陳桂蘭

（金華職業(yè)技術(shù)學院，浙江金華，321017）

智能生物組織冷凍包埋機的設(shè)計與研究

陳桂蘭

（金華職業(yè)技術(shù)學院，浙江金華，321017）

生物組織冷凍包埋機石蠟的溫度控制和石蠟的流量控制等很大程度上需依賴工作人員經(jīng)驗，為有效解決該問題，設(shè)計一種智能包埋機，將采用國際柔性的加溫理念，智能PID溫度控制，以提高溫度控制的快速性和高精度。

石蠟包埋；溫度控制；ARM；PID控制

0 引言

生物組織冷凍包埋機是對生物組織進行石蠟包埋然后快速冷卻的專用醫(yī)療設(shè)備。包埋機目前已經(jīng)成為各級醫(yī)院、公安法醫(yī)、科研機構(gòu)等單位作病理及生物組織切片的必備設(shè)備。由于技術(shù)限制，包埋機的石蠟溫度控制，包埋時的石蠟流量，包埋組織冷卻等一直不夠理想，很大程度上依賴工作人員經(jīng)驗。為提高溫度控制的快速性和高精度，設(shè)計和研究一款智能包埋機。

1 生物組織冷凍包埋機的結(jié)構(gòu)

生物組織冷凍包埋機分蠟缸、左/右保存盒、工作臺，儲鑷臺、蠟嘴、小冰臺和冷凍臺7個工作區(qū),可分別獨立控制溫度，互不影響。采用五路加溫控制多重過熱保護裝置，柔性加熱器使加溫快、受熱均勻，且節(jié)能可靠。流蠟嘴設(shè)計可調(diào)節(jié)出蠟流量。采用可單體組合的冷凍臺和包埋機，冷凍臺則可根據(jù)用戶操作習慣隨意組合在左邊或右邊。設(shè)有小冷臺，可隨時冷凍包埋好的組織。工作臺面上設(shè)有蠟塊修復裝置，可將完成包埋的蠟塊周邊修復平整。帶廢蠟盒抽屜系統(tǒng)，可輕易將費蠟處理干凈。

2 智能包埋機控制系統(tǒng)的設(shè)計

智能包埋機控制器的設(shè)計采用ARM+FreeRTOS的核心架構(gòu)。

2.1 包埋機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

大冷凍臺采用無傳感器變頻無刷直流壓縮機來作為制冷設(shè)備，壓縮機自帶控制器，溫度設(shè)定采用一可調(diào)電位器就可以。但由于本項目的總控制器采用ARM微處理器，為便于控制壓縮機，項目將設(shè)計采用一數(shù)字電位器，由ARM微處理器用數(shù)字接口來設(shè)定電位器的阻值，然后再由數(shù)字電位器來控制壓縮機的轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)溫度。人機控制界面采用OLED模塊作顯示屏，省電、無需提供背光、任意角度都能清晰觀察顯示屏數(shù)據(jù)。

包埋機處于工作運行狀態(tài)時，通過傳感器定時采集設(shè)備中的必需物理參數(shù)，由此判斷設(shè)備的工作狀態(tài)，并通過算法得出控制策略，最后輸出控制加熱主回路和制冷主回路；此外，系統(tǒng)也接受鍵盤輸入，根據(jù)用戶的需求改變系統(tǒng)設(shè)置，并實時顯示各點溫度、故障等信息。

包埋機總控制系統(tǒng)硬件設(shè)計如圖1所示。

圖1 包埋機總控制系統(tǒng)硬件設(shè)計方案

2.2 包埋機控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要包括嵌入式實時操作系統(tǒng)內(nèi)核、鍵盤處理及參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、包埋機過程控制模塊、壓縮機控制處理模塊、故障檢測與處理模塊、溫度控制算法處理模塊等。實時嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核將以子任務的形式調(diào)用各功能模塊，各功能模塊的優(yōu)先級大小的確定，模塊之間用信號量、消息隊列等手段進行數(shù)據(jù)傳遞和協(xié)調(diào)等，是軟件設(shè)計時首先要考慮的問題。

由于溫度控制系統(tǒng)是一個大慣量的時延系統(tǒng)，常規(guī)的PID控制超調(diào)量大，精度低，本項目將采用常規(guī)PID控制+機器學習前饋智能控制的復合控制方法，由機器學習算法在線學習被控對象的非線性特性，并作為前饋學習控制，與PID控制共同作用自動調(diào)整各通道的溫度，以提高溫度控制的快速性和高精度。

3 生物組織包埋機的性能

根據(jù)以上設(shè)計，智能生物組織冷凍包埋機的智能化程度極高，設(shè)備具有時間預置功能，大冷卻臺制冷溫度自動調(diào)節(jié)，自動恒溫，并可根據(jù)組織所需調(diào)節(jié)適當?shù)臏囟纫员苊饨M織蠟塊不夠冷或凍裂等。包埋機技術(shù)性將達到國外同類產(chǎn)品的先進水平，產(chǎn)品價格卻可以遠低于國外產(chǎn)品，具備很強的競爭優(yōu)勢。

[1] 李淵.智能PID控制器優(yōu)化仿真研究[J].計算機仿真.2012；29（12）:180-183.

[2] 張彤.基于PID的溫度控制器研究[J].通信電源技術(shù).2012；29（4）:42-43.

[3] 莊志紅.石蠟包埋機系統(tǒng)[J].中國醫(yī)療設(shè)備.2008；23（2）:20-22.

陳桂蘭，女（1977-），浙江東陽人，現(xiàn)供職于金華職業(yè)技術(shù)學院，講師，碩士學位，研究方向：電子產(chǎn)品開發(fā)與研究。

從上式可以看出，隨著CPU頻率的降低，電流稱比例下降。

在STM8L15X系列芯片中，時鐘管理單元可以通過CLK_ PCKENRx(x為1、2)寄存器禁止外設(shè)時鐘，停止向內(nèi)核、單個外設(shè)或存儲器提供時鐘，達到降低芯片功耗的目的。同時集成時鐘安全系統(tǒng)（CSS），在外部時鐘（HSE）故障時，系統(tǒng)時鐘可自動切換到HSI。

2.3 芯片的低功耗模式

在許多應用場合，依靠降低時鐘頻率降低功耗并不是一個好主意，因為降低時鐘頻率就降低了微處理器性能，微處理器運行時間更長。如果考慮平均功耗，最好盡可能用高的時鐘頻率執(zhí)行程序，然后在剩下的很長時間進入休眠或低功耗模式。

STM8L15X系列微處理器共支持4種低功耗模式：

（1）低功耗運行模式：CPU和選擇的外設(shè)運行。程序以低時鐘頻率（LSI或LSE）從RAM中執(zhí)行，F(xiàn)LASH和數(shù)據(jù)EEPROM停止，電壓調(diào)節(jié)器配置為超低功耗模式，功耗典型值小于6uA。

（2）低功耗等待模式：當在低功耗模式中等待一個事件時進入該模式，功耗典型值小于3uA。該模式在低功耗運行模式基礎(chǔ)上，停止CPU的時鐘。

（3）活躍停機模式：除了RTC外，CPU和外設(shè)時鐘都停止，功耗典型值小于1.2uA。

（4）停機模式：CPU和外設(shè)時鐘都停止，芯片保持上電狀態(tài)，功耗典型值小于0.5uA。

3 結(jié)語

本文主要研究了STM8L15X系列微處理器的動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)、高級靈活的時鐘系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)、多種低功耗模式等超低功耗設(shè)計技術(shù)，通過靈活應用這些技術(shù)可有效降低了微處理器的動態(tài)和靜態(tài)功耗。再加上該系列豐富的片內(nèi)資源、完整的復位電路和供電監(jiān)測電路、極低的工作電壓等特點，使得其產(chǎn)品非常適合用于汽車電子、穿戴式電子產(chǎn)品、無線傳感器網(wǎng)絡結(jié)點、無線報警系統(tǒng)、觸感模塊和便攜設(shè)備、低壓產(chǎn)品和電池供電應用等諸多領(lǐng)域。

參考文獻

[1] STM8L15x microcontroller family. Reference manual,2012.

[2] 井剛.數(shù)字集成電路RTL級低功耗設(shè)計技術(shù).中國集成電路,2003,(54):33-36.

[3] 田素雷,張勇,張磊等.基于門控時鐘技術(shù)的IC低功耗設(shè)計.無線電工程, 2010,40(5):57-59.

作者簡介

譚靖，男，（1975.01-），高級工程師，主要從事傳感器技術(shù)、信號處理、嵌入式系統(tǒng)研究。

Design and Study on Biological Tissue Embedding Freezer

Chen Guilan
（Jinhua Polytechnic，Zhejiang Jinhua，321017）

It is heavily relied on staff work experience that the temperature and flow of paraffin used in biological tissue frozen machine.International flexible heating concept is used to effectively solve this problem. Using intelligent PID temperature control can raise the temperature control speed and accuracy.

Paraffin-embedded;temperature control;ARM; PID-control

浙江省教育廳科研項目。課題名稱：生物組織冷凍包埋機智能控制系統(tǒng)研究。編號：Y201327935