阅读说明：本技术 一种应用于吸入暴露系统的主控制器、设备及方法 (Main controller, equipment and method applied to inhalation exposure system ) 是由 董超 于 2019-10-31 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种应用于吸入暴露系统的主控制器、设备及方法,其中主控制器包括微控制单元、均与微控制单元连接的气源压力监测传感器、发生器压力监测传感器,发生器气流开关电磁阀、发生器质量流量控制器、稀释气开关电磁阀、稀释气质量流量控制器,采样泵和采样质量流量控制器,以及暴露腔环境监测单元通讯接口、废气处理装置通讯接口、气溶胶浓度监测装置通讯接口和上位机通讯接口。与现有技术相比,本发明集成了多个开关电磁阀、质量流量控制器、压力传感器、以及采样泵的主控制器使得整个吸入暴露系统外部管路和电气连接得到大幅度简化,系统在实验室的组装、调试以及维护更简易。(The invention relates to a main controller, equipment and a method applied to an inhalation exposure system, wherein the main controller comprises a micro control unit, an air source pressure monitoring sensor, a generator airflow switch electromagnetic valve, a generator mass flow controller, a diluent gas switch electromagnetic valve, a diluent gas mass flow controller, a sampling pump, a sampling mass flow controller, an exposure cavity environment monitoring unit communication interface, a waste gas treatment device communication interface, an aerosol concentration monitoring device communication interface and an upper computer communication interface which are all connected with the micro control unit. Compared with the prior art, the invention integrates a plurality of switching solenoid valves, the mass flow controller, the pressure sensor and the main controller of the sampling pump, so that the external pipeline and the electrical connection of the whole suction exposure system are greatly simplified, and the assembly, the debugging and the maintenance of the system in a laboratory are simpler and easier.)

一种应用于吸入暴露系统的主控制器、设备及方法

技术领域

本发明涉及一种吸入暴露系统，尤其是涉及一种应用于吸入暴露系统的主控制器、设备及方法。

背景技术

吸入暴露系统是一种实验室设备，用于吸入给药或吸入毒理的研究。呼吸系统是氧气进入人体的主要途径，药物或毒性物质也可以通过呼吸系统进入人体。吸入暴露系统，就是在实验室条件下以可控的方式让实验动物吸入药物或毒性物质，进行药物安全性和有效性或毒理作用等方面的研究。

吸入暴露系统通常由发生器、监测与控制部分、暴露腔体、以及废气处理等几个部分组成。实验药物以粉尘形式，或溶于液体之后以溶液形式，在发生器中生成粉尘气溶胶或液体气溶胶，或挥发为气体进入暴露腔体，以供实验动物吸入。

在实验过程中，药物剂量(气溶胶浓度、流量)的控制、暴露腔体内气流平衡的控制、实验时间的控制、暴露腔环境参数(氧气、二氧化碳浓度、温湿度、暴露腔体内的压力等)的监测，以及气溶胶采样分析等等，需要一套自动化系统来完成。这套自动化系统就是吸入暴露系统的监测与控制部分。

目前吸入暴露系统的监测与控制都是以工控机为主控制器，暴露腔环境参数监测使用的各个传感器、稀释气流量控制器、发生器气流流量控制器、采样控制器，以及控制暴露腔内气流平衡的排气泵等外部功能部件都必须通过各种变送器或通讯转换器最终以USB接口的形式接入工控机。

由于暴露系统的监测和控制功能较为复杂，这种用工控机充当吸入暴露系统的主控制器的方案，具有以下几方面的缺陷：

1、整个系统组装和调试非常繁琐，外部管路和线缆连接关系复杂，容易造成某个环节的故障。

2、工控机对于暴露系统控制功能而言并非专用控制系统，主机上通常运行桌面操作系统，存在大量的与吸入暴露无关的进程，长时间运行后系统的流畅性和稳定性难以保证。

3、本应该运行用户操作界面的上位机充当了主控制器，不易实现操作界面远程化。对于某些对人体有危害甚至是有剧毒的气体暴露实验，上位机操作界面与吸入暴露系统隔离在不同的房间很有必要。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种应用于吸入暴露系统的主控制器、设备及方法，集成了多个开关电磁阀、质量流量控制器、压力传感器、以及采样泵的主控制器使得整个吸入暴露系统外部管路和电气连接得到大幅度简化，系统在实验室的组装、调试以及维护更简易。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种应用于吸入暴露系统的主控制器，包括微控制单元，包括均与微控制单元连接的气源压力监测传感器、发生器压力监测传感器，发生器气流开关电磁阀、发生器质量流量控制器、稀释气开关电磁阀、稀释气质量流量控制器，采样泵和采样质量流量控制器，以及暴露腔环境监测单元通讯接口、废气处理装置通讯接口、气溶胶浓度监测装置通讯接口和上位机通讯接口。

所述气源压力监测传感器和发生器压力监测传感器为模拟信号输出的传感器，所述主控制器还包括依次连接的信号调理电路和AD转换器，所述气源压力监测传感器和发生器压力监测传感器均与信号调理电路连接。

所述AD转换器为微控制单元的片上AD转换器或外置AD转换器

所述气源压力监测传感器和发生器压力监测传感器为数字信号输出的传感器，并通过SPI或I2C接口接入微控制单元。

所述上位机通讯接口采用USB接口或WIFI通讯。

所述主控制器还包括第一收发器，所述发生器质量流量控制器、稀释气质量流量控制器和采样质量流量控制器均通过第一收发器与微控制单元连接。

所述主控制器还包括隔离电路，该隔离电路的一端与微控制单元连接，另一端与暴露腔环境监测单元通讯接口、废气处理装置通讯接口和气溶胶浓度监测装置通讯接口连接。

一种含有上述应用于吸入暴露系统的主控制器的装置，包括主控制器和废气处理装置，所述主控制器通过废气处理装置通讯接口和废气处理装置连接。

一种如上述应用于吸入暴露系统的主控制器的装置的方法，包括：

步骤S1：主控制器启动运行后进入待命状态，执行命令处理任务；

步骤S2：执行命令处理任务执行时，在收到用户下发的实验配置和启动命令后，开启发生器气流开关电磁阀和稀释气开关电磁阀，根据配置设定发生器质量流量控制器、稀释气质量流量控制器和采样质量流量控制器；

步骤S3：启动实验计时，同时激活执行实验中所需的气溶胶浓度控制任务、系统运行参数监测任务和采样任务；

步骤S4：等待实验计时结束或中途退出命令后回到待命状态。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)集成了多个开关电磁阀、质量流量控制器、压力传感器、以及采样泵的主控制器使得整个吸入暴露系统外部管路和电气连接得到大幅度简化，系统在实验室的组装、调试以及维护更简易。

2)以一台运行RTOS的专用装置作为主控制器，软件上没有其他无关进程，长期运行的流畅性和稳定性更有保证。

3)主控制器支持以WIFI方式接入上位机，很方便实现远程操作界面，也方便实现一个操作界面同时管理多台主控制器(同时操作多组吸入暴露实验)。

附图说明

图1为本发明主控制器的硬件框图；

图2为命令处理任务简要流程图；

图3为气溶胶浓度控制任务简要流程图；

图4为系统运行参数监测任务简要流程图；

图5为采样任务简要流程图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种应用于吸入暴露系统的主控制器，是以微控制器(MCU)为核心芯片设计的一台吸入暴露系统专用的主控制器。将可以集成在主控制器上的监测和控制部件尽量集成在一台装置内部，暴露腔内环境参数监测传感器集成为一个单元，排气和废气过滤组成另一台装置，分别以通讯的方式接入主控制器。

如图1所示，包括微控制单元，包括均与微控制单元连接的气源压力监测传感器、发生器压力监测传感器，发生器气流开关电磁阀、发生器质量流量控制器、稀释气开关电磁阀、稀释气质量流量控制器，采样泵和采样质量流量控制器，以及暴露腔环境监测单元通讯接口、废气处理装置通讯接口、气溶胶浓度监测装置通讯接口和上位机通讯接口。

其中，图1中，压力传感器1为气源压力监测传感器，压力传感器2为发生器压力监测传感器，流量控制器1为发生器气流开关电磁阀，流量控制器2为发生器质量流量控制器，流量控制器3为稀释气质量流量控制器，收发器1为第一收发器，电磁阀1为发生器气流开关电磁阀，电磁阀2为稀释气开关电磁阀，通讯总线接口1为暴露腔环境监测单元通讯接口，通讯总线接口2为废气处理装置通讯接口，通讯接口3为气溶胶浓度监测装置通讯接口，USB接口和WiFi网卡为上位机通讯接口。

气源压力监测传感器和发生器压力监测传感器为模拟信号输出的传感器，主控制器还包括依次连接的信号调理电路和AD转换器，气源压力监测传感器和发生器压力监测传感器均与信号调理电路连接。

AD转换器为微控制单元的片上AD转换器或外置AD转换器

在另一个实施例中，气源压力监测传感器和发生器压力监测传感器为数字信号输出的传感器，并通过SPI或I2C接口接入微控制单元。

发生器气流开关电磁阀和稀释气开关电磁阀以及采样泵，均是由MCU的IO信号经驱动电路控制其开关状态，驱动电路通常使用MOS管或达林顿管。

主控制器还包括第一收发器，发生器质量流量控制器、稀释气质量流量控制器和采样质量流量控制器均通过第一收发器与微控制单元连接。

发生器质量流量控制器、稀释气质量流量控制器和采样质量流量控制器通常可以支持以模拟量信号接入MCU，也可以支持以通讯接口的方式接入MCU。如果以模拟量的方式接入，以MCU片上DAC(或片外扩展DAC)输出的电压信号来实现流量的控制，以MCU片上ADC(或片外扩展ADC)来实现流量的测量。

如果以通讯接口的方式接入，大多数流量控制器支持的是RS485或RS422，经收发器芯片接入到MCU的UART接口。

3个通讯接口需采用与对应装置相同的标准接口，RS232，或者RS485，或者CAN总线，或者无线通讯。

主控制器还包括隔离电路，该隔离电路的一端与微控制单元连接，另一端与暴露腔环境监测单元通讯接口、废气处理装置通讯接口和气溶胶浓度监测装置通讯接口连接。

一种含有上述应用于吸入暴露系统的主控制器的装置，包括主控制器和废气处理装置，主控制器通过废气处理装置通讯接口和废气处理装置连接。

基于以上硬件系统，主控制器可以实现发生器气流和稀释气气流流量的实时控制和监测；对气溶胶浓度进行实时闭环控制；对气源压力和发生器压力进行实时监测；根据用户指令要求对暴露腔内气溶胶进行定时定量采样；通过通讯接口获取暴露环境监测单元的实时参数和气溶胶浓度的实时值；与废气处理装置共享暴露腔内压力的实时值。上位机用户界面则通过USB或WIFI对主控制器进行管理。

主控制器软件基于实时嵌入式操作系统(RTOS)开发。在嵌入式软件的支持下，主控制器可以根据用户设定的实验配置，自动控制一个完整的实验过程：控制发生器和稀释气流量，或者在气溶胶浓度实时监测设备在线的情况下通过以上2路流量闭环控制气溶胶浓度；实验过程中按用户的设定对暴露腔内的气溶胶进行定时定量的采样；通过通讯接口获取系统中其他外部装置参数的实时值，并在预定的时间结束实验。另外主控制器还负责保存最近一次实验中系统各项参数的记录值，在实验结束后或下次实验开始前仍可以从主控制器读取最近一次完整的实验记录。这样可以明显提高整个系统的可靠性：实验过程中，如果上位机故障或与主控制器通讯中断，不会影响到当前实验的正常进行。

主控制器软件基于实时嵌入式操作系统，所以是一个多任务系统。如图2所示，主控制器启动运行后进入待命状态：命令处理任务在收到用户下发的实验配置和启动命令后，开启发生器和稀释气电磁阀，根据配置设定流量控制器，启动实验计时，同时激活实验中所需的其它几个任务：气溶胶浓度控制任务、系统运行参数监测任务、采样任务，最后等待实验计时结束或中途退出命令后回到待命状态。

如图3所示，气溶胶浓度控制任务，定时从气溶胶浓度监测设备读取最新浓度数据，并采用PID算法调整发生器气流流量和稀释气气流流量，尽可能将暴露腔内气溶胶浓度保持在用户的指定值。由于气溶胶浓度监测设备探头连续长时间使用时容易被污染，所以本发明的主控制器的一个重要特征是在实验过程中允许浓度监测设备在浓度相对稳定时关闭离线，一段时间后重新上线。其工作原理是，浓度监测设备离线时，主控制器无法获得浓度最新值，此时主控制器保持发生器和稀释气流量不变。当浓度监测设备重新上线时，主控制器恢复PID控制。

如图4所示，系统运行参数监测任务定时从各压力传感器、各流量控制器、暴露环境监测单元、废气处理系统等内外部设备读取系统运行过程中各项参数的最新数据，并按用户配置的周期定时生成记录保存。

如图5所示，采样任务则根据用户配置的采样启动时间，打开采样电磁阀、启动采样泵，控制采样流量进行气溶胶采样，并对采样进行计时直到预定时间，结束采样。