多通道微量注射泵的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：微量注射泵廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)療和生命科學(xué)研究中。旨在開發(fā)一套性能優(yōu)越的自動(dòng)化送液系統(tǒng)，要求系統(tǒng)具有精度高，能同時(shí)聯(lián)動(dòng)控制多臺(tái)注射泵進(jìn)行加減速注射，且計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制的特點(diǎn)。使用Microsoft Visual C++6．0開發(fā)工具設(shè)計(jì)一款上位機(jī)監(jiān)控軟件，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化處理。硬件采用ARM+FPGA的組合，充分發(fā)揮FPGA優(yōu)越的邏輯時(shí)序功能和并行處理的優(yōu)點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的高細(xì)分提高了注射精度，應(yīng)用多個(gè)傳感器對(duì)注射狀態(tài)進(jìn)行檢測，成功實(shí)現(xiàn)了智能精密注射和對(duì)注射器的保護(hù)。
關(guān)鍵詞：微量注射泵；步進(jìn)電機(jī)；ARM；FPGA；傳感器

0 引言
    微量注射泵是臨床醫(yī)療和生命科學(xué)研究中經(jīng)常使用的一種長時(shí)間進(jìn)行微量注射的儀器，這種儀器主要應(yīng)用于動(dòng)靜脈輸液，輸血和精密化學(xué)實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)今國內(nèi)外微量注射泵的主要問題是精度不高，而且一般只實(shí)現(xiàn)單通道勻速注射。而有些場合如食品檢測色譜分析中往往要求勻變速注射試劑。因此設(shè)計(jì)勻加速或勻減速注射泵，并且聯(lián)動(dòng)控制多臺(tái)注射泵，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話數(shù)據(jù)處理是非常有必要的。

1 系統(tǒng)概述
    如圖1所以，系統(tǒng)可以分為計(jì)算機(jī)軟件控制模塊、主控制芯片模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊等4個(gè)模塊。

    計(jì)算機(jī)通過RS 232串口與主控制芯片模塊連接，通過自主設(shè)計(jì)的監(jiān)控軟件，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理注射泵的工作狀態(tài)，運(yùn)行后可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化處理。主控制芯片模塊由ARM和FPGA以及外圍電路組成，F(xiàn)PGA產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)所需要的電脈沖信號(hào)，傳送給驅(qū)動(dòng)器模塊，驅(qū)動(dòng)器模塊里的脈沖分配器把電脈沖信號(hào)按規(guī)定的方式分配給電機(jī)各相勵(lì)磁繞組，從而帶動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)。與此同時(shí)安裝在電機(jī)軸上的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器和壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)的實(shí)際工作情況，由于FPGA具有硬件實(shí)時(shí)處理的特點(diǎn)，傳感器的數(shù)據(jù)會(huì)同步傳給FPGA，當(dāng)旋轉(zhuǎn)編碼器已經(jīng)停止編碼，而FPGA在發(fā)送脈沖信號(hào)，則會(huì)馬上停止電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)并蜂鳴報(bào)警，進(jìn)入堵轉(zhuǎn)狀態(tài)；在壓力傳感器測得壓力超過最大限壓時(shí)，也會(huì)馬上停止電機(jī)工作，且計(jì)算機(jī)提示和蜂鳴報(bào)警。

2 硬件設(shè)計(jì)
2．1 主控制芯片模塊
    如圖2所示，主控模塊采用ARM和FPGA相結(jié)合的方式。ARM嵌入式處理器主要負(fù)責(zé)人機(jī)接口和對(duì)外通信并對(duì)總的進(jìn)程進(jìn)行管理，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)并行控制多路步進(jìn)電機(jī)和對(duì)傳感器的實(shí)時(shí)處理。其外圍電路包括：液晶模塊、鍵盤輸入模塊、電源模塊、RS 232接口轉(zhuǎn)換模塊、報(bào)警模塊。

    ARM采用意法半導(dǎo)體(ST)公司推出的基于ARMCorrex M3內(nèi)核的STM32F103處理器。它集32位RISC處理器，低功耗、高性能模擬技術(shù)、高速DMA通道及豐富的片內(nèi)外設(shè)、JTAG仿真調(diào)試于一體。在性能上，CorrexM3內(nèi)核采用ARM V7體系結(jié)構(gòu)，指令速度可接近80 MIPS，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和運(yùn)算能力。[!--empirenews.page--]
    FPGA(即現(xiàn)場可編輯門陣列)采用的是Attera公司生產(chǎn)的CYCLONE II系列。EP2C5。FPGA采用獨(dú)特的并行運(yùn)算電路，在一個(gè)控制核心中可以加入多個(gè)控制對(duì)象進(jìn)行獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，控制性能不受到影響，各控制對(duì)象間不會(huì)產(chǎn)生干擾，避免了多對(duì)象實(shí)時(shí)控制中繁瑣的時(shí)序設(shè)計(jì)問題，正好符合設(shè)計(jì)中同時(shí)控制多臺(tái)注射泵的要求，一定程度上提高系統(tǒng)的集成度和抗干擾能力。同時(shí)FPGA具有硬件實(shí)時(shí)處理能力，每個(gè)硬件都例化在FPGA里面，等效于旋轉(zhuǎn)編碼器和壓力傳感器都成為了FPGA的一個(gè)硬件塊，因此，其處理速度會(huì)非?？臁?br /> 2．2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
    步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用三洋公司生產(chǎn)的THB7128驅(qū)動(dòng)芯片，它具有高細(xì)分，大功率的特點(diǎn)。THB7218為雙全橋MOSFET驅(qū)動(dòng)，最高耐壓為DC 40 V，大電流3．3 A(峰值)，具有自動(dòng)半流鎖定功能，內(nèi)置混合式衰減模式。相比其他驅(qū)動(dòng)芯片，該苡片最突出的特點(diǎn)是最高達(dá)到1／128細(xì)分，因此電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)。THB7128電路圖如圖3所示。

2．3 傳感器模塊
2．3．1 旋轉(zhuǎn)編碼器
    本系統(tǒng)的閉環(huán)控制采用了光電式旋轉(zhuǎn)編碼器。經(jīng)過充分的市場調(diào)研，選擇了日本OMRON公司生產(chǎn)的E6A2系統(tǒng)編碼器。它結(jié)構(gòu)簡單，體積小，精度高，響應(yīng)速度快，性能穩(wěn)定，特別在高分辨率和大量程角速率／位移測量系統(tǒng)中，更具優(yōu)越性。旋轉(zhuǎn)編碼器按照信號(hào)和原理分成增量式和絕對(duì)式兩種，本系統(tǒng)采用增量式編碼器。
    它由主碼盤、鑒相盤、光學(xué)系統(tǒng)和光電變換器組成。在主碼盤(光電盤)周邊上刻有節(jié)距相等的輻射狀窄帶，形成均勻分布的透明區(qū)和不透明區(qū)。鑒相盤與主碼盤平行，并刻有a，b兩組透檢測窄縫，它們彼此錯(cuò)開1／4節(jié)距，以使A，B兩個(gè)光電變換器的輸出信號(hào)在相位上相差90°。工作時(shí)，鑒相盤靜止，主碼盤和轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，光投射到主碼盤和鑒相盤上，當(dāng)主碼盤上的透明區(qū)與窄縫對(duì)齊時(shí)，光電變換器輸出電壓最大，當(dāng)不透明區(qū)與窄縫對(duì)齊時(shí)，電壓最小。因此主碼盤每轉(zhuǎn)過一個(gè)刻線周期，光電變換器將輸出一個(gè)近似的正弦波電壓，且變換器A，B相位差為90°。為了判斷碼盤的絕對(duì)位置，還必須設(shè)置一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，即“零位標(biāo)志槽”。碼盤每轉(zhuǎn)一圈，零位標(biāo)志槽對(duì)應(yīng)的光敏元件產(chǎn)生一個(gè)脈沖，稱為“一轉(zhuǎn)脈沖”。
2．3．2 壓力傳感器
    本系統(tǒng)采用電阻應(yīng)變式壓力傳感器。其工作原理是將一種電阻應(yīng)變片粘貼在各種彈性敏感元件上，當(dāng)彈性敏感元件受到外力的作用時(shí)將產(chǎn)生應(yīng)變，電阻應(yīng)變片將應(yīng)變?cè)俎D(zhuǎn)化為電阻的變化，然后電阻變化值通過數(shù)模轉(zhuǎn)換成為壓力變化值。圖4為壓力傳感器的應(yīng)用電路圖，由4個(gè)壓敏電阻組成惠斯通電橋電路，無差壓時(shí)，電橋兩臂平等，差壓信號(hào)加到4個(gè)陶瓷壓敏電阻上時(shí)，壓敏電阻的阻值隨差壓變化，引起電橋失衡。電橋失衡引起電流的變化，通過ADS1242芯片進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再傳至主控芯片。

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3 軟件設(shè)計(jì)
    通過Visual C++6．0開發(fā)工具編寫的上位機(jī)軟件如圖5所示，上位機(jī)通過串口RS 232與主控制芯片模塊連接。軟件分為初始設(shè)置欄、系統(tǒng)狀態(tài)欄、聯(lián)動(dòng)控制欄3個(gè)部分。

    在軟件里設(shè)置初始參數(shù)：開始速度、結(jié)束速度、運(yùn)行時(shí)間、注射器的規(guī)格后，然后點(diǎn)擊運(yùn)行，注射泵即開始工作。工作時(shí)在系統(tǒng)狀態(tài)欄里可查看到當(dāng)前狀態(tài)，如當(dāng)前速度、已注射量、已運(yùn)行時(shí)間、工作狀態(tài)(加速、減速、勻速、停止)，運(yùn)行完畢后蜂鳴器會(huì)長鳴提示。兩臺(tái)注射泵可聯(lián)動(dòng)控制，也可以單獨(dú)控制，目前已做到6臺(tái)聯(lián)動(dòng)控制。
    加減速方法：步進(jìn)電機(jī)的工作原理是每接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(步進(jìn)角)，通過脈沖個(gè)數(shù)和脈沖頻率及可控制電機(jī)的位移和速度。采用階梯曲線來逼近加、減速曲線，如圖6所示為直線(勻加速)的離散化處理，同理可采用離散法離散加、減速指數(shù)曲線和其他曲線。當(dāng)t越小，步進(jìn)電機(jī)的精度越高?？刂泼}沖頻率及控制電機(jī)速度，本系統(tǒng)采用定時(shí)器中斷的方式產(chǎn)生不同頻率的脈沖，實(shí)際上是改變定時(shí)器裝載值的大小。有兩種方法可改變裝載值，一種是查表法，先計(jì)算好各個(gè)階梯的頻率值并換算成定時(shí)器的裝載值，把它做成表；另外一種就是在每個(gè)階梯運(yùn)算期間，主程序計(jì)算好下一階梯的裝載值，因此這要求處理器有足夠的資源和處理速度，本系統(tǒng)由于采用STM32F103處理器，具有足夠的處理速度和運(yùn)算能力，所以采取這種方法。

4 結(jié)語
    本文闡述了將先進(jìn)電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)綜合應(yīng)用于注射泵系統(tǒng)的研究與開發(fā)，設(shè)計(jì)了具有勻加減速注射功能的注射泵，并且可以聯(lián)動(dòng)控制多臺(tái)注射泵工作，利用計(jì)算機(jī)良好的人機(jī)對(duì)話界面和數(shù)據(jù)處理功能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于湖南師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院島津?qū)嶒?yàn)室的色譜分析樣品前處理系統(tǒng)中。勻加減速注射泵目前在國內(nèi)尚無上市產(chǎn)品，該系統(tǒng)具有廣泛的市場前景。