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劉可滇，（北京新技術(shù)研究所，北京 100035）畢業(yè)于清華大學(xué)精密儀器系獲工學(xué)碩士學(xué)位，在國內(nèi)外從事于精密儀器和工業(yè)自動(dòng)化工作，曾研制成功自動(dòng)生化分析儀及便攜式拉曼光譜儀以及其他儀器。完成很多獨(dú)特自動(dòng)化項(xiàng)目。致力于技術(shù)創(chuàng)新。現(xiàn)任北京新技術(shù)研究所主任工程師。摘要：本文探究了一種簡捷易行的儀器開發(fā)方法，在開發(fā)過程中避免了繁厄的嵌入式芯片的軟硬件開發(fā)。因此不但簡化了開發(fā)過程，縮短了開發(fā)時(shí)間，減少了開發(fā)成本，同時(shí)也降低了開發(fā)專業(yè)技術(shù)門限。本文以一種復(fù)雜的自動(dòng)精密分析儀器-生化分析儀為例，對(duì)使用國產(chǎn)HOLLiAS LM 小型PLC為核心的設(shè)計(jì)開發(fā)方案進(jìn)行詳細(xì)探討。在提出這個(gè)技術(shù)設(shè)想之前，從設(shè)計(jì)方法學(xué)，技術(shù)可行性以及性能價(jià)格比幾方面對(duì)此技術(shù)設(shè)想的合理性進(jìn)行透視。在充分理解了技術(shù)設(shè)想的可操作性之后，再對(duì)具體實(shí)施的細(xì)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)全面的描述。
關(guān)鍵詞：可編程序控制器；單片機(jī)/單板機(jī)；嵌入式；人機(jī)界面；自動(dòng)生化分析儀
Abstract: In this paper, an easy and simple instrument development solution is discussed. And complex hardware deigns and software programming works for embedded chips are avoided in this solution. It not only simplifies the design progress, reduces the design time and cost,, but also lowers the technical requirement for design engineer to develop new product. The design process of sophistic automatic biochemical analyzer is taken as an example to discuss new design method in details, which uses indigenous HOLLiAS LM small PLC as control core. Before presenting the new idea, the rationality of the new technical proposal is considered from view point of design methodology, technical possibility and cost-efficiency. On the basis of deep understanding of the technical proposal feasibility, details of implementing progress are fully described.
Key words：PLC(Programmable Logic Controller);Single Chip/Single board;Embedded system;HMI (Human Machine Interface);Automatic Biochemistry Analyzer
1 傳統(tǒng)儀器設(shè)計(jì)過程回顧
現(xiàn)代化的自動(dòng)儀器設(shè)備均具有如下幾方面的性能和特點(diǎn)。前端的信號(hào)檢測，適時(shí)數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)其功能的光機(jī)電一體化的自動(dòng)裝置，以及人機(jī)操作界面，除此之外還必須有完備的上下位機(jī)的控制程序軟件包。為實(shí)現(xiàn)以上幾個(gè)方面的性能，以高性能的微處理器為基礎(chǔ)的嵌入式單板機(jī)就似乎成為迄今儀器設(shè)計(jì)的唯一選擇。
從而，在儀器具體的性能要求確定以后，單板機(jī)的軟硬件設(shè)計(jì)制造工作就進(jìn)入議事日程。這項(xiàng)工作是非常專業(yè)和浩繁的，比較小的公司不可能儲(chǔ)備如此多的專業(yè)技術(shù)人員，所以靠自身的技術(shù)力量是無法完成的。為此就必須支付高昂的設(shè)計(jì)開發(fā)費(fèi)用，而且，整機(jī)軟硬件及外部設(shè)備的聯(lián)調(diào)也需要大量的時(shí)間以及返工和重新設(shè)計(jì)。同樣，大公司也并非不存在類似問題。特別是在新技術(shù)新方法摸索創(chuàng)新的樣機(jī)試制階段。
2 新設(shè)計(jì)方案的提出和可行性分析與單板機(jī)方案比較
所謂的新方案的概念源于個(gè)人的專業(yè)技術(shù)經(jīng)歷和接觸不同的技術(shù)領(lǐng)域，筆者分別從事過精密儀器設(shè)計(jì)和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的工作，PLC技術(shù)，特別是國產(chǎn)HOLLiAS LM 系列小型PLC的性能給我一個(gè)在精密儀器設(shè)計(jì)方案上重新審視的技術(shù)空間。
從設(shè)計(jì)方法學(xué)的角度來看待設(shè)計(jì)問題，全世界沒有誰規(guī)定自動(dòng)儀器一定要以單板機(jī)為核心，只要能夠?qū)崿F(xiàn)傾向用戶使用要求的儀器設(shè)計(jì)就是成功的產(chǎn)品，換句話說用戶和使用者不關(guān)心儀器的設(shè)計(jì)過程和內(nèi)部構(gòu)造，他們只關(guān)心儀器的性能價(jià)格比。而作為設(shè)計(jì)人員，我們所要考慮的是所有可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期性能的設(shè)計(jì)方案和手段以及技術(shù)途徑，這樣較為符合設(shè)計(jì)方法學(xué)的思想方法和設(shè)計(jì)規(guī)程。
考慮技術(shù)可行性，先來看一下電子控制的硬件要求，一般地，系統(tǒng)需要有高性能的CPU，一定數(shù)量的內(nèi)存，DI，DO，AI，AO，與人機(jī)界面的通訊端口，以及根據(jù)具體運(yùn)行要求所編制的程序。這些工作對(duì)一個(gè)單板機(jī)或DSP系統(tǒng)來說，無異于編制一套專用小型操作系統(tǒng)。在硬件上甚至往往需要設(shè)計(jì)單板機(jī)或DSP的PCB板，在SMT技術(shù)的今天設(shè)計(jì)完善這樣的系統(tǒng)也非易事，調(diào)試的問題不用說，甚至一兩個(gè)DI的擴(kuò)展，都需要重新設(shè)計(jì)改動(dòng)PCB板。
再看一下PLC的性能，PLC是可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller）的英文縮寫。對(duì)有工業(yè)自動(dòng)化控制經(jīng)驗(yàn)的人來說，一點(diǎn)也不陌生，但對(duì)于那些僅從事儀器設(shè)計(jì)的人來說，也許不甚了解或者從未涉足使用。PLC通常具有高性能的CPU，相當(dāng)規(guī)模的內(nèi)存，可任意擴(kuò)展的DI，DO，AI，AO接口，其中AI的分辨率為16 BIT 以上，其DO接口可以直接驅(qū)動(dòng)1A電流的功率器件或繼電器, 因此PLC在硬件上完全可以代替單板機(jī)。
再從軟件編程和運(yùn)行的方面比較，單板機(jī)或DSP，即使借助于C語言或其他專門的開發(fā)環(huán)境，其工作也是相當(dāng)厄繁的，而且不使用匯編語言，指令對(duì)硬件的直觀控制效果不易觀察，調(diào)試?yán)щy。對(duì)于儀器控制的特殊應(yīng)用，運(yùn)行時(shí)子程序調(diào)用比較多，在線調(diào)試?yán)щy。而對(duì)于PLC來說，其自身的功能塊，指令組，就此類系統(tǒng)控制應(yīng)用而言，比C語言完備得多，如各種微電機(jī)控制，定時(shí)，記數(shù)，脈寬調(diào)制，脈沖輸出等等。另外PLC程序在運(yùn)行時(shí)是實(shí)時(shí)重復(fù)掃描，可以根據(jù)邏輯計(jì)算結(jié)果的要求實(shí)時(shí)任意取舍子程序或功能塊的運(yùn)行，對(duì)于一個(gè)接近120K內(nèi)存的較長程序,一次掃描僅需幾十毫秒,就絕大多數(shù)應(yīng)用而言,速度足夠快。就編程而言，PLC的指令系統(tǒng)容易學(xué)，容易使用，調(diào)試方便。PLC 較之嵌入式的程序，具有更好的可讀性和易讀性，它可以使得更多公司和更多工程技術(shù)人員從事開發(fā)工作.。
考察性能價(jià)格比，顯然在開發(fā)階段，PLC的成本很低，它是工控市場化批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，開發(fā)人員不需要設(shè)計(jì)建造嵌入式CPU的PCB板，而只需要設(shè)計(jì)少量外圍專用電路，軟件環(huán)境也容易在PC上設(shè)置，經(jīng)常是PLC廠家免費(fèi)提供的。在生產(chǎn)階段，PLC與單板機(jī)的成本相差不懸殊，除非有類似家用電器的批量否則PLC在整機(jī)中所占比例很小，很顯然，儀器與批量家電無可比性。況且PLC較單板機(jī)的用戶面寬，產(chǎn)品成熟，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，從而在生產(chǎn)訂購上也節(jié)省多方面的資源。
綜上所述，PLC的功能和實(shí)時(shí)運(yùn)行能力以及系統(tǒng)開發(fā)的簡易性超過一般意義上的單板機(jī)。甚至具備單板機(jī)所不具備的實(shí)時(shí)在線性能。因此，從理論到實(shí)踐上看PLC作為儀器核心都具有更多優(yōu)越性。
3 設(shè)計(jì)過程詳實(shí)（以自動(dòng)生化分析儀為例）
自動(dòng)生化分析儀是用于醫(yī)院臨床檢驗(yàn)血液生化指標(biāo)的復(fù)雜儀器，在分析類儀器中，它的復(fù)雜程度是最高的。
生化分析儀的基本功能是按照各自不同的生化方法要求設(shè)定測試參數(shù)，然后自動(dòng)機(jī)構(gòu)取樣并按照設(shè)定對(duì)各樣品及同一樣品的不同測試加入所需的試劑，按所需特定比例進(jìn)行稀釋。進(jìn)而分別注入比色杯對(duì)反應(yīng)液進(jìn)行保溫和延時(shí)（經(jīng)稀釋后的樣品稱為反應(yīng)液），下一步對(duì)反應(yīng)液按照所需編排好的測試方法和時(shí)間進(jìn)行測試，最后計(jì)算并儲(chǔ)存和打印測試結(jié)果。
儀器的具體構(gòu)造此不贅述。
從而得到生化分析儀對(duì)電子系統(tǒng)的軟硬件要求,并據(jù)此選擇PLC的軟硬件配置。
（1）硬件要求
120K程序內(nèi)存；
3 AI輸入；
24 DI輸入；
16 DO輸出，包括2 -PTO，1-PWM輸出；
2 AO 輸出；
RS232（及485）串行口；
如有必要可以選擇2個(gè)或更多PLC CPU模塊聯(lián)合控制。
（2）軟件功能及內(nèi)部函數(shù)要求
輸入高速記數(shù)；
高速脈沖輸出；
步進(jìn)電機(jī)脈沖控制模塊；
PID 控制功能塊；
自由通訊功能塊；
基于ST文本的數(shù)據(jù)處理子程序；
多種邏輯和計(jì)算結(jié)果判斷指令。
（3）總控制程序、自動(dòng)機(jī)構(gòu)微電機(jī)控制、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)計(jì)算處理軟硬件安排
儀器的PLC控制軟件由主控制程序，初始化復(fù)位子程序，自動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作算法子程序，自動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行子程序，數(shù)據(jù)讀取控制子程序，及數(shù)據(jù)計(jì)算處理子程序組成。
主控制程序完成各子程序的選擇執(zhí)行以及與人機(jī)界面的通訊，為梯形圖程序。
初始化復(fù)位子程序完成自動(dòng)機(jī)構(gòu)的回位和數(shù)據(jù)初始化，為梯形圖程序。
自動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作算法子程序完成安排自動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作順序判斷，為梯形圖程序。
自動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行子程序驅(qū)動(dòng)自動(dòng)機(jī)構(gòu)完成要求的動(dòng)作，為梯形圖程序。
數(shù)據(jù)讀取控制子程序執(zhí)行檢測數(shù)據(jù)的讀取和機(jī)構(gòu)為讀取數(shù)據(jù)的配合動(dòng)作，為梯形圖程序。
數(shù)據(jù)計(jì)算處理子程序完成生化分析所需的分析計(jì)算，由ST語言編寫子程序。
（4）硬件的安排
自動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和控制(包括比色用不同波長光源的自動(dòng)選擇轉(zhuǎn)換)由高速脈沖輸出端口配合普通DO端口選擇控制多個(gè)微型步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，其中機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)定位由 DI，高速DI以及AI接受運(yùn)動(dòng)和位置反饋信號(hào)用以控制步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。
恒溫槽的溫度由AI接收溫度傳感器，經(jīng)PLC的PID結(jié)合脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)電熱元件實(shí)現(xiàn)。控制精度最高可達(dá)±0.05°C，典型值達(dá)到±0.1°C。
數(shù)據(jù)的讀入由前端對(duì)數(shù)運(yùn)算放大器（LOG100）接入AI實(shí)現(xiàn)。由于PLC可設(shè)置數(shù)字濾波參數(shù)。所以數(shù)據(jù)采集完全可以保持所需的精度要求。
PLC與人機(jī)界面的通訊由PLC的RS232串行口實(shí)現(xiàn)，可以采用PLC自身的MODBUS協(xié)議，也可以采用PLC提供的自由協(xié)議功能塊，這樣編程更方便。本系統(tǒng)采用自由通訊協(xié)議。
四、結(jié)論和展望
到節(jié)稿時(shí)儀器已基本可以運(yùn)行。性價(jià)比好的設(shè)計(jì)和產(chǎn)品以及設(shè)計(jì)方法，只有經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)才能證明其優(yōu)劣，以往PLC 從未用作精密儀器控制的核心主要有以下幾點(diǎn)原因
（1）設(shè)計(jì)人員沒有掌握PLC 技術(shù)；
（2）PLC的售價(jià)比較高；
（3）幾年前的小型PLC的軟硬件性能還不能支持復(fù)雜儀器的控制要求。
近年來工控市場上新的PLC品牌不乏高性價(jià)比的小型PLC，使其設(shè)想成為可能。而且，儀器設(shè)計(jì)者如果更多采用PLC產(chǎn)品，必將促使PLC制造商不斷提高PLC的性能，以及向單板機(jī)容合，那樣設(shè)計(jì)人員將有更多便利的設(shè)計(jì)手段和軟硬件可選擇。從而縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期，增加產(chǎn)品品種，使用戶、儀器開發(fā)商和PLC生產(chǎn)商都得到好處。
參考資料
[1[ Visual Basic 串口通信技術(shù)與典型實(shí)例.清華大學(xué)出版社.
[2] HOLLiAS LM 系列小型一體化PLC 硬件手冊(cè).北京和利時(shí)系統(tǒng)工程有限公司.
[3] HOLLiAS LM 系列小型一體化PLC 軟件手冊(cè).北京和利時(shí)系統(tǒng)工程有限公司.
[4] HOLLiAS LM 系列小型一體化PLC 指令及功能塊手冊(cè).北京和利時(shí)系統(tǒng)工程有限公司.
[5] Visual Basic 應(yīng)用開發(fā)完全手冊(cè).人民郵電出版社.
[6] Visual C++ 串口通信技術(shù)與工程實(shí)踐.人民郵電出版社.
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)