生物实验过程，尤其是在细胞和分子层面的实验，具有周期长、工作量大的特点[1]。如何把从事生物、化工科学研究的人员从繁重的重复性体力劳动中解放出来并提高过程控制的精度是一个重要的研究方向。生物培养过程是实验中极其重要的一步，在动辄数十天的细胞培养过程中，培养环境的稳定性非常重要，这就对生物过程控制提出了稳定性的高要求。另外，在一些不方便人工操作又极具实验价值的环境里，自动化、稳定性强的生物实验控制平台意义巨大，诸如在进行具有致病微生物实验、高危险环境下的生物实验以及航天生物学实验中，高稳定自动控制意义尤其重要。
1 生物实验平台简介
    基于细胞和分子生物学研究的自动化生物实验室平台框图如图1，该实验室为包含多个生物培养箱和检测分析单元为下位节点的主从式系统。作为基于CAN总线的自动控制节点，以培养箱为例：一个可以独立工作的培养箱需要包括氧气、二氧化碳、空气、消毒液、蒸馏水在内的资源的可控供给和废气废液的可控排出才能保持稳定。培养箱中的控制平台通过前端的传感器接口，采集培养环境中的参数进行监控，之后整合数据与主机进行通信，共同决策控制方案，经过对温度、压强和一些泵阀门的基本控制，调控生物培养环境。

2 控制平台硬件设计
2.1 设计指标
    控制平台通常包括电源、参数采集接口、数字量输入输出、可调模拟量输出、通信接口。本系统使用工业用直流电源，供电电压为24 V；温度、湿度、气体浓度等参数控制是培养箱基本功能；基于CAN总线的主从式生物实验室每个节点都需要CAN通信接口。另外考虑到系统某些特殊用途预留部分接口。得到设计指标为：24 V转换5 V电源，4路A/D，2路大功率模拟输出，2路继电器输出，8路数字输入输出，CAN通信接口，实时时钟。
2.2 电路设计
    为了满足生物控制平台的高效、实时、稳定的要求，结合现代电子通信技术设计了一套基于LPC2119的CAN总线生物实验控制平台。该方案使用CAN总线，具有稳定可靠、连线简单、速度快、能长距离传输等优点；采用全隔离设计，提高了数字核心控制系统的抗干扰性；系统自带驱动电路，简化使用过程中对被控制对象（泵、阀等）的要求。平台结构框图如图2所示。

    本生物实验控制平台采用双模块设计，即：输出板和主板分离，接口采用接插方式设计，这种设计方法可增强系统的易维护性和稳定性。
2.2.1 输出板电路
    图2中，输出板主要包含7个模块和所有的外部接口。每一个模块根据其需求及芯片接口类型采取了不同的隔离设计方案。
    (1)电源模块：LM2576开关电源芯片作为核心24 V->5 V的电源输入，之后采用IF0505S1的5 V->5 V隔离模块作为控制板内隔离电源。由于LPC2119核心和几个外围电路的芯片为低功耗芯片，故而采用直接的线性稳压模块LM1117-3.3和LM1117-1.8(用于核心LPC2119内部CPU供电)。为增强电源的安全可靠性，在电源部分设计中增加了限流保险和防止电源反接的二极管。
    (2)模拟输出模块：模拟输出采用I²C总线驱动的8 bit D/A，为了保证核心LPC2119工作的稳定性，其I²C总线的隔离采用ADI公司的专用隔离芯片ADUM1250，D/A输出和外部连接使用非隔离5 V电源。D/A芯片为AD5337，8 bit两通道，串行I²C总线接口，其地址为0x18。AD5337的电源电压为5 V，其参考电压同样为5 V，其输出动态范围只能在0~5 V。由于平台所要控制的气泵液泵驱动电压一般在5 V以上，为了不增加系统的复杂性，在AD输出之后接运放LM358将信号放大并通过功率MOS管IRF540进行电流放大（最大支持20 A），使之具备动态范围20 V以内的驱动能力。
    (3)模拟输入模块：生物实验所需要控制的培养环境是渐变的过程，所涉及的模拟信号量变化相对某些工业控制过程较缓慢，模拟信号采样的响应时间在毫秒量级可以满足要求。模拟信号采集中有A/D+数字隔离和模拟隔离+A/D两种隔离方案。数字隔离具有精度高的特点，但A/D芯片+双向数字隔离的成本相对较高。鉴于系统核心集成A/D、模拟隔离部分可以进行信号调理的特点，本平台综合考虑成本和适用性采用了如下方案：AD1~AD4为外部信号输入，由CD4051的AB地址线控制选通，信号经由R13进入放大器和线性光偶HCNR200组成的网络。由于光耦的感应电流比较小，所以电路中需要较大的R13电阻，C32和C33的作用是减小高频噪声，但会带来响应频率的降低。R12/R13为该线性隔离电路的增益，该增益主要为了满足输入模拟信号的动态范围支持到接近0~5 V。图3为CD4051+线性光耦模块电路图。

    该单元中CD4051地址线A、B信号经由光耦隔离输入，用于控制选通四通道之一。
    该电路经过实测得到的线性系数为：输入信号大于0.1 V后小于5%，大于0.4 V后优于1%，优于HCNR200标称的15%。该系统输出截止电压为3.277 V，在0.4 V～3.27 V内线性度良好。
    (4)开关量模块：经由光耦隔离的IO信号由PNP型晶体管S8550放大电流后驱动继电器。
    (5)数字输出模块：该模块的设计采用了光耦隔离和磁耦合隔离两种方案。对照表明：作为IO隔离磁耦ADUM1410比光耦使用方便，几乎不需要外接元件，还具有使能控制引脚；光耦隔离则需要外接电阻，但具有成本优势。后级驱动芯片ULN2803的输入电流最大可达500 mA，支持的最大电压可达30 V，即：COM端可以接5 V~24 V电源。经过驱动后输出端口主要用于驱动加热电机、泵、阀门之类的模块。
    (6)CAN接口：本接口采用周立功公司具有隔离（DC 2500）、ESD保护功能的CAN收发器CTM1050T。该收发器符合ISO11898标准，最高支持1 Mb/s的通信速率，电磁辐射低、抗干扰，使用简便，满足工业级要求[2]。
2.2.2 主板电路
    (1)最小系统：包括ARM芯片、时钟、复位电路、电源（3.3 V从输出板直接引入，1.8 V需要一个稳压芯片），标准JTAG接口。在一般嵌入式系统核心电路中，通常使用专用复位芯片设计复位电路。由于该系统使用隔离电源，并且使用线性稳压器件，3.3 V电源可靠稳定，故而使用简便的阻容开关式复位电路。该系统采用标准的20脚JTAG接口，并增加上拉电阻提高稳定性。
    (2)实时时钟模块：LPC2119虽然自带实时时钟，在低功耗模式下该模块可以工作，但在其用户手册上没有发现低功耗模式下的供电方式。为使该模块正常工作，使用基于I2C总线的PCF8563时钟芯片作为核心的实时时钟电路单元。
    (3)E2PROM单元：为了防止系统掉电后数据丢失，外加该单元用于重要数据的存放，提高系统可靠性。该单元采用基于I²C总线的24C256。
    (4)串口：备用，用于测试CAN数据。
2.3 电路特点
    该硬件方案基于CAN总线的控制节点，CAN总线通信具有稳定可靠、连线简单、速度快、能长距离传输等优点；系统采用输出板、主板分离模块化设计；全隔离设计，提高了核心数字控制系统的抗干扰性；系统自带驱动电路，简化使用过程中对被控制对象（泵、阀等）的要求。
3 控制平台程序设计
    程序开发编译环境使用ARM Developer Suite v1.2，使用周立功公司的EasyJTAG在线仿真调试运行程序。
3.1 系统主程序
    基于CAN总线的生物实验控制平台程序工作框图如图4所示。系统上电后首先进行初始化，包括各种硬件使能、寄存器设置、通过I²C设置或读取时钟值、CAN接口初始化、开中断等操作，使之可以响应上位机的CAN数据查询帧。参数采集单元主要完成各种模拟数字传感器数据采集和数字开关状态读取。在参数采集之后判断实验环境参数运行是否含有异常。无异常则将系统状态如：温度、湿度、压强等环境参数及开关、阀门状态等重要参数进行E2PROM备份。之后继续进行数据采集，在正常状态循环中可以响应上位机（工控PC）基于CAN总线的数据查询和控制。

    如果发生异常，包括参数变动超出正常范围时，需要系统进行调控，主动开启CAN发送程序向上位机报告，并请求处理指令。接收上位机指令，按指令进行响应的控制量实施（数字量输出，模拟量流速控制，继电器控制泵工作）。如果未能成功发送数据或者接收指令失败，则启动平台内部应急控制，根据计算出的控制参数进行控制量实施之后，返回程序开始处的数据采集步骤。
3.2 参数采集
    本文在测试过程中采用北京昆仑海岸传感器技术中心的JWSL-7VB型温湿度传感器。传感器供电电压24 V，输出模拟电压0～5 V，温度测试范围0~50 ℃，误差±0.5 ℃，相对湿度测试范围0~100%，误差±3%。该传感器需要2路A/D接口，测试过程读取4路模拟量输入和8路数字输入的逻辑，并进行调用写24C256保存。测试得到冬季室内温度16 ℃~20 ℃，相对湿度在20%~45%，与标准温湿度表对照，误差在允许范围内。微生物培养过程所需的湿热环境，温度范围在25 ℃~40 ℃内，传感器输出信号经过线性光耦后的电压超过1 V，线性光耦引入误差小于0.1%，相对传感器误差可以不予考虑。
3.3 CAN通信子程序
    CAN通信程序包括初始化、接收中断、发送程序。初始化主要完成对CAN控制器的硬件使能、管脚初始化、软件复位、设置波特率、配置CAN的工作模式、优先级模式、设置验收过滤器、设置中断使能寄存器。进入CAN中断后，首先判断中断类型：(1)如为接收中断，则进行CAN的帧接收，根据帧的内容判断执行的操作类型，需要立即执行的指令则直接执行，指令完成后返回；不需要立即执行的指令则将指令参数传递至内存。(2)如为其他中断类型，则调用相应响应函数进行处理，例如总线错误中断响应需要关闭该总线接口。
    文中基于CAN总线的发送程序较为简单，为了提高数据发送的效率，每个LPC2119集成的CAN控制器中设有3个发送缓冲区，发送数据时，需要将待发送的数据写入空闲缓冲区内，程序设计时采用第一个发送缓冲区为主发送缓冲，依次第二，第三。完成缓冲区数据填写后指定发送缓冲，发送命令字即发送数据[3]。
4 测试结果
    系统完成后连接部分传感器，对其他CAN节点和工控机进行测试，完成如图5中部分内容。测试参数设置和结果如表1，其中报警状态为主板自带IO驱动的LED指示灯和工控PC端界面相应模块响应。

    基于LPC2119设计的生物实验室控制平台综合考虑了隔离和低功耗技术，为生物实验室自动化提供了通用性的数字控制核心。
    全隔离设计极大地提高了数字核心的安全性和稳定性，基于CAN总线的节点设计，为模块与上位机系统间通信的可靠性和实时性提供了保障。与此同时，该系统为以后生物实验过程控制算法的研究提供了一个高性能的平台。
参考文献
[1] 马永娇，生物梅里埃.致力于食品微生物实验室的全面自动化[J].INSPECTION & DETECTION检验检测，2009(9)：44-45.
[2] 周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.
[3] Philips公司.LPC2119/2129/2194/2292/2294 USER MANUAL[M].2004，3.