CN104090533A - 一种用于生化免疫检测设备的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于生化免疫检测设备的控制系统，包括具有微处理功能的主控制器、运动控制卡和多串口卡；其中所述的主控制器包含演算模块、优化调度模块和控制模块，其中，生化免疫检测设备主要由加样臂、机械臂、温育振荡器、洗板机和检测仪五个子功能设备模块组成。本发明通过采用调度控制策略合理地控制加样臂、机械臂、温育振荡器、洗板机和检测仪这五个子功能设备模块的协调工作，使检测设备的工作效率达到最大，从而在减小患者的检测等待时间、避免检测过程中的主观因素等方面有较大的实际应用价值。

Description

一种用于生化免疫检测设备的控制系统

技术领域

本发明涉及具有加样臂、机械臂、温育振荡器、洗板机和检测仪五个子功能设备模块的医用生化免疫检测设备，具体涉及一种用于生化免疫检测设备的控制系统。

背景技术

医用生化免疫检测设备由加样臂、机械臂、温育振荡器、洗板机和检测仪五个子功能设备模块组成。在医院进行患者的某项生化指标检测时，将按照检测工艺流程使用这五个子功能设备模块对患者的血样进行检测。当需要进行的检测样本较多时，如何合理地控制加样臂、机械臂、温育振荡器、洗板机和检测仪这五个子功能设备模块的协调工作，使检测设备的工作效率达到最大，从而在减小患者的检测等待时间、避免检测过程中的主观因素等方面将有较大的实际应用价值。

目前已有的生化免疫检测设备主要是针对设备的机械结构、检测方式进行各种改进，使设备具有更大的优越性。而实际上子功能设备模块的合理控制，即通过调度控制策略对设备各子功能模块进行合理地控制，主要控制某种子功能设备模块何时对要检验的某个项目的某个工序进行工作，可以使各子功能设备模块的工作效率发挥到最大，从而使检验效率达到最优。在该方面的发明尚未见到报道。

 

发明内容

本发明就是鉴于上面所提到的问题而进行的，其目的是提供一种控制系统，其能够根据临床检验项目数、检验项目内容和项目检验工艺流程，自动建立调度控制策略对仪器各子功能设备模块发出控制指令，使各子功能设备模块能够在指定的时间进行工作，使子功能设备模块的工作效率发挥到最大，从而提高检验效率，具体通过如下技术方案实现。

一种用于生化免疫检测设备的控制系统，其包括具有微处理功能的主控制器、运动控制卡和多串口卡；其中所述的主控制器包含演算模块、优化调度模块和控制模块，演算模块根据待检验项目数、检验项目步骤及检验项目步骤对应的处理时间算出的每个项目工序步骤的开始工作时间，从而获得检验过程中的各工序的调度甘特图；优化调度模块用于生化免疫检测设备中各子功能设备模块的优化调度；控制模块根据各检验项目工序的执行状态、生化免疫检测设备的各子功能设备模块的使用状态和演算模块给出的工序开始时间点以及先后顺序进行判断，并通过多串口卡给各子功能设备模块发送控制指令，使各子功能设备模块工作；所述各子功能设备包括加样臂、机械臂、温育振荡器、洗板机和检测仪。

进一步的，主控制器根据临床检验项目数、检验项目内容和项目检验流程自动计算出项目每道工序的开始工作时间点；根据所有检验项目的工序开始时间点得到项目工序甘特图，所述计算的方法为粒子群算法、模拟退火算法或蚁群算法。

进一步的，主控制器控制命令需在同时满足当前调度序列中即将执行工序状态、项目当前工序的前一工序完成状态、即将执行工序所使用设备状态都是准备就绪的情况下，才能通过PCI接口或串口发送控制命令给各子功能设备模块。

进一步的，所述的优化调度模块包括检验项目信息输入子模块、智能优化算法处理子模块、调度方案输出处理子模块，检验项目信息输入子模块是指用户通过输入并保存到数据库中的需要进行检测的项目基本信息与工艺流程；智能优化算法处理子模块主要是针对需要检测的项目所采用的智能优化调度算法，智能优化调度算法是粒子群算法、模拟退火算法或蚁群算法；调度方案输出处理子模块是针对优化调度算法子模块产生的调度方案进行处理并转换为执行模块所能识别的命令数据格式。

进一步的，根据主控制器的演算模块所计算出的每个项目每个步骤的开始时间、完成时间获得工序调度甘特图，根据此甘特图和系统对不同子模块控制实时性的要求不同可将主控制器的控制通道划分为两个独立线程来完成，其中线程1主要完成对控制实时性要求较高的运动控制卡的启动控制；线程2主要完成对控制实时性要求不高的温育振荡器、洗板机和检测仪的启动控制。

进一步的，主控制器与温育振荡器及数据采集功能模块、洗板机和检测仪之间的通信；主控制器与温育振荡器及数据采集功能模块、洗板机、检测仪功能模块均采用RS232串口通信，主控制器与数据采集功能模块之间采用基于事件触发的数据接收方式，主控制器与洗板机、检测仪功能模块之间采用轮询的方式进行数据接收。

进一步的，加样臂和机械臂分别在电机的带动下可以沿着XYZ轴在三维空间中运动，加样臂和机械臂共用一条X轨道，但分别有独立的Y轴和Z轴轨道；主控制器可通过运动控制卡给加样臂、机械臂发送控制命令让其运动到指定位置；主控制器通过多串口卡和RS-232通讯线可向温育振荡器发送开关控制量，分别启动加热和振荡功能；根据设定加热温度是否到达指定温度来决定加热开关的关闭，及设定的振荡时间来决定振荡器的关闭；洗板机和检测仪是具有微处理器的子功能设备模块，通过多串口卡和RS-232线接收主控制器发送的开关控制量，开始洗板步骤和检测步骤工序。

进一步的，运动控制卡具有内设PCI接口，通过PCI接口与主控制器进行通信；运动控制卡通过扩充端口连接板分别控制加样臂与机械臂在X、Y、Z轴方向上的运动电机。

本发明与现有技术方案实现相比的优势：

目前已有的生化免疫检测设备主要是针对设备的机械结构、检测方式进行各种改进，使设备具有更大的优越性。而实际上针对子功能设备模块的合理控制，即通过调度控制策略对设备各子功能模块进行合理地控制，使生化免疫检测设备的工作效率达到最大，从而在减小患者的检测等待时间、避免检测过程中的主观因素等方面将有较大的实际应用价值。

附图说明

图1为生化免疫检测设备各功能模块结构图。

图2a为生化免疫检测设备各部分结构示意图；

图2b为主控制器与运动控制卡、多串口卡的连接图。

图3为生化免疫检测设备优化调度模块结构图。

图4为生化免疫检测设备多线程控制流程图。

图5为生化免疫检测设备控制命令发送条件结构图。

图6为主控制器通过串口向各子功能设备模块发送数据流程图。

图7为主控制器通过串口接收各子功能设备模块数据流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施作进一步说明。

 

本发明的用于医用生化免疫检验设备的调度控制系统，其包括具有微处理功能的主控制器13+运动控制卡12+多串口卡14的集散控制的结构。如图1生化免疫检测设备各功能模块结构图所示，主控制器13通过多串口卡14分别与温育振荡器10、洗板机4和检测仪5进行通信；主控制器13通过运动控制卡12分别控制加样臂1、机械臂8的XYZ轴电机以及微量注射电机、抓手臂电机。 主控制器13用于发出调度控制命令（其可以是具有数据处理功能的微处理器，包括PC机）；各子功能设备模块（包括加样臂1、机械臂8、温育振荡器10、洗板机4和检测仪5），接收主控制器13的控制命令，并按要求进行动作；实现主控制器13对加样臂1和机械臂8进行控制的运动控制卡12；实现主控制器13和温育振荡器10、洗板机4和检测仪5通讯的多串口卡14和RS-232通讯线。主控制器13根据检验项目数、检验项目内容和项目检验工艺流程能够离线地求出各子功能设备模块（加样臂1、机械臂8、温育振荡器10、洗板机4和检测仪5）对某一项目的某道工序进行工作的开始时间点。根据这些初始的时间点，主控制器13通过多串口卡14给各子功能设备模块（加样臂1、机械臂8、温育振荡器10、洗板机4和检测仪5）发出相应工作指令。当加样臂1、机械臂8、温育振荡器10、洗板机4和检测仪5完成了相应工作后通过运动控制卡12的PCI接口或者多串口卡14发回执行完毕指令给主控制器13。由于开始的时间点是根据项目情况离散计算出来的，而实际控制系统运行过程中各工序阶段的时间可能会存在偏差，因此，主控制器13还能够根据实际运行过程中的工序时间波动情况更新未进行工序的开始时间点。

主控制器13包括演算模块和控制模块。演算模块根据待检验项目数、检验项目步骤及检验项目步骤对应的处理时间算出的每个项目工序步骤的开始工作时间，从而可获得检验过程中的各工序的调度甘特图。演算模块一般为具有微处理器的设备，例如PC机。控制模块根据各项目工序的执行状态、各设备子模块（加样臂1、机械臂8、温育振荡器10、洗板机4和检测仪5）的使用状态和演算模块给出的工序开始时间点以及先后顺序进行判断，并通过运动控制卡12的PCI接口或者多串口卡14给各子功能设备模块（加样臂1、机械臂8、温育振荡器10、洗板机4和检测仪5）发送控制指令，使子功能设备模块工作。

各子功能设备模块包括加样臂1、机械臂8、温育振荡器10、洗板机4和检测仪5。其中加样臂1和机械臂8分别在电机的带动下可以沿着XYZ轴在三维空间中运动，两个设备共用一条X轨道，但分别有独立的Y轴和Z轴轨道。主控制器13可通过运动控制卡12给加样臂1、机械臂8发送控制命令让其运动到指定位置。主控制器13通过多串口卡14和RS-232通讯线可向温育振荡器10发送开关控制量，可分别启动加热和振荡功能。根据设定加热温度是否到达指定温度来决定加热开关的关闭，及设定的振荡时间来决定振荡器的关闭。洗板机4和检测仪5是具有微处理器的子功能设备模块，它们通过多串口卡14和RS-232线可接收主控制器13发送的开关控制量，开始洗板步骤和检测步骤工序。

运动控制卡12具有内设PCI接口，通过PCI接口与主控制器13进行通信。如图2a生化免疫检测设备各部分结构示意图所示，运动控制卡12通过扩充端口连接板11可分别控制第一电机201、第二电机202、第三电机203、第四电机204、第五电机205和第六电机206工作。第一电机201安装于X轴运动轨道上，用于带动加样臂1在X轴方向上的运动；第二电机202安装于加样臂1的Y轴轨道上，用于带动加样臂1在Y轴上的运动；第三电机203安装于加样臂1的Z轴轨道上，用于带动加样臂1装置在Z轴上的运动；第四电机204安装于相对于第一电机201的X轴运动轨道的另一端，用于带动机械臂8在X轴上的运动；第五电机205安装在机械臂8的Y轴轨道上，用于带动机械臂8在Y轴上的运动；第六电机206安装于机械臂8的Z轴轨道上，用于带动机械臂8的抓手6在Z轴上的运动。

主控制器13可通过多串口卡14按照演算模块计算出的工作时间点来控制温育振荡器10、洗板机4和检测仪5工作。如图2b，每个子功能设备模块在做完相应工作后通过多串口卡14和RS-232通讯线发送工作完成信号给主控制器13。其中洗板机4通过多串口卡14的第一串口141与主控制器13进行通信；检测仪5通过多串口卡14的第二串口142与主控制器13进行通信；温育振荡器10多串口卡14的第三串口143与主控制器13进行通信。

主控制器13是具有计算能力的微处理器，它根据临床检验项目数、检验项目内容和项目检验流程自动计算出项目每道工序的开始工作时间点。根据所有项目的工序开始时间点可以得到项目工序甘特图，可用的计算方法为PSO算法、GA算法、ACO算法等。该主控制器13还带有串口和PCI接口，可以和运动控制卡12通过PCI接口进行通讯，和多串口卡14通过主控制器13的串口进行通讯。

主控制器13的控制命令需在同时满足当前调度序列中即将执行工序状态、项目当前工序的前一工序完成状态、即将执行工序所使用设备状态都是准备就绪的情况下，才能通过PCI接口或串口发送控制命令给加样臂1、机械臂8、温育振荡器10、洗板机4和检测仪5。

可根据主控制器13的演算模块所计算出的每个项目每个步骤的开始时间、完成时间获得工序调度甘特图，根据此甘特图和系统对不同子模块控制实时性的要求不同可将主控制器13的控制通道划分为两个独立线程来完成，如图4生化免疫检测设备多线程控制流程图所示。线程1主要完成对控制实时性要求较高的运动控制卡的启动控制。线程2主要完成对控制实时性要求不高的温育振荡器、洗板机和检测仪的启动控制。线程1和线程2在整个设备运行时启动，直到整个检测过程完成才结束。分成两个线程进行控制有利于提高CPU的工作效率，同时易于实现。

主控制器13的控制信息通道的线程1和线程2何时发出控制命令，由多方面因素决定，如图5生化免疫检测设备控制命令发送条件结构图所示。由于运动控制卡控制的机械臂XYZ三轴运动与加样臂XYZ三轴运动是共用X轴的，因此线程1的控制指令必须在确保上一步发出的控制命令所对应的运动机构执行完毕后，才可再次通过PCI接口发出下一个控制命令。同时该线程1还需满足由主控制器13的演算模块所获得的项目工序状态、项目上一步工序步骤的完成状态和当前工序需用子功能设备模块的使用状态决定，当这些状态均为on时，线程1发送包含运动目标位置的x,y,z坐标、控制通道号（若加样头有多个时）、控制参数（吸液或者注液量）；线程2的控制命令发送由主控制器13的演算模块所获得的项目工序状态、项目上一步工序步骤的完成状态和当前工序需要子功能设备的使用状态共同决定，当这些状态均为on时，线程2发送子功能设备模块启动控制命令及子功能设备模块工作参数给温育振荡器10、洗板机4或检测仪5。此时，三类子功能模块设备可同时并行工作。线程2发送给温育振荡器10的工作参数包括振荡时间、振荡等级和温育温度，线程2发送给洗板机4的工作参数包括洗板次数、微孔板类型、振荡次数、洗板模式、需要洗板的排数，线程2发送给检测仪5的工作参数包括检测项目类型(4字节的十六进制的数)、需检测的开始微孔号和结束微孔号(1-96，十六机制的数表示)、检测方法。

线程1与线程2之间的通信，由于线程1与线程2是在同一进程下的两个线程之间的共享数据，所以使用关键字volatile修饰的全局变量来实现两个线程之间的通信。

为了保证线程1与线程2之间通信正常，采用互斥对象技术来实现线程间的同步运行，互斥对象属于系统内核对象，拥有互斥对象的线程可以独占某个系统资源，其他线程无法访问这个系统资源，这样可以避免多个线程同时访问同一全局变量的情况。

优化调度模块，该模块主要包含检验项目信息输入子模块、智能优化算法处理子模块、调度方案输出处理子模块，通过对这三个部分的接口进行设计，从而实现一个用于生化免疫检测设备的优化调度模块。检验项目信息输入子模块是指用户通过软件界面输入并保存到数据库中的需要进行检测的项目基本信息与工艺流程；智能优化算法处理子模块主要是针对需要检测的项目所采用的智能优化调度算法，可以是PSO算法、GA算法、ACO算法等。调度方案输出处理子模块是针对优化调度算法子模块产生的调度方案进行处理并转换为执行模块所能识别的命令数据格式。

主控制器13与、温育振荡器10及数据采集功能模块、洗板机4和检测仪5之间的通信。主控制器13与温育振荡器10及数据采集功能模块、洗板机4、检测仪5功能模块均采用RS232串口通信，但具体的通信方式有所区别。数据采集功能模块对于通信的实时性要求比较高，所以主控制器13与数据采集功能模块之间采用基于事件触发的数据接收方式，主控制器13与洗板机4、检测仪5功能模块之间对于通信的实时性要求并不太高，所以采用轮询的方式进行数据接收。主控制器13通过多串口卡14向温育振荡器10、洗板机4和检测仪5的数据发送流程，如图6主控制器通过串口向各子功能设备模块发送数据流程图所示，首先由主控器13向多串口卡14发送“点名”命令，然后判断被点到的串口接收缓冲区是否接收到下位机返回的应答数据，若接收到应答数据，则主控制器13通过多串口卡14开始向下位机发送控制数据信息，从而控制该子功能设备模块的运行；若超时三次均未接收到应答信息，则报警并记录异常信息。

主控制器13通过多串口卡14接收温育振荡器10、洗板机4和检测仪5的数据的接收流程，如图7主控制器通过串口接收各子功能设备模块数据流程图所示。主控制器13与数据采集功能模块之间采用基于事件触发的数据接收方式，当数据采集功能模块的串口缓冲区接收到数据时，则立即触发该串口的数据接收程序并开始读取该串口的缓冲区，缓冲区数据全部接收完毕后，根据通信协议完成对接收数据的解析；主控制器13与洗板机4、检测仪5功能模块之间采用的轮询方式进行数据接收，即根据是否达到串口轮询周期来判断，若达到该串口的轮询周期，则读取该指定串口的缓冲区数据，完成指定串口缓冲区的数据读取后，同样按照相关的通信协议进行数据解析。

Claims (8)

1.一种用于生化免疫检测设备的控制系统，其特征在于包括具有微处理功能的主控制器、运动控制卡和多串口卡；其中所述的主控制器包含演算模块、优化调度模块和控制模块，演算模块根据待检验项目数、检验项目步骤及检验项目步骤对应的处理时间算出的每个项目工序步骤的开始工作时间，从而获得检验过程中的各工序的调度甘特图；优化调度模块用于生化免疫检测设备中各子功能设备模块的优化调度；控制模块根据各检验项目工序的执行状态、生化免疫检测设备的各子功能设备模块的使用状态和演算模块给出的工序开始时间点以及先后顺序进行判断，并通过多串口卡给各子功能设备模块发送控制指令，使各子功能设备模块工作；所述各设备子模块包括加样臂、机械臂、温育振荡器、洗板机和检测仪。

2.根据权利要求1所述的用于医用生化免疫检验设备的调度控制系统，其特征在于主控制器根据临床检验项目数、检验项目内容和项目检验流程自动计算出项目每道工序的开始工作时间点；根据所有检验项目的工序开始时间点得到项目工序甘特图，所述计算的方法为粒子群算法、模拟退火算法或蚁群算法。

3.根据权利要求1所述的用于医用生化免疫检验设备的调度控制系统，其特征在于主控制器控制命令需在同时满足当前调度序列中即将执行工序状态、项目当前工序的前一工序完成状态、即将执行工序所使用设备状态都是准备就绪的情况下，才能通过PCI接口或串口发送控制命令给各子功能设备模块。

4.根据权利要求1所述的用于医用生化免疫检验设备的调度控制系统，其特征在于所述的优化调度模块包括检验项目信息输入子模块、智能优化算法处理子模块、调度方案输出处理子模块，检验项目信息输入子模块是指用户通过输入并保存到数据库中的需要进行检测的项目基本信息与工艺流程；智能优化算法处理子模块主要是针对需要检测的项目所采用的智能优化调度算法，智能优化调度算法是粒子群算法、模拟退火算法或蚁群算法；调度方案输出处理子模块是针对优化调度算法子模块产生的调度方案进行处理并转换为执行模块所能识别的命令数据格式。

5.根据权利要求1所述的用于医用生化免疫检验设备的调度控制系统，其特征在于根据主控制器的演算模块所计算出的每个项目每个步骤的开始时间、完成时间获得工序调度甘特图，根据此甘特图和系统对不同子模块控制实时性的要求不同可将主控制器的控制通道划分为两个独立线程来完成，其中线程1主要完成对控制实时性要求较高的运动控制卡的启动控制；线程2主要完成对控制实时性要求不高的温育振荡器、洗板机和检测仪的启动控制。

6.根据权利要求5所述的用于医用生化免疫检验设备的调度控制系统，其特征在于主控制器与温育振荡器及数据采集功能模块、洗板机和检测仪之间的通信；主控制器与温育振荡器及数据采集功能模块、洗板机、检测仪功能模块均采用RS232串口通信，主控制器与数据采集功能模块之间采用基于事件触发的数据接收方式，主控制器与洗板机、检测仪功能模块之间采用轮询的方式进行数据接收。

7. 根据权利要求5所述的用于医用生化免疫检验设备的调度控制系统，其特征在于加样臂和机械臂分别在电机的带动下可以沿着XYZ轴在三维空间中运动，加样臂和机械臂共用一条X轨道，但分别有独立的Y轴和Z轴轨道；主控制器可通过运动控制卡给加样臂、机械臂发送控制命令让其运动到指定位置；主控制器通过多串口卡和RS-232通讯线可向温育振荡器发送开关控制量，分别启动加热和振荡功能；根据设定加热温度是否到达指定温度来决定加热开关的关闭，及设定的振荡时间来决定振荡器的关闭；洗板机和检测仪是具有微处理器的子功能设备模块，通过多串口卡和RS-232线接收主控制器发送的开关控制量，开始洗板步骤和检测步骤工序。

8.根据权利要求5所述的用于医用生化免疫检验设备的调度控制系统，其特征在于运动控制卡具有内设PCI接口，通过PCI接口与主控制器进行通信；运动控制卡通过扩充端口连接板分别控制加样臂与机械臂在X、Y、Z轴方向上的运动电机。