一、引言

随着实验室自动化水平的提高和用户对操作便捷性、安全性及结果准确性的需求不断增长，台式离心机的智能化功能变得越来越重要。其中，转子记忆功能与自动RCF（Relative Centrifugal Force，相对离心力）计算模块作为核心设计要素之一，能够显著简化用户设置过程并减少人为误差。本文将从功能定位、参数库设计、软件架构、计算算法、用户界面、错误防控、测试验证与维护升级等方面，系统阐述在台式离心机上实现转子记忆与自动RCF计算的设计要点与实施方案。

二、功能目标与需求分析

1. 用户痛点

• 用户常需在不同离心实验间切换不同转子，如固定角转子和水平转子，其半径、最大转速、管量和材料差异显著；

• 面板仅显示转速，用户需要手动查询或换算RCF，易出错；

• 转子型号繁多，手动输入繁琐；

1. 功能定位

• 内置转子参数库：存储常见转子型号的半径、额定转速、最大容量、兼容管径等信息；

• 自动RCF计算：根据转速和转子半径自动换算RCF值，并实时显示；

• 快速模式切换：支持用户自定义常用转子参数，并一键加载；

• 安全限速联动：根据转子参数库中额定转速限制最大可设速度并在界面提示。

三、转子参数库设计

1. 数据结构

• 主键：转子型号（如 FA-45、AngleRotor24）；

• 属性字段：

• 半径r（mm）；

• 额定最高转速rpm_max；

• 额定最大RCF_g_max；

• 孔位数量；

• 兼容管径（φ mm）；

• 制造商与材质；

1. 存储方式

• 嵌入式闪存文件（JSON/XML）：启动时加载，便于固件升级与扩容；

• 支持用户配置文件：SD卡或U盘存储，允许用户导入自定义转子参数；

1. 参数维护

• 固件升级包中附带常见品牌与型号参数；

• 提供PC端或移动端配置工具，管理员可更新或新增转子信息；

四、自动RCF计算算法

1. 计算公式

RCF_g = 1.118 × 10^{-5} × r(mm) × (rpm)^2

其中，1.118×10^{-5}为换算系数，r为转子半径，从转子中心轴到离心管底部中心的距离。

1. 实时计算

• 通过定时器中断或主循环轮询，监测用户设置的转速值；

• 从库中获取对应转子半径，执行浮点乘方运算；

• 结果保留一位小数并避免溢出；

1. 性能优化

• 在资源受限的MCU上，使用查表或定点算法替代浮点运算；

• 预先计算常用rpm值对应的RCF，存储在ROM中；

五、用户界面与交互设计

1. 参数选择

• 联动下拉菜单：列表中显示转子型号、孔位与兼容管径；

• 搜索与过滤：支持型号关键字检索或按孔位数量筛选；

1. 实时反馈

• 在设置面板中并排显示转速rpm与计算后RCF_g数值；

• 当用户调整转速时，RCF随之实时更新；

1. 安全提示

• 若设置rpm超过转子额定rpm_max，界面弹窗警告并阻止启动；

• 若计算RCF_g超过库中额定RCF_g_max，显示红色警示；

1. 自定义与保存

• 常用转子快速收藏：用户可将某型号转子标为“常用”，并一键调用；

• 自定义转子参数输入：提供模板表单，填写r、rpm_max等字段后保存到用户库；

六、固件与模块化架构

1. 软件层次划分

• 驱动层：负责转速采集、显示屏与按键扫描；

• 逻辑层：参数库加载、参数校验、RCF计算；

• 界面层：菜单渲染、用户输入事件处理；

1. 模块接口

• 转速输入接口：接收用户或上位机输入的rpm；

• 参数查询接口：根据型号ID检索参数库；

• 计算接口：输入r和rpm，输出RCF值；

• 警告接口：当输入超限时触发硬件蜂鸣或界面提示；

1. 代码管理

• 使用分层架构与接口定义文件，保持模块解耦；

• 采用版本控制管理固件，参数库更新与内核升级分开打包；

七、错误处理与容错设计

1. 参数缺失或损坏

• 若参数库文件读取失败或内容校验不通过，系统使用默认转子ID并提示用户手动输入r；

• 严重错误时禁止离心启动并要求维护操作；

1. 运算溢出或精度丢失

• 对r值或rpm值范围进行限制：r取值范围10200 mm，rpm 10020000；

• 避免动态内存分配，使用固定缓存区；

1. 用户误操作防御

• 关键操作（如清空用户库、导入参数文件）需长按确认或密码验证；

八、测试验证与质量保证

1. 单元测试

• 校验RCF计算模块在边界rpm值和r值下的结果；

• 验证读取与解析参数库文件的正确性；

1. 集成测试

• 模拟UI操作流程，逐一切换转子、设置rpm并检查RCF显示；

• 在硬件环境下触发限速警告并记录响应时间；

1. 可靠性测试

• 进行高低温循环测试，验证内置库文件在-20℃~60℃环境下不丢失；

• 穿插断电重启测试，确认自动恢复用户常用转子和上次设置；

1. 用户验收

• 编制操作规程与演示视频，邀请目标用户试用并收集反馈；

九、维护与升级策略

1. 参数库更新

• 发布增补包，支持在线或U盘更新；

• 为避免版本冲突，新增字段应向后兼容，升级前备份旧库；

1. 固件升级

• 固件与参数库分离，升级仅替换固件镜像；

• 支持OTA或离线烧录，多重校验防止升级中断；

十、结论

转子记忆功能与自动RCF计算是提升台式离心机智能化水平的关键模块。通过内置完善的转子参数库与高效的计算算法，结合直观易用的用户界面与严谨的错误防控方案，不仅降低了用户操作复杂度，还显著提高了实验安全性与结果一致性。在研发过程中，必须遵循模块化设计、分层测试与持续迭代的理念，确保功能的高可用性与可维护性，为实验室自动化和数字化建设提供坚实支撑。