摘 要： 分析了生物安全柜" title="生物安全柜">生物安全柜系統的功能和原理，提出了一種基于ARM" title="ARM">ARM的生物安全柜控制器的軟硬件設計方案，在控制器中使用了性能優良的壓差傳感器和信號調理電路。實踐證明，該系統接收各種輸入信號，經過ARM嵌入式內核處理后，控制器具有良好的控制性能，達到預期的效果。
關鍵詞： 生物安全柜 ARM 控制器 傳感器
生物安全柜是采用隔離技術防止危險性微生物向外界擴散的一種設備。隨著生物技術的不斷發展，生物學的研究對象不斷增加，危險性隨之增加。有關實驗室感染加深了人們對生物學危險的認識，空氣潔凈技術的發展與應用使人們認識到隔離技術可以防止危險性微生物向外界擴散。目前的生物安全柜控制器通常采用8位單片機，帶有A/D、D/A或PWM，主要以增量式數字PID控制器作為控制策略。隨著自適應控制和智能識別等控制策略的深入研究，傳統的單片機已不能滿足運算的速度要求。而32位的RISC架構，基于ARM核的微控制器芯片具有低功耗、高性價比的特點，并且可以發揮其高速度與高精度的優勢。
基于此，本文搭建了以Samsung公司生產的32位芯片S3C44B0X" title="S3C44B0X">S3C44B0X(ARM7TDMI核心)作為處理器的控制系統，采用μClinux作為嵌入式操作系統，設計了一種經濟、高效、實用、升級方便的生物安全柜控制系統。
1 控制器設計要求
病原微生物對人的感染一般可有呼吸道吸入、口腔進入、通過破損皮膚以及粘膜侵入等途徑[4]。在感染事故中，則有30%是由氣溶膠引起的。
根據生物安全柜的基本原理提出的設計要求有以下幾點：
(1)空氣循環
作為保證安全的主要工作器件，本生物安全柜的風機和過濾器采用了進口產品，并且采用微壓傳感器作為監控設備。采用垂直流工作方式，伴隨著風幕的形成和排氣空氣過濾器的使用，使其可以在對環境要求相當高的情況下使用，可以使試驗物質不會逸出而污染環境。
(2)報警處理
本安全柜設計了監控系統，當前窗上升到超過安全的開窗高度(玻璃門未停留在安全位置)將會報警。基于S3C44B0X的控制系統通過壓差傳感器實時檢測工作區內壓力的各級參數，確保生物安全柜的性能滿足要求，一旦過濾膜失效，系統將自動報警，提醒用戶及時更換過濾膜。
(3)控制功能
用戶界面為LCD顯示，對安全柜內主要電氣設備(照明燈、紫外線滅菌燈、風機等)采用按鍵控制；監控系統的信號為控制系統所接收，并且在處理后執行相應的控制程序；在程序設計中采用容錯、避錯技術，當操作人員誤操作時，系統仍能正常工作；檢測到危險情況時，立即報警并驅動設備到指定狀態。
2 控制器硬件設計
2.1 系統硬件結構
系統硬件結構如圖1所示。
2.2 系統硬件構成
(1)CPU的選擇
這里CPU選用的是Samsung公司的S3C44B0X，這是一款ARM7系列的處理器，工作頻率為66MHz，片上集成8KB cache、存儲控制器、LCD控制器、4通道DMA、2通道UART、1通道I2C、1通道I2S、5通道PWM定時器、1通道內部定時器、看門狗、8通道10位ADC、71個通用IO口(復用)、8通道外中斷源、RTC和片上時鐘產生器。含有非常豐富的片上資源，幾乎所有常用的芯片級總線結構都有對應的硬件控制器，在做外圍擴展時非常方便。片上ICE中斷調試支持JTAG調試方式，使系統調試很方便。同時，采購比較方便，成本較低。
(2)壓差傳感器
在選擇傳感器時需要確保壓差傳感器和它實際應用中的相容性。本控制器選用的是HONEYWELL公司生產的量程為1Psi的26PC 系列壓差傳感器，其特點如下：專利的導電密封彈性連接系統消除了傳統的導線粘結和帶狀連接，增加了介質的測量兼容性； 專利的Snap-together結構導致了多樣化的測量孔形式；最低價格的帶溫度補償和校整的小型封裝壓力傳感器；可以測量負壓和正壓；激光刻蝕電阻保證極好的器件一致性。在本系統中壓差傳感器測量箱體內部各點的壓差。
(3)信號調理電路
MAX1452是一種高集成、精密的、16位智能型信號調理器，能夠在寬溫度范圍內數字化校正傳感器輸出，適用于阻性傳感器，提供放大、校正和溫度補償。MAX1452可以提供一個基本的線性輸出。圖2所示是一個線性輸出的信號調理電路，這個典型電路提供了與供電電源成正比的輸出，再通過A/D轉換器，得到線性的數字輸出。MAX1452僅需最少量的外部元件輔助，就能提供高性能線性輸出。這些外部元件包括一個供電旁路電容，抗電磁干擾的濾波電容，兩個可選電阻：RISRC 和RSTC。本系統中信號調理電路作用是將壓差傳感器的輸出信號進行放大。
(4)固態繼電器
驅動器件由光電隔離器件和固態繼電器SSR組成。固態繼電器是一種電子型無觸點開關，具有開關速度快、壽命長、向外部傳輸干擾小等優點。S3C44B0X輸出的三個驅動信號(風機、滅菌、照明)經光耦器件TLP521-4完成+5V～+12V的電壓轉換，由12V電壓驅動固態繼電器工作。選用較高輸入電壓的固態繼電器可降低周圍噪聲對固態繼電器的影響，有利于系統可靠工作。
3 控制器軟件設計
3.1 程序運行環境
雖然應用程序完全可以在裸板上運行，但為了更有效地利用系統資源，使之具有任務管理、定時器管理、存儲器管理和中斷處理等能力，這里引入了嵌入式操作系統。基于成熟、高效、健壯、可靠、模塊化、易于配置的操作系統來開發自己的應用程序，無疑能進一步提高效率，并具有很好的可移植性。通過與其他的嵌入式系統比較，μClinux具有優異的性能、免費開放的代碼等優點，所以將在處理器S3C44B0X上運行嵌入式操作系統μClinux。軟件運行平臺結構如圖3所示。
μClinux是從Linux2.0/2.4內核派生而來，沿襲了主流Linux的絕大部分特性。它是專門針對沒有MMU的CPU，并且為了適合嵌入式系統而做了許多小型化的工作，為硬件平臺更好地運行各種程序提供了保證。運行μClinux系統的用戶幾乎可以使用所有的LinuxAPI函數，不會因為沒有MMU而受到影響。
3.2 軟件系統結構
本安全柜的軟件系統分為3個層次：①引導加載程序bootloader。②嵌入式操作系統μClinux內核，即特定于嵌入式板子的定制內核以及內核的啟動參數。③用戶應用程序，用戶應用程序和內核之間還包括一個圖形用戶界面（GUI）。
從生物安全柜功能分析可以看出，系統功能的重點就是檢測安全柜內各點的壓強和控制風機的轉速，其次為人機界面的設計。
根據生物安全柜所要實現的功能及其硬件電路的需要，在μClinux運行環境下所編制的生物安全柜的軟件可以分為下面幾個子程序模塊：指示燈顯示子程序LampShow.c，LCD顯示子程序LCDShow.c，按鈕采集及其處理子程序Button.c，A/D轉換子程序A/D.c，壓差報警子程序Press.c，以及主程序main.c。
整個程序的執行過程為：bootloader分配各個模塊相應的地址空間，μClinux系統底層的初始化，主程序系統輸出控制信號，控制風機運行，然后控制器在定時器中斷程序里采集外部中斷口的中斷信號，和鍵盤輸入的信號相耦合后，進行窗高的調節，同時將安全柜內的壓差信號通過中斷口檢測回控制器。經過處理后與風機轉速作比較，通過兩者偏差來調節風機的速度，使壓強趨于穩定。
3.3 程序功能及流程
本控制系統的程序編制采用C語言。程序主要有如下功能：
(1)系統初始化時自檢，保證處于安全狀態。
(2)采用大小合適的數據采集間隔時間，提高控制精度。
(3)數據采集程序從A/D口讀入壓差數據，并進行軟件濾波處理。
(4)報警子程序根據檢測到的報警信息驅動相應的端口進行聲音報警和顯示報警。
(5)顯示和驅動子程序把待顯示的數據驅動相應的端口進行顯示和驅動。
(6)按鍵處理子程序的操作者按下的面板按鈕信息進行紀錄，并進行相應的處理。
應用程序主程序部分流程圖如圖4所示。
本文設計了一種新型的基于ARM的生物安全柜的控制器。隨著電子信息技術的發展，性能、價格和上市時間將是電子產品能否被應用推廣的決定性因素。以ARM為代表的32位嵌入式處理器，在性能、價格和上市時間方面的優勢將越來越明顯。采用ARM芯片進行控制后，控制精度有了進一步提高，也為下一步設計功能更強、控制效果更好的安全柜奠定了基礎。
參考文獻
1 杜春雷.ARM體系結構與編程.北京：清華大學出版社，2003
2 S3C44B0X-RISC-MICROPROCESSOR.-SamsungElectronics用戶手冊[S].2002
3 李 巖，榮盤祥.基于S3C44B0X嵌入式μCLinux系統原理及應用[M].北京：清華大學出版社，2005
4 梁靜頻.生物安全柜與超凈工作臺的設計要求驗證及應用[J].中國生態學雜志，2001；13(3)：155～156