摘要：以用于顯微注射的顯微實驗操作系統為平臺，設計了一種基于STM32的嵌入式低功耗無線手持控制器。控制器是實驗平臺的人機接口，替代了平臺已有的有線控制器，在原設備基礎上增加了無線通訊功能和平臺工作狀態及參數實時顯示功能，彌補了原設備連線復雜、無數據顯示功能等諸多不足。針對系統需求，完成了無線手持控制器的軟硬件設計。測試結果表明：無線手持控制器具有功耗低，無線通訊可靠穩定，用戶界面友好簡潔的特點，提高了顯微實驗的效率和質量，具有較高的實用價值。

顯微注射技術是現代生物工程重要的技術手段之一，廣泛應用在轉基因、試管嬰兒和克隆等細胞工程領域。顯微實驗操作系統是一套完整的用于顯微注射實驗的自動化裝置，它將自動控制、微電子、嵌入式、無線通訊等技術運用到顯微注射實驗中，通過手持控制器和機械手驅動系統實現了顯微注射實驗的數字化和智能化，相比于傳統人工操作，極大的提高了科研工作者的工作效率和工作質量。

手持控制器是顯微實驗系統的人機接口，用戶通過手持控制器將命令發送至機械手驅動系統，由驅動系統控制三軸機械手實現對細胞探針的操作。原實驗系統中的手持控制器采用RS485與驅動系統實現通信，使用時需要操作人員連接供電線纜及通訊線纜，過多的連線不僅使得手持控制器喪失了其使用的便攜性，并且接插件容易松脫為系統增加不可靠隱患。本文設計了一種采用鋰電池電池供電的無線手持控制器，彌補了上述不足，除此之外還增加了LCD顯示功能，實現了機械手工作參數和狀態的實時監控，進一步提高了顯微實驗的自動化程度。

1 無線手持控制器需求分析

采用無線手持控制器的顯微實驗操作系統框圖如圖1所示，根據系統框圖需求可將無線手持控制器功能分為人機接口、板間通訊、鋰電池管理3部分。

1.1 人機接口

原始的有線控制器不具備參數顯示功能，機械手工作參數和狀態無法獲取，特別是XYZ坐標只能通過顯微鏡大致判斷，使用時十分不便。通過增加LCD顯示功能彌補了上述不

足，使得手持控制器成為功能完整的人接機口。用戶可通過按鍵(確定、取消、移動等)實現參數查詢與設置、界面切換等操作。

控制器通過三路光電編碼器實現對機械手XYZ三軸運動的控制，用戶轉動編碼器的方向和速度決定了機械手在相應坐標軸上運動的速度和方向。

1.2 板間通訊

控制器通過無線方式和驅動系統實現通訊。通訊應當可靠，丟包、誤碼、重傳都會導致用戶命令不能及時傳送至驅動系統，機械手因此無法及時響應，從而顯微實驗所需的高分辨率就難以保證，嚴重時還會破壞細胞甚至損壞機械手。另外控制器還保留了RS485有線通訊接口備用。正常使用時，有線和無線通訊距離均不超過2 m，使用環境無強電磁干擾。

1.3 鋰電池管理

無線手持控制器采用3.7 V/2200 mAh鋰電池供電，相比于傳統的鎳鎘電池、鎳氨電池、鉛酸電池，鋰電池具有相同容量下體積小、質量輕;無重金屬元素，對環境污染小等優勢，但是鋰電池對過充電和過放電十分敏感，過充和過放都會對電池造成不可逆的損壞，降低電池壽命，因此需要對鋰電池進行合理的管理和保護。

2 無線手持控制器硬件設計

根據無線手持控制器的功能需求，設計出手持控制器硬件系統框圖如圖2所示。下面對系統中各重要模塊進行說明。

2.1 MCU模塊

MCU選用STM32F103RCT6，該芯片是專為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用所設計的，其主要參數如表1所示。該芯片處理速度快，并集成了多種功能豐富的外設資源，極大的簡化了系統硬件設計，如系統中使用到的通訊接口如：IIC、SPI、USART以及用于電池電壓檢測的ADC都集成在MCU中，省去了外接相應功能的芯片。另外光電編碼器輸出的AB正交脈沖可直接接入MCU，內部的定時器可實現判向、可逆計數、抖動濾波等功能，避免了較為復雜的正交編碼器的接口電路。簡潔的硬件設計，降低了成本，提高了可靠性。

2.2 無線通信模塊

無線收發芯片選擇瑞典NORDIC公司生產的nRF24L01。該芯片工作于2.4～2.5 GHz頻段，該頻段是全球開放的ISM(工業、科學和醫學)頻段，使用者無需申請許可證，給開發者帶來了很大方便。該芯片內集成了增強型“ShockBurst”模式控制器、頻率發生器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器和解調器，MCU通過SPI接口可以對芯片進行靈活的配置。

相比于藍牙、WiFi、ZigBee等其他短距離無線通信方式，nRF24L01具有功耗低、開發簡單、成本低等優勢，特別是在低功耗方面十分適合本控制器的需求，發射功率為0dBm時電流消耗為11.3 mA，接收模式下電流消耗為12.3 mA，待機模式下電流消耗為22μA，無論是收發模式還是待機模式，電流消耗都遠低于上述其余無線通信方式。無線通信模塊電路原理圖如圖3所示。

2.3 鋰電池管理

BQ2057C是美國TI公司生產的先進鋰電池充電管理芯片，該芯片集成了電壓電流調節器、電池溫度監測、充電狀態指示等多種功能，外圍電路簡潔，十分適合本系統的應用需求，電路如圖4所示。

3 無線手持控制器軟件設計

手持控制器的軟件開發采用C語言Keil MDK集成開發環境，它集編碼、編譯、仿真、下載、調試功能于一體，極大提高了軟件開發效率。

根據控制器的功能將軟件劃分為如下六任務：系統初始化、電源管理、指令處理、nRF24L01收發、LCD顯示、鍵盤掃描，如圖5所示。