血液分析仪的微处理器/现场可编程门阵列两级控制系统

摘要

一种血液分析仪的微处理器/现场可编程门阵列两级控制系统，主要由ARM微处理器+现场可编程门阵列FPGA组成。系统充分利用ARM与FPGA各自的优势，实现了仪器的管控分离，即第一级控制系统以ARM为核心，对整个仪器进行统筹管理，完成人机交互、分析结果显示、图像处理、报告打印、数据存储等管理工作；第二级控制系统以FPGA为核心，充分发挥FPGA实时性好、资源丰富、处理速度快、可并行工作以及可编程的优点，完成分析动作和数据采集、处理、存储、故障监测等控制功能，并实现了电子系统的柔性设计；两级控制系统之间通过SPI通讯模块连接。两级系统各司其职、协同工作，提高了系统的实时性、灵活性与可靠性。

说明书

技术领域

本发明属于临床检验设备制造领域，涉及到血液分析仪。

背景技术

目前，国内主流全自动血液分析仪的控制系统，大都采样采用ARM主板+驱动板的系统结构。这种系统结构，ARM微处理器既要通过驱动板完成电机驱动、电磁阀开/关等分析动作以及故障监测等控制功能，又要完成数据采集、处理、显示、存储以及人机交互等管理工作。由于嵌入式操作系统在运行过程中易出现死机、线程死锁等现象，不但影响到图像处理、数据显示、人机交互等管理工作，严重的出现电机失步、电磁阀开关延时等故障，直接影响到信号的采集与仪器分析动作的完成。另外，ARM主板通过数据线、地址线和控制线与驱动板联接，由于联线较多，因此联线可靠性差，易受外界干扰，直接影响到系统的可靠性。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，设计了由ARM微处理器（管理级）+现场可编程门阵列FPGA（基础自动化级）组成的两级控制系统。系统充分利用ARM与FPGA各自的优势，实现了仪器的管控分离，即第一级控制系统以ARM为核心，完成分析结果显示、图像处理、报告打印、数据存储等管理工作；第二级控制系统以FPGA为核心，完成分析动作和数据采集、处理、存储、故障监测等控制功能；两级控制系统之间的信息交换通过SPI通讯接口实现。两级控制系统由于联线少，仪器的分析动作等控制功能由FPGA独立完成，因此提高了系统的可靠性和实时性。

本发明所述的技术方案为：设计了由ARM+FPGA组成的两级控制系统来实现对血液分析仪的分级管理与控制。两级系统之间通过SPI通讯接口进行连接。

第一级以ARM为硬件平台，建立以嵌入式Windows CE 5.0为操作系统的管理环境，完成对整个仪器的统筹管理，实现了可视化人机交换功能以及对血液分析仪各项功能与数据报表的管理；在管控分离的方式下， ARM主处理器不再进行繁杂的分析动作控制、数据采集、数据处理等工作，专注于对整个系统的统筹管理，完成人机交互、分析结果显示、图像处理、报告打印、数据存储、外部通讯等功能，使系统运行更加稳定、可靠。

第二级以FPGA为核心，充分发挥FPGA实时性好、资源丰富、处理速度快、可并行工作以及可编程的优点，实现了多路电机的并行驱动、多路电磁阀的同时开/关以及多路数据并行高速实时采集、处理与存储，同时完成了对系统硬件状态的监测，提高了系统的实时性；利用FPGA可编程的特点，可实现电子系统的柔性设计，即在不同的要求下，可通过FPGA内部电路结构重置实现不同功能，从而极大的提高了电路系统硬件功能的灵活性，使单一电路系统具有许多不同电路结构的功能，满足不同的需求，因此提高了系统的灵活性。

两级控制系统之间的信息交换通过SPI通讯接口实现。两级控制系统由于联线少，仪器的分析动作等控制功能由FPGA独立完成，因此提高了系统的可靠性和实时性。

所述的第一级控制系统以微处理器为核心，还包括人机交互界面模块、LPT外接打印机模块、外部SD卡存储模块、标准的USB2.0接口模块、标准RG45网络接口模块、标准VGA接口模块、标准RS232接口模块，SPI通讯模块以及电源接口模块，所述模块分别与ARM连接。 

所述的第二级控制系统以现场可编程门阵列为核心，还包括SPI通讯模块、电源接口模块、电机驱动模块、电磁阀开/关模块、SDRAM存储模块、I/O拓展模块、电源输入模块、开关量控制模块、状态检测模块、信号采集模块，所述模块分别与FPGA连接。

微处理器与现场可编程门阵列之间通过SPI通讯模块连接。

本发明的工作过程为：仪器工作时，用户可通过第一级控制系统人机交互界面对仪器进行各种操作，包括历史结果回顾、历史报告单打印、分析动作选择、各种辅助动作选择等。当用户选择仪器分析动作操作时，由ARM通过SPI通讯接口向FPGA发送控制命令。FPGA接收到ARM发送的命令后进行解析，根据命令内容，控制血液分析仪完成相应动作，同时对血细胞信号进行采集，采集到的数字信号经过处理后暂存于SDRAM存储模块，信号采集结束后将SDRAM中暂存的分析结果通过SPI通讯模块上传至ARM，由ARM进行统一管理，分析动作完成后FPGA通过SPI将动作结束符上传给ARM，表示本次动作完成，可以进行下一组动作。ARM接收到FPGA上传的数据后，通过人机交互界面或VGA接口模块将其显示在液晶屏上，同时将结果保存于外部SD存储模块的数据库中，并打印分析报告。

两级控制系统的具体工作流程为。

第一级控制系统工作流程。

S1、系统初始化。系统上电后，仪器对嵌入式操作系统及用户设定参数进行初始化。

S2、进入人机交互界面。用户可通过人机交互界面对仪器进行各种操作，包括选择各种辅助动作操作、选择分析采样动作操作、系统管理操作。

S3、若用户选择分析动作，则跳转至步骤S4；若用户选择辅助动作，则跳转至步骤S8；若用选择系统管理操作，则跳转至步骤S9。

S4、ARM通过SPI通讯模块向FPGA发送分析动作控制命令。

S5、ARM通过SPI通讯模块接收FPGA上传的采样数据。

S6、ARM接收完FPGA上传的数据后，通过人机交互界面或VGA接口将接收到的数据显示到液晶显示屏上，同时将结果保存于外部SD卡存储模块的数据库中并通过LPT外接打印机模块进行分析报告打印。

S7、动作结束后，跳转至步骤S2供用户进行下一次操作。

S8、ARM通过SPI通讯模块向FPGA发送辅助动作控制命令。跳转至步骤7等待动作结束。

S9、用户对系统进行管理，包括历史结果回顾、用户设定参数修改、报告打印、通过RS232进行数据传输以及通过网口或USB接口与外界进行通讯等操作，本次操作结束后跳转至步骤S2供用户进行下一次操作。

第二级控制系统工作流程。

S1、系统上电后对用户设定参数进行初始化。

S2、系统在SPI通讯模块等待ARM发送的控制命令，接收到命令后对命令进行解析。

S3、若ARM发送的命令为分析动作命令，则跳转至步骤S4；若ARM发送的命令为辅助动作命令，则跳转至步骤S8。

S4、通过电机驱动模块、电磁阀开/关控制模等块进行分析动作，并通过状态检测模块对系统状态进行监测。

S5、通过信号采集模块进行数据采集，采集到的数据及格过处理后暂存于SDRAM存储模块。

S6、采样结束后通过SPI通讯模块将SDRAM中存储的数据上传至ARM。

S7、动作结束后通过SPI通讯模块向ARM发送动作结束符，跳转至步骤S2等待下一次命令。

S8、通过电机驱动模块、电磁阀开/关控制模等块完成相应的辅助动作，并跳转至步骤S7等待动作结束。

本发明的有益效果是，充分利用ARM与FPGA各自的优势，实现了仪器的管控分离。以ARM为硬件平台，通过建立以嵌入式Windows CE 5.0为操作系统的管理环境，完成对整个仪器的统筹管理，实现了可视化人机交换功能以及对血液分析仪各项功能与数据报表的管理；利用FPGA实时性好、资源丰富、处理速度快、可并行工作以及可编程的优势，实现了系统的实时性控制及多路并行高速数据采集与处理以及电子系统的柔性设计。且两级系统之间仅通过一个SPI通讯接口进行信息交换，结构简单，联线少，因此抗干扰能力强，通讯可靠。整个分析仪由第一级控制系统进行统筹管理，两级系统各司其职、协同工作，提高了仪器的运行速度，优化了仪器的性能，同时增强了系统的实时性、灵活性与可靠性。

附图说明

附图1为本发明的两级控制系统结构示意图。

附图2为ARM第一级控制系统功能接口示意图。

附图3为FPGA第二级控制系统功能模块示意图。

附图4为本发明两级控制系统之间的SPI通讯模块连接示意图。

附图5为本发明两级控制系统之间的电源接口连接示意图。

附图6为本发明信号采集电路图。

附图7为本发明状态检测电路图。

附图8为本发明开关量控制电路图。

附图9为本发明电机驱动电路图。

附图10为本发明电磁阀控制电路图。

附图11为本发明SDRAM存储模块电路图。

附图12为本发明电源输入接口电路图。

附图13为本发明第一级控制系统工作流程图。

附图14为本发明第二级控制系统工作流程图。

具体实施方式

实施例。

本发明将结合附图，通过以下实施例作进一步说明。

附图1为本发明两级控制系统结构示意图。主要由第一级控制系统、第二级控制系统及SPI通讯组成。其中第一级控制系统以ARM为主，第二级控制系统以FPGA为主，第一级控制系统与第二级控制系统以SPI通讯进行连接，从而使两级控制系统成为一个整体。第一级控制系统的操作系统为嵌入式Windows CE 5.0。

附图2为本发明ARM第一级控制系统功能接口示意图。主要由ARM微处理器、人机交互界面模块、外部SD卡存储模块、LPT外接打印机模块、VGA接口模块、SPI通讯模块、电源接口模块、RS232接口模块、USB2.0接口模块、RG45网络接口模块组成。其中以ARM内置LCD驱动模块实现人机对话界面；以ARM内置SD卡存储驱动模块实现数据的存取与管理；以标准的外接打印机LPT接口或标准的USB 2.0接口实现打印机驱动；以SPI接口实现与第一级控制系统的通讯；以电源接口模块实现系统供电；同时，系统提供1个标准VGA接口、4个标准USB 2.0接口、3个标准RS232接口、1个LPT接口、1个RG45网口；其中ARM主处理器为SAMSUNG S3C2442B；LCD模块为LQ104V1DG52；SD卡为Kingston 2G、4G、8G或16G；RS232波特率为115200、停止位1bit、数据位8 bits、无校验位；电源接口标准如图5所示；SPI接口标准如图4所示。其余标准接口均可接对应的通用设备。

附图3为本发明FPGA第二级控制系统功能接口示意图。主要由FPGA、电源接口、SPI通讯模块、信号采集模块、状态检测模块、开关量控制模块、电源输入模块、I/O拓展模块、电机驱动模块、电磁阀开/关模块、SDRAM存储模块组成。其以FPGA为主构成第二级控制系统。以SPI接口实现与第一级控制系统的通讯；通过电源接口实现给第一级控制系统的供电；通过SPI控制A/D转换器实现信号采集，可同时对8路信号进行并行采集与处理；通过SPI控制A/D转换器及多路选择器的控制实现整个系统的状态检测，可对系统8种不同的状态信号进行检测；通过开关量控制可实现5个LED发光二极管开关控制及一个蜂鸣器报警进行控制；通过电机驱动模块实现4路电机并行驱动及控制；通过电磁阀开/关模块实现24路电磁阀并行开/关及控制；通过SDRAM控制模块实现2路SDRAM并行控制；电源输入直接接外部电源，实现整个系统供电；I/O拓展接口作为后期系统拓展用。其中FPGA为Altera公司CycloneII系列中的EP2C20F484C8；SPI接口与第二级控制系统的接口标准如图4所示；电源接口标准如图5所示；SPI实现A/D控制及信号采集电路图如图6所示；SPI控制A/D及多路转换器实现状态检测电路图如图7所示；开关量控制电路如图8所示；电机驱动控制电路如图9所示；电磁阀控制电路如图10所示；SDRAM控制模块电路图如图11所示；电源输入接口如图12所示。

附图4为本发明两级控制系统的SPI通讯接口示意图。主要由FPGA SPI接口及ARM SPI接口组成。SPI通讯接口实现了两级控制系统之间的信息交换及数据传输，把两级控制系统连接为一个整体。其中第一级控制系统的CS、CLK、MISO、MOSI分别与第二级控制系统CS、CLK、MOSI、MISO端相连。

附图5为本发明两级控制系统FPGA第二级控制系统给ARM第一级控制系统供电示意图。主要由第二级控制系统电源接口以及第一级控制系统电源接口组成。通过电源接口实现了第一级控制系统的电源供给，使第一级控制系统正常工作。电源接口标准为：1脚为+5VDC、2脚为+12VDC、3脚为-12VDC、4脚为GND；其中第二级控制系统电源接口的1、2、3、4脚分别与第一级控制系统电源接口的1、2、3、4脚相连。

附图6为本发明信号信号采集模块电路图。主要由DAD5、RAD5、UAD5组成。其中信号输入为待采集信号输入端，信号输入要求为0-5VDC；DAD5为限压二极管，限压值为5VDC，以保护UAD5，DAD5一端与信号输入端及RAD5的公共端相连，另一端接地；RAD5为匹配电阻，以稳定输入到UAD5的信号，RAD5一端与信号输入端及DAD5公共端相连，另一端接UAD5的3脚；UAD5为A/D转换器，实现模拟信号到数字信号的转换，UAD5的1脚接+5V电源，2脚接地，3脚接RAD5一脚，4、5、6脚分别与FPGA的AD_CLK5、AD_DATA5、AD_CS5相连；CAD9与CAD10共同实现+5V电源滤波，为UAD5提供稳定的工作电源。其中信号输入要求为0-5VDC信号；DAD5为5V波峰稳压管，型号为LL60；RAD5阻值为100；UAD5型号为ADS7883；CAD9为100nF；CAD10为10uF。

附图7为本发明状态检测模块电路图。主要由U9、DAD3、RAD3、UAD3组成。其中U9为多路快关选择器，实现不同状态检测的信号切换，U9的1脚与打印机检测端的PRINTER相连，2脚与温度传感器输出端TEMP相连，3脚与RAD3、DAD3的公共端相连，4脚与小孔电压1检测的输出端VOL1相连，5脚与小孔电压2检测的输出端VOL2相连，6、7、8脚接地，9、10、11脚分别与FPGA的A_CD4051、B_CD4051、C_CD4051相连，12脚与压力传感器的输出端PRESS相连，13脚与清洗液检测电路输出端DET相连，14脚与稀释液检测电路输出端DIL相连，15脚与溶血素检测电路的输出端LYSE相连，16脚接+5V电源。DAD3为限压二极管，限压值为5VDC，以保护UAD3，DAD3一端与U9的3脚及RAD3的公共端相连，另一端接地；RAD3为匹配电阻，以稳定输入到UAD3的信号，RAD3一端与U9的3脚及DAD3公共端相连，另一端接UAD3的3脚；UAD3为A/D转换器，实现模拟信号到数字信号的转换，UAD3的1脚接+5V电源，2脚接地，3脚接RAD3一脚，4、5、6脚分别与FPGA的AD_CLK3、AD_DATA3、AD_CS3相连；CAD5与CAD6共同实现+5V电源滤波，为UAD3提供稳定的工作电源。其中U9型号为CD4051；DAD3为5V波峰稳压管，型号为LL60；RAD3阻值为100；UAD3型号为ADS7883；CAD5为100nF；CAD6为10uF。

附图8为本发明开关量控制模块电路图。主要由U27、U50、J6组成。其中U27为电平锁存器，提高FPGA输出信号的驱动能力，U27的1、3、4、5、6、7脚分别接FPGA的LED_Yellow0、LED_Red0、LED_Green0、LED_Green1、LED_Yellow1、Buzzer0端相连，2、8脚接地，9脚与U50的2脚相连，10脚与U50的1脚相连，11、12、13、14、16脚分别与J6的2、4、6、8、10脚相连；U50为蜂鸣器接口；J6为LED发光二极管接口，J6的1、3、5、7、9脚分别通过R78、R79、R80、R81、R82与+24V电源相连。R85为阻抗匹配电阻，其两端分别与U50的1、2脚相连；R78、R79、R80、R81、R82为限流电阻。其中U27型号为ULN2003D；U50为2Pin蜂鸣器接口；J6为10Pin LED发光二极管接口；R85阻值为100K；R78、R79、R80、R81、R82阻值为4.7K。

附图9为本发明电机驱动模块电路图。主要由U8与J19组成。其中U8为电机驱动芯片，实现电机驱动，U8的33、45、47脚分别与FPGA的DIRECTION、CLK、ENABLE端相连，35、42、48分别通过R32、R33、R34与3.3V电源相连，30、31脚与+5V电源相连，26、26、55、56脚与+24V_MOTOR电源相连，6、7脚与J19的2脚相连，10、11脚与J19的3脚相连，19、20脚与J19的4脚相连，61、62脚与J19的1脚相连，2、4脚通过R44接地，13、14脚通过R43接地，16、35、38、39、43、50、51、64脚接地，53脚通过C24接地；J19为电机接线底座；R32、R33、R34为限流电阻；C16、C17共同组成滤波电路，滤除+5V的干扰；C18、C19共同组成滤波电路滤除+24V_MOTOR的干扰信号；R43、R44为限流电阻。其中U8为TB6560AFG；R32、R33、R34阻值为10K；C16、C19为10uF的电容；C17、C18为100nF的电容；C24为300PF的电容；R43、R44阻值为0.33Ω。

附图10为本发明电磁阀控制模块电路。主要由R15、Q1、J1组成。其中R15为限流电阻，一端与FPGA的Valve1的控制端相连，另一端与Q1的2脚相连；Q1为CMOS三极管，Q1的1脚接地，2脚与R15一端相连，3脚与J1的1脚相连；J1为电磁阀接线底座，J1的1脚与Q1的3脚相连，2脚与+24V_VALVE电源相连。其中R15阻值为180Ω；Q1型号为2N5551。

附图11为本发明的SDRAM存储模块电路图。主要由US1组成，从而实现数据的存储与读取。US1的1、14、27、3、9、43、49脚与3.3V电源相连，16、17、18、19分别于FPGA的SDRAM_WE、SDRAM_CAS、SDRAM_RAS、SDRAM_CE相连，20、21脚分别于FPGA的SDRAM_BA0、SDRAM_BA1相连，23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36脚分别于FPGA的SDRAM_A0、SDRAM_A1、SDRAM_A2、SDRAM_A3、SDRAM_A4、SDRAM_A5、SDRAM_A6、SDRAM_A7、SDRAM_A8、SDRAM_A9、SDRAM_A10、SDRAM_A11、SDRAM_A12相连，2、4、5、7、10、11、13、42、44、45、47、48、50、51、53脚分别于FPGA的SDRAM_DQ0、SDRAM_DQ1、SDRAM_DQ2、SDRAM_DQ3、SDRAM_DQ4、SDRAM_DQ5、SDRAM_DQ6、SDRAM_DQ7、SDRAM_DQ8、SDRAM_DQ9、SDRAM_DQ10、SDRAM_DQ11、SDRAM_DQ12、SDRAM_DQ13、SDRAM_DQ14、SDRAM_DQ15相连，15、39脚分别于FPGA的SDRAM_DQM0、SDRAM_DQM1相连，28、41、54、6、12、46、52脚接地，37、38脚分别与FPGA的SDRAM_CKE、SDRAM_CLK相连。

附图12为本发明的电源接口模块电路图。J1-1接外部输入电源，外部输入电源为+12VDC。

仪器工作时，由ARM向FPGA发送命令，FPGA接收到ARM发送的命令后进行解析，根据命令内容，控制血液分析仪执行器完成相应动作，同时对细胞信号等进行采集，采集信号经过处理后暂存于SDRAM模块，采样结束后将SDRAM中暂存的结果通过SPI通讯模块上传至ARM，由ARM进行统一管理，动作完成后FPGA通过SPI将动作结束符上传给ARM，表示本次动作完成，可以进行下一组动作。

本发明两级控制系统的具体工作流程为。

1、第一级控制系统工作流程如图13所示。

S1、系统上电后，仪器对嵌入式操作系统及用户设定参数进行初始化。包括：电机动作步数初始化、各参数校准因子初始化等。

S2、进入人机交互界面，用户可通过人机交互界面对仪器进行各种操作，通过各个界面的切换及点选不同的按钮，可完成不同的操作，包括选择各种辅助动作操作、选择分析动作操作、系统管理操作。

S3、若用户选择分析动作，则跳转至步骤S4；若用户选择辅助动作，则跳转至步骤S8；若用选择系统管理操作，则跳转至步骤S9。

S4、ARM通过SPI通讯模块向FPGA发送分析动作控制命令。

S5、ARM通过SPI通讯模块接收FPGA上传的采样数据。

S6、ARM接收完FPGA上传的数据后，通过人机交互界面或VGA接口将分析结果显示到液晶显示屏上，同时将结果保存于外部SD卡存储模块的数据库中并通过LPT外接打印机模块进行报告打印，还可将数据通过RS232发送至LIS系统。

S7、动作结束后，跳转至步骤S2供用户进行下一次操作。

S8、ARM通过SPI通讯模块向FPGA发送辅助动作控制命令。跳转至步骤7等待动作结束。

S9、用户对系统进行管理，包括历史数据回顾、用户设定参数修改、报告打印、通过RS232进行数据传输以及通过网口或USB接口进行与外界通讯等操作，本次操作结束后跳转至步骤S2供用户进行下一次操作。

2、第二级控制系统的工作流程如图14所示。

S1、系统上电后对用户设定参数进行初始化。包括各电磁阀、电机复位，SDRAM初始化等。

S2、系统在SPI通讯模块等待ARM发送的控制命令，当检测到ARM有控制命令向FPGA发送时，FPGA启动SPI数据接收模块，接收ARM发送的控制命令，并对命令进行解析。

S3、若ARM发送的命令为分析动作命令，则跳转至步骤S4；若ARM发送到命令为辅助动作控制命令，则跳转至步骤S8。

S4、通过电机驱动模块、电磁阀开/关控制模块进行分析动作，通过开关量控制模块开启动作进行指示灯，并并通过状态检测模块对系统状态进行监测。

S5、通过信号采集模块进行数据采集，数据经过处理后暂存于SDRAM存储模块。

S6、采样结束后通过SPI通讯模块将SDRAM中存储的数据上传至ARM。

S7、动作结束后通过SPI通讯模块向ARM发送动作结束符，跳转至步骤S2等待接收下一次控制命令。

S8、通过电机驱动模块、电磁阀开/关控制模块完成相应动作，并跳转至步骤S7等待动作结束。

3、两级系统之间通过SPI通讯模块进行信息交换，连线少，结构简单，因此抗干扰能力强，信号的传输更加稳定、可靠。

仪器工作过程中，由第一级控制系统对仪器进行统筹管理，两级系统分工明确，各司其职，从而提高了系统的实时性、灵活性和可靠性。