2.分子诊断分析仪下位机控制软件设计文档PID控制.docx

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1、分子诊断分析仪MD_2000下位机控制软件设计文档V1.0目录分子诊断分析仪MD_2000下位机控制软件1目录1第一章背景介绍3第二章软件启动42.1 软件初始化内容错误!未定义书签。2.1.1 主控芯片内部外设初始化错误!未定义书签。2.1.2 控制板卡功能单元初始化错误!未定义书签。第三章板卡自检错误!未定义书签。3.1 板卡自检内容错误!未定义书签。3.2 自检结果存储于上报错误!未定义书签。第四章协议处理错误!未定义书签。4.1 自定义协议处理内容错误!未定义书签。4.2 配置信息读写操作错误!未定义书签。4.3 事件设置与上报操作错误!未定义书签。4.4 功能执行操作错误!未定义书签

2、。第五章数据采集错误!未定义书签。5.1数据采集方式错误!未定义书签。试剂碟片各个反应孔的光值信息以事件方式上报给上位机处理。第六章恒温PID控制6.1 恒温PID控制原理位置式PID控制公式原型： u(t) = kp * e(t) + ki * e(l) + e(2) +e(t) + kd * e(t) - e(t-l)1. 控制对象：加热/制冷器(在2分钟内不能再加热至冷之间切换)控制密封的腔体(空间体积大小 15cm*20cm*65cm )温度。2. 控制原理：利用MCU的输出比较模块(OCM )产生PWM波驱动H桥电路(通过目标温度和环境温度对比决定加热或者制冷)。3. PID参数整定

3、因温度控制属于滞后控制系统，可采用工业控制中常用的滞后控制参数整定模型 (Ziegler-Nichols参数整定方法)控制器TiTdKpKiKdPXX0.5KcXXPDX0.15Pc0.65KcXKp*Td/TPI0.85PCX0.45 KcKp*T/TiXPID0.5Pc0.15Pc0.65KcKp*T/TiKp*Td/T参数说明：Kc :只采用比例环节控制条件下，控制系统的稳态误差尽量达到最小时的Kp值。Pc :只采用比例环节控制条件下，控制系统的震荡周期。Ti :控制系统的积分时间。Td :控制系统的微分时间。T:PID控制采样计算周期。Kp、Ki、Kd :被整定的参数。6.2 恒温PI

4、D控制参数的配置与设置PID就是通过系统误差利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。基本上都离不开三个参数: 比例、积分时间、微分时间。P Kpe(t)采样周期在进行PID调节之前要先设定好PID的采样周期，采样周期设定主要根据被控对象的特性决定。被控 对象变化快的（如：流量），可将采样周期设定在100ms左右，采样周期变化慢的（如：液位）可 将采样周期设定在1000ms ,对于特别缓慢的（如：温度）可设置成5-10So简单的理解是多长时间 比较一次采样值与设定值。比例比例作用是依据偏差的大小来动作.比例有时又被称为增益用Gain表示，当控制量与被控量成正比例 关系时（例如：阀位与流量”曾

5、益为正数；当控制量与被控量成反比例关系时（例如：液位与频率） 增益为负数。比较简单的理解是如果设定值与反馈值有偏差时一次调整多少。当然比例参数设定是还要考虑被控值的性质，对于变频器来说，单次变化可以为0.01但是对于阀门来 说最小变化为0.2比较好。因为阀门的精度较低。积分积分作用是依据偏差是否存在来动作的，在系统中起着消除余差的作用。在调节时可以先设定一个较 大的积分时间常数Ti的初值，然后逐渐减小Ti,直至系统出现振荡之后在反过来，逐渐加大Ti ,直至 系统振荡消失。记录此时的Ti ,设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150%180%。积分时间可以简单的理解成调整的频率（只是为了方便理

6、解）。微分微分的作用是依据偏差变化速度来动作的，在系统中起着超前调节的作用。很多情况下微分是不需要 调节的。若要设定，与确定P和Ti的方法相同，取不振荡时的30%o微分可以简单理解为超前控制。5.2 数据提取错误!未定义书签。5.3 数据上报错误!未定义书签。第六章恒温PID控制错误!未定义书签。6.1 恒温PID控制原理错误!未定义书签o6.2 恒温PID控制参数的配置与设置错误!未定义书签o第一章背景介绍由于分子诊断技术可针对产生疾病的相关基因进行准确诊断，又可以在 发病前对疾病易感性做出预估，相较于其他体外诊断技术具有速度更快、灵 敏度更高、特异性更强等优势，因此分子诊断不但可以广泛应用

7、于传染性疾 病、血液筛查、遗传性疾病、肿瘤分子诊断等领域，还能在部分应用领域替 代其他体外诊断技术，成为体外诊断技术中重要的发展和研究方向。中国市场调研在线发布的2017年全球及中国分子诊断行业现状研究分析与 发展趋势预测报告认为，广泛的应用领域促进了分子诊断行业的快速发展， 目前全球分子诊断市场规模不断增大，增速高于同期体外诊断其他项目市场。 2012至2015年，全球体外诊断市场的年复合增长率将达6. 58%； 2015年全 球体外诊断市场规模增至503. 00亿美元。在体外诊断行业众多细分市场中, 分子诊断的表现最为突出，2012至2015年分子诊断市场的复合增长率将达 11.00%,占

8、体外诊断行业各类细分市场之首。随着分子诊断行业的快速发展, 分子诊断在全球体外诊断市场的占比亦将随之增长。分子诊断分析仪MD_2000下位机控制程序，用于仪器的底层功能实现。 主要功能有：步进电机运动控制，BLDC电机高低速控制，光电信号转换，数 据采集，温控PID。第二章软件启动2.1 软件初始化内容主控芯片内部外设初始化主控板核心控制芯片采用ST公司的STM32F407RGT6处理器, 其内部结构如下图：hUTOST. JTD( JTCk/SWCLa JTOQBMX JTDO tracecmTTRACEDpjO|_JTAGASWETMMPUNVIC、IExternal memoryI,|c

9、ontrcftef d 内A), HAND FlashARM CajS168 MHzFPU er RMI ”闲 IOOmAFDP OM ULRiCK. DfTQl, DiR. STE k(T 9CU8DA. MTN. O, VBU91 SOFEthernet MAC1(V100USBOTQ HSDMA2PN8pg F8 间处 E8 pg PMMP1I” “：DMA1PLL1ULJNFPrMBYNC.VSVNC PDOCUC, 0(114|悒scu SDA. MTN. D, eus, 90FiOGJXH4i5uz140 AF呼珂I / CMCiCKmAFJ 4L Em iefwmlbMAF1 c

10、twiraiM AFRX.TX.CK, CTS, RTS AFRX.TX.CK, CTS, RTBmAFMO6KMI9O 9txMSS0AFWWDGEXT IT. WKUPUSART611mUSAAT 1| SDO/MMCTIM1/PWMTIMB/PWMTIM9TIM10TIM11SRI Va.OSCM-OUT4 ehAHMtiL ETR a* AFTIM3TIM4TIM5TIM12USART2USART3UAAT4RX.TXM AFUAAT5UTXAFSPI2H2S2MO61/SD. MtSCWSD_工 SSfMS, MCK M AFsman2s3K2CVSMBUSI2C2/SMBUS9CU

11、SDA.SMBAMAF9CU 9DA. 3MBA m AFTX.RXTX.RXyoa/saSCMXXMSSTWS, MCK M AFMTXCK CTBRTSa*AFRX.TX.CX CTB.RTSMAFRTCKncCANIrtc_afiRTOF1TIM2TIM13 4TIM14 向sc3sMeUSSCKXXMS1920V1主控芯片外设初始化函数包括：BSPJnit_SysTick();BSP_RCC_Configuration();BSP_DMA_Configuration();BSP_GPIO_Configuration();BSP_NVIC_Configuration();BSP_EXTI

12、_Configuration();BSP_ADC_Configuration();BSP_Timerl_Configuration();BSP_Timer2_Configuration();BSP_Timer3_Configuration();BSP_Tifrier4_Configuration();BSP_Timer5_Configuration();BSP_Timer6_Configuration();BSP_Timer7_Configuration();BSP_Timer8_Configuration();BSP_Timer9_Configuration();BSP_TimerlO_Co

13、nfiguration();BSPJWDG_Configuration();BSP_WWDG_Configuration();BSP_USARTl_Configuration();BSP_USART3_Configuration();BSP_USART6_Configuration();BSP_RTC_Configuration();BSPJ2C_EE_Init();BSP_SPIl_Configuration();BSP_USARTl_Configuration();BSP_USART3_Configuration();BSP_USART4_Configuration();本仪器用到的芯片内

14、部硬件在上电阶段必须先配置好后才能提供给应用层调用。以实 现软件相关功能。2.1.1 控制板卡功能单元初始化主控板各个功能单元初始化函数包括：bsp_InitAD7606()bspJnitEEPROMO bsp_InitBLDC_Motor() bsp_InitSTEP_Motor() bsp_InitPID_Control()AD7606外挂在CPU的FSMC总线上，配置好相关寄存器后便可对其读操作，AD7606用 于采集光值信号的ADC值。EEPROM外挂在CPU的12c总线上，配置好相关寄存器后便可对其读写操作，EEPROM用 于保存系统配置信息，通过自定义协议可以编辑配置信息，系统上电

15、检查EEPROM是否第一次 使用，如果是则存入默认配置信息。BLDC电机通过PWM输出信号控制转速，STM32通过定时器4调节占空比实现。步进电机也是通过PWM输出信号控制速度和定位。STM32通过定时器1调节输出频率实 现。温控PID系统上电从EEPROM中获取到配置信息，初始化后才能正常运行。2.2 软件流程图：第三章板卡自检3.1 板卡自检内容板卡自检函数：Judge_Board_Run_State()上电后执行；主要检查 EEPROM读写是否正常，BLDC电机是否正常， STEP电机是否正常， 温度传感器是否正常, 采集光路是否正常，自检结果存储于上报主控板自检后设置相应的标志位，保存

16、在EEPROM中，上位机通过协议招测主控板状态便可以在维护界面显示出来。第四章协议处理4.1 配置信息读写操作只读配 置0x01软件版本号+硬件版本号下位机控制板各执行单元运行状态下位机控制板故障提示字电池剩余电能读配置0x02测试的试剂盘类型打印日志级别电池电压监控阀值设备运行模式0x03离心功能过程参数0x04混匀功能过程参数0x05光谱仪波长取值点写配置0x02测试的试剂盘类型打印日志级别电池电压监控阀值设备运行模式0x03离心功能过程参数0x04混匀功能过程参数0x05光谱仪波长取值点事件设置与上报操作事件设 置0x01弹出试剂盘托件0x02试剂盘进仓0x03试剂盘转动到摄像头下方执行

17、完成上报事件0x04试剂盘离心功能执行完成上报事件0x05试剂盘光值采集功能执行完成上报事件0x06试剂盘采光曲线功能执行完成上报事件0x07试剂盘采光曲线功能2执行完成上报事件0x08混匀功能执行完成上报事件事件上 报0x01弹出试剂盘托件执行完成上报事件0x02试剂盘进仓执行完成上报事件0x03试剂盘转动到摄像头下方执行完成上报事件0x04试剂盘离心功能执行完成上报事件0x05试剂盘光值采集功能执行完成上报事件0x06试剂盘采光曲线功能执行完成上报事件0x07试剂盘采光曲线功能2执行完成上报事件0x08混匀功能执行完成上报事件功能执行操作执行方 法0x01弹出试剂盘托件0x02试剂盘进仓0x03启动下位机将试剂盘二维码定位到摄像头下方0x04启动下位机试剂盘离心程序0x05启动试剂盘光值采集功能（30试剂孔的光值）0x06启动试剂盘采光曲线功能（采集一圈10个通道的光值）0x07启动试剂盘采光曲线功能2（采集一圈10个通道的光值）0x08启动混匀功能通信协议处理流程发送流程图7图第五章数据采集5.1 数据采集方式主控板控制BLDC电机低速运行，然后启动高速ADC并行执行数据采 集，将采集到是数据保存到内部SRAM中，形成不同光路的曲线。5.2 数据提取CPU根据不同光路的曲线特征，获取到试剂碟片各个反应孔的光值信 息。5.3 数据上报