一、总体硬件架构概览

Thermo Scientific™ HERAcell™ 150i 培养箱的控制器采用分层模块化设计，由上层人机界面板（HMI）、中层主控板（MCU/CPU）、以及下层传感与执行模块构成。系统整体遵循工业自动化典型的“上控—下联—现场”架构，通过内部背板（Backplane）或导轨连接，支持多路信号采集与执行输出。主控板与各从控单元之间通过高速差分总线或 CAN 总线通信，确保实时性与可靠性。

二、核心处理器与实时操作系统

主控板上选用一颗 32-bit ARM Cortex-M7 内核微控制器，主频约 400 MHz，并配有 1 MB Flash、512 KB SRAM，用于运行实时操作系统（RTOS）。RTOS 负责任务调度、定时器管理、中断服务与安全隔离，保证温度、CO₂、湿度等多路闭环控制算法按时执行。Flash 区存放引导引擎（Bootloader）和升级镜像，SRAM 用于实时数据缓存及 PID 运算，非易失性 EEPROM 用于用户设置与报警记录。

三、传感模块与执行单元

1. 传感器接口

• CO₂ 传感器：可选热导式（TC）或双光束红外（IR）模块，输出标准模拟电压或通过 I²C 汇报浓度；

• 温湿度：双 Pt1000 铂电阻温度探头与数字湿度传感器，信号经 24 bit ΔΣ ADC 采样；

• 气流与压力：微差压硅压传感器监控箱内正压及气流速率。

2. 执行模块

• 加热元件：固态继电器（SSR）驱动的硅胶加热带；

• CO₂ 电磁阀：电磁驱动脉冲控制，阀门位置由霍尔效应开关反馈；

• 湿度控制：集成电磁阀与水阀驱动，快速调节水槽补水；

• 风扇与混合驱动：直流无刷风扇（BLDC）由电调（ESC）模块驱动，转速可通过 PWM 精细控制。

四、人机界面与用户交互

HERAcell™ 150i 配备一块定制化的 7 英寸 TFT LCD 触摸屏，分辨率 800×480。触摸控制器基于岛津硅（STMPE811）芯片，支持电容多点。界面板内置独立 MCU（Cortex-M3），负责触摸采集、背光驱动与图形渲染。与主控板通信通过 SPI 总线进行命令与状态交互，并带有心跳检测与故障隔离功能，确保 HMI 挂起时主控决策不中断。

五、通信与网络拓扑

控制器支持多种外部接口：

• 以太网：1 Gbps RJ-45 接口，可接入实验室局域网，支持 DHCP 与静态 IP，软件层采用 lwIP 协议栈与 MQTT/RESTful API；

• USB：USB 2.0 Host，用于 U 盘导出日志或固件升级；

• RS-485/RS-232：用于老旧实验室仪器对接，支持 Modbus RTU；

• Wi-Fi（可选）：内置 802.11 b/g/n 模块，通过 SDIO 总线连接，可作为备用远程控制通道。

六、电源与电源管理

控制器配备开关电源（SMPS），输入范围宽至 100–240 VAC，输出多个 5 V、3.3 V 与 12 V 电压轨，分别为主控 MCU、HMI、传感器及风扇驱动供电。每个电压轨均设有过压、过流、过温保护，并通过 PMIC（电源管理集成电路）监视各路状态。主控板内置电池（RTC 备用电源），断电后可保持系统时钟及关键配置信息，支持半小时以上断电保护。

七、总线与模块化设计

内部通信主要依托两种总线：高速 SPI/CAN 总线用于 HMI 与主控板、主控板与风扇驱动、阀门控制器等关键时延敏感链路；低速 I²C/1-Wire 总线用于环境传感器、门锁状态与辅助 I/O。背板上的插槽实现模块化扩展，用户或维修人员可更换 CO₂ 传感器模块、执行模块或替换主控板，且插拔式连接器确保维护时无需二次布线。

八、EMC 与安全防护

控制器硬件满足 IEC 61010-1 安全标准与 EN 61326 EMC 标准，整机屏蔽箱体和 PCB 采用四层设计，增加接地层（GND Plane）。关键信号线使用差分对布线、走线尽量缩短，并在电源输入处配置 EMI 滤波器。PCB 上信号隔离采用数字隔离器（ISO7741）模块，避免高压加热回路与低压控制回路互相干扰，提升抗干扰能力。

九、硬件测试与校验流程

在出厂前，所有控制器均通过功能验证、环境应力筛选（ESS）与寿命测试：

1. 功能测试：闭环 PID 调节精度、触摸响应、网络通信、USB 读写等；

2. 高低温湿测试：在 –10 ℃～55 ℃及 95% RH 条件下循环试验，检验抗候性能；

3. 老化测试：连续运行 72 h，监控关键部件温升与故障率；

4. EMC 测试：传导骚扰、辐射抗扰度测试，确保实验室环境兼容。

十、维护、诊断与硬件升级

控制器支持在线诊断，通过内置自检（BIST）可监测 ADC 精度、存储设备健康、传感器通信状态，并将报警信息记录在日志。固件可通过 USB 或以太网远程升级，Bootloader 支持双映像验证与回滚。主控板扩展插槽预留 FPGA/ASIC 插件口，未来可追加 O₂ 控制、远程视频监控等功能模块。