的可靠性和精度。

本系統(tǒng)簡(jiǎn)化的軟件流程如圖6所示，在初始上電之前需要對(duì)所有帶位置控制的步進(jìn)電機(jī)做一個(gè)歸位程序，如果本來(lái)就在初始位置的要先移出一定步數(shù)重新歸位。執(zhí)行上述動(dòng)作的原因是由于限位開(kāi)關(guān)自身有6～7 mm的感應(yīng)范圍，這個(gè)范圍足以影響機(jī)械執(zhí)行的精度，因此程序上對(duì)于每一個(gè)限位開(kāi)關(guān)都做了修正，即步進(jìn)電機(jī)在檢測(cè)到限位開(kāi)關(guān)的上調(diào)沿脈沖后繼續(xù)執(zhí)行一定的步數(shù)以達(dá)到精確定位。程序根據(jù)掃碼器讀出的狀態(tài)來(lái)判斷樣本的類(lèi)型、需要培養(yǎng)皿的個(gè)數(shù)以及每個(gè)培養(yǎng)皿的劃線方式，根據(jù)這些信息執(zhí)行劃線動(dòng)作，每個(gè)探針在劃線結(jié)束后需要進(jìn)行一個(gè)8 s的高溫消毒動(dòng)作。消毒加熱器在待機(jī)狀態(tài)下采用半功率控制，利用單片機(jī)發(fā)出一個(gè)脈寬為50%的PWM波，在檢測(cè)到樣品時(shí)全功率加熱，這樣既能保證在有限的時(shí)間內(nèi)加熱溫度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，又能提高加熱器使用壽命。所有動(dòng)作執(zhí)行完畢后將培養(yǎng)皿關(guān)蓋輸送到下一段進(jìn)行培養(yǎng)。

圖6 軟件控制流程Fig.6 Software controlling flowchart

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本控制系統(tǒng)針對(duì)不同病人的樣本可以實(shí)現(xiàn)4種劃線方式，效果如圖7所示。處理速度可以達(dá)到每小時(shí)100個(gè)樣本，完全取代了人工，并且故障率低。實(shí)驗(yàn)連續(xù)處理了1 000個(gè)樣本，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，處理效果完全達(dá)標(biāo)且無(wú)異常情況出現(xiàn)，受到了醫(yī)院用戶的一致認(rèn)可。

圖7 接種培養(yǎng)后效果Fig.7 Effect after inoculation

4 結(jié)論

本文研究開(kāi)發(fā)的接種分離系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了智能化的接種方式，即劃線方式可依據(jù)樣本的類(lèi)型自動(dòng)選取，結(jié)構(gòu)上采用多個(gè)步進(jìn)電機(jī)及位置傳感器協(xié)調(diào)動(dòng)作精確定位，完全模擬人工劃線方式操作，實(shí)現(xiàn)包括分區(qū)劃線在內(nèi)的多種劃線方式，解決了國(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品普遍存在的劃線方式單一的問(wèn)題。利用全封閉式的樣本杯采樣本與自動(dòng)化開(kāi)關(guān)蓋技術(shù)，全過(guò)程保證人員與樣本全隔離零接觸，最大程度地保證人員安全，解決了國(guó)內(nèi)產(chǎn)品存在的生物安全問(wèn)題。使用紅外滅菌器，全過(guò)程采用循環(huán)滅菌法，保證接種環(huán)每次操作前處于無(wú)菌狀態(tài)，克服了同類(lèi)產(chǎn)品每個(gè)樣本只能單次劃線的缺陷，保證接種可靠性和成功率。采用大容量存儲(chǔ)器存儲(chǔ)過(guò)程數(shù)據(jù)，將樣本所有劃線信息都加以記錄，便于用戶查詢。

由于機(jī)械加工精度造成的誤差，以及限位開(kāi)關(guān)安裝位置總有一定的偏差，導(dǎo)致產(chǎn)品調(diào)試維護(hù)不便，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員要求比較高。由于設(shè)備需要壓縮空氣作為動(dòng)力，空壓機(jī)的噪音比較大。針對(duì)上述問(wèn)題，后續(xù)準(zhǔn)備采用國(guó)際大公司的機(jī)械臂來(lái)代替一些關(guān)鍵部位的步進(jìn)電機(jī)，采用電動(dòng)缸來(lái)替代氣缸，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)用性。

[1]茆春春. 淺談PLC控制系統(tǒng)工程應(yīng)用的抗干擾設(shè)計(jì)[J]. 硅谷,2008(13):31.

[2]韓服善,王建勝. 食用菌液體菌種自動(dòng)接種機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 包裝與食品機(jī)械，2012 (1):37-40.

[3]盛彬. PLC步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)[J]. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2016(11):167.

[4]張永華. 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)[J]. 裝備制造技術(shù),2010(5):71-72．

[5]周立功. ARM微控制器基礎(chǔ)與實(shí)戰(zhàn)[M].北京：航空大學(xué)出版社，2011.

[6]廖義奎.Cortex-M3之STM32嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2012．

[7]姚文祥.ARM Cortex-M3權(quán)威指南[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009．