引言

随着生物遗传工程对仪器设备的操控性日趋提高，监控系统变得越来越复杂。在以单片机为主控MCU的嵌入式方案中，面对各种传感器的信号前处理和末端控制设备，往往通过扩展大量外围器件来满足电路设计。在单片机软件方面，传统开发方式形成的前后台方式的软件，稳定性差和软件维护困难的缺点早已成为业内共识，尤其在实时性和可靠性要求较高的生物电子设备中，应用这类方法开发的软件常受到用户的质疑。

无菌均质器又称拍打式匀浆器，是通过拍击板反复拍打置于均质袋内的动植物组织等生物样品，使之达到样品的均质化处理，是遗传、医药和生物工程中的重要的样品前处理设备。无菌均质器运行中需要对拍击速率、持续时间以及样品室温度等多项参数进行实时监控。

本文涉及某生物仪器公司的无菌均质器升级换代的技术问题，企业希望从产品设计上解决旧款产品硬件庞杂、软件维护困难以及由软硬件综合因素引起的可靠性问题。如何选择高集成度的SoC替代原有的标准单片机、选择匹配良好的实时系统替代旧款的前后台方式的控制软件将成为本次技术升级的关键。

MXT•ROTS51多任务实时系统简介

MXT•RTOS51是为时代民芯MXT8051单片机量身定制的嵌入式多任务实时操作系统，充分发挥了MXT8051丰富的片上资源优势，具有面向目标板、提供主程序模板等特点。MXT•RTOS实时系统特有的板级支持包BSP，对MXT8051片上资源和目标板上资源的支持，使用户任务的开发实现了与硬件的无关性，为嵌入式产品日后的升级、软件维护带来了极大的便捷。在基于MXT•RTOS51平台上进行无菌均质器监控软件的开发，成为了本次技术升级的首选方案。

无菌均质器的监控任务

无菌均质器工作机理

无菌均质器通过作往复运动的拍击板，以一定的速率持续拍击装在样品袋中的生物试样，最终达到样品与溶剂均质的目的。拍击板由直流电机、减速机构和双曲柄滑杆机构带动，拍击速率由电机转速决定。

无菌均质器监控系统要求

为达到最佳的均质要求，要求监控系统具备以下功能：

a)电机速度能分级可调;

b)配置样品室的温度采集、显示(或监控)功能;

c)有选择速率、时间以及显示运行状态的人机交互功能;

d)设置安全保护机制(如拍打室门未紧闭、样品袋破裂等异常急停)。

e)基本参数：

时间：30、180、600秒或∞(按四档分设)

拍击速度：3.6-12.0次/秒(高、中、低三档分设)

工作室温度显示：0.0～99.9℃

监控系统的硬件框架

由均质器的工作机理可知：首先，为满足拍击速率可调，控制系统必须对直流电机实施调速，时下脉宽调速技术已经很成熟，现有的电机功率模块只要输入一定频率、脉宽可调的信号，就可以平滑地对直流电机进行大调速比的转速调整;第二是对样品室的温度监控要求，需要一个模拟量处理模块，由温度传感器输出的模拟量送AD转换后实施;第三是定时器，要求有倒计时和累计计时两种工作模式;第四是必要的安全机制，需要通过I/O的逻辑控制来实现;最后，作为监控器必须有键盘和显示器组成人机交互界面。

据此，硬件设计采用MXT8051单片机为主控芯片。片上PWM模块为电机调速电路提供脉宽调制信号;片上PGA与外接晶体管PN结一起构成测温电桥，给PN结提供恒流源的也是片上运放OP和参考电压基准;专用LCD屏和8个键构成人机对话界面，片上LCD driver完成对液晶屏的驱动。全部器件布局在一块9.5㎝×12.8㎝的双面板上(见图1)。由于MXT8051片上资源的保障，尽管本监控器对模拟和数字方面控制功能繁复，但外围电路设计仍十分简洁。