多通道微量注射泵的设计与实现

摘要：微量注射泵广泛应用于临床医疗和生命科学研究中。旨在开发一套性能优越的自动化送液系统，要求系统具有精度高，能同时联动控制多台注射泵进行加减速注射，且计算机实时控制的特点。使用Microsoft Visual C++6．0开发工具设计一款上位机监控软件，以实现自动化处理。硬件采用ARM+FPGA的组合，充分发挥FPGA优越的逻辑时序功能和并行处理的优点。步进电机驱动器的高细分提高了注射精度，应用多个传感器对注射状态进行检测，成功实现了智能精密注射和对注射器的保护。
关键词：微量注射泵；步进电机；ARM；FPGA；传感器

0 引言
    微量注射泵是临床医疗和生命科学研究中经常使用的一种长时间进行微量注射的仪器，这种仪器主要应用于动静脉输液，输血和精密化学实验。现今国内外微量注射泵的主要问题是精度不高，而且一般只实现单通道匀速注射。而有些场合如食品检测色谱分析中往往要求匀变速注射试剂。因此设计匀加速或匀减速注射泵，并且联动控制多台注射泵，实现人机对话数据处理是非常有必要的。

1 系统概述
    如图1所以，系统可以分为计算机软件控制模块、主控制芯片模块、步进电机驱动模块、传感器模块等4个模块。

    计算机通过RS 232串口与主控制芯片模块连接，通过自主设计的监控软件，可以实时监控和管理注射泵的工作状态，运行后可以实现全自动化处理。主控制芯片模块由ARM和FPGA以及外围电路组成，FPGA产生步进电机所需要的电脉冲信号，传送给驱动器模块，驱动器模块里的脉冲分配器把电脉冲信号按规定的方式分配给电机各相励磁绕组，从而带动步进电机转子运转。与此同时安装在电机轴上的增量式旋转编码器和压力传感器实时监控电机的实际工作情况，由于FPGA具有硬件实时处理的特点，传感器的数据会同步传给FPGA，当旋转编码器已经停止编码，而FPGA在发送脉冲信号，则会马上停止电机运转并蜂鸣报警，进入堵转状态；在压力传感器测得压力超过最大限压时，也会马上停止电机工作，且计算机提示和蜂鸣报警。

2 硬件设计
2．1 主控制芯片模块
    如图2所示，主控模块采用ARM和FPGA相结合的方式。ARM嵌入式处理器主要负责人机接口和对外通信并对总的进程进行管理，FPGA实现并行控制多路步进电机和对传感器的实时处理。其外围电路包括：液晶模块、键盘输入模块、电源模块、RS 232接口转换模块、报警模块。

    ARM采用意法半导体(ST)公司推出的基于ARMCorrex M3内核的STM32F103处理器。它集32位RISC处理器，低功耗、高性能模拟技术、高速DMA通道及丰富的片内外设、JTAG仿真调试于一体。在性能上，CorrexM3内核采用ARM V7体系结构，指令速度可接近80 MIPS，具有强大的数据处理能力和运算能力。[!--empirenews.page--]
    FPGA(即现场可编辑门阵列)采用的是Attera公司生产的CYCLONE II系列。EP2C5。FPGA采用独特的并行运算电路，在一个控制核心中可以加入多个控制对象进行独立驱动，控制性能不受到影响，各控制对象间不会产生干扰，避免了多对象实时控制中繁琐的时序设计问题，正好符合设计中同时控制多台注射泵的要求，一定程度上提高系统的集成度和抗干扰能力。同时FPGA具有硬件实时处理能力，每个硬件都例化在FPGA里面，等效于旋转编码器和压力传感器都成为了FPGA的一个硬件块，因此，其处理速度会非常快。
2．2 步进电机驱动模块
    步进电机驱动采用三洋公司生产的THB7128驱动芯片，它具有高细分，大功率的特点。THB7218为双全桥MOSFET驱动，最高耐压为DC 40 V，大电流3．3 A(峰值)，具有自动半流锁定功能，内置混合式衰减模式。相比其他驱动芯片，该苡片最突出的特点是最高达到1／128细分，因此电机运转非常平稳。THB7128电路图如图3所示。

2．3 传感器模块
2．3．1 旋转编码器
    本系统的闭环控制采用了光电式旋转编码器。经过充分的市场调研，选择了日本OMRON公司生产的E6A2系统编码器。它结构简单，体积小，精度高，响应速度快，性能稳定，特别在高分辨率和大量程角速率／位移测量系统中，更具优越性。旋转编码器按照信号和原理分成增量式和绝对式两种，本系统采用增量式编码器。
    它由主码盘、鉴相盘、光学系统和光电变换器组成。在主码盘(光电盘)周边上刻有节距相等的辐射状窄带，形成均匀分布的透明区和不透明区。鉴相盘与主码盘平行，并刻有a，b两组透检测窄缝，它们彼此错开1／4节距，以使A，B两个光电变换器的输出信号在相位上相差90°。工作时，鉴相盘静止，主码盘和转轴转动，光投射到主码盘和鉴相盘上，当主码盘上的透明区与窄缝对齐时，光电变换器输出电压最大，当不透明区与窄缝对齐时，电压最小。因此主码盘每转过一个刻线周期，光电变换器将输出一个近似的正弦波电压，且变换器A，B相位差为90°。为了判断码盘的绝对位置，还必须设置一个基准点，即“零位标志槽”。码盘每转一圈，零位标志槽对应的光敏元件产生一个脉冲，称为“一转脉冲”。
2．3．2 压力传感器
    本系统采用电阻应变式压力传感器。其工作原理是将一种电阻应变片粘贴在各种弹性敏感元件上，当弹性敏感元件受到外力的作用时将产生应变，电阻应变片将应变再转化为电阻的变化，然后电阻变化值通过数模转换成为压力变化值。图4为压力传感器的应用电路图，由4个压敏电阻组成惠斯通电桥电路，无差压时，电桥两臂平等，差压信号加到4个陶瓷压敏电阻上时，压敏电阻的阻值随差压变化，引起电桥失衡。电桥失衡引起电流的变化，通过ADS1242芯片进行数模转换，把模拟信号转化为数字信号，再传至主控芯片。

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3 软件设计
    通过Visual C++6．0开发工具编写的上位机软件如图5所示，上位机通过串口RS 232与主控制芯片模块连接。软件分为初始设置栏、系统状态栏、联动控制栏3个部分。

    在软件里设置初始参数：开始速度、结束速度、运行时间、注射器的规格后，然后点击运行，注射泵即开始工作。工作时在系统状态栏里可查看到当前状态，如当前速度、已注射量、已运行时间、工作状态(加速、减速、匀速、停止)，运行完毕后蜂鸣器会长鸣提示。两台注射泵可联动控制，也可以单独控制，目前已做到6台联动控制。
    加减速方法：步进电机的工作原理是每接收到一个脉冲信号，它就按设定的方向转动一个固定的角度(步进角)，通过脉冲个数和脉冲频率及可控制电机的位移和速度。采用阶梯曲线来逼近加、减速曲线，如图6所示为直线(匀加速)的离散化处理，同理可采用离散法离散加、减速指数曲线和其他曲线。当t越小，步进电机的精度越高。控制脉冲频率及控制电机速度，本系统采用定时器中断的方式产生不同频率的脉冲，实际上是改变定时器装载值的大小。有两种方法可改变装载值，一种是查表法，先计算好各个阶梯的频率值并换算成定时器的装载值，把它做成表；另外一种就是在每个阶梯运算期间，主程序计算好下一阶梯的装载值，因此这要求处理器有足够的资源和处理速度，本系统由于采用STM32F103处理器，具有足够的处理速度和运算能力，所以采取这种方法。

4 结语
    本文阐述了将先进电子技术、传感器技术、计算机技术综合应用于注射泵系统的研究与开发，设计了具有匀加减速注射功能的注射泵，并且可以联动控制多台注射泵工作，利用计算机良好的人机对话界面和数据处理功能实现自动化控制。该系统已成功应用于湖南师范大学化学化工学院岛津实验室的色谱分析样品前处理系统中。匀加减速注射泵目前在国内尚无上市产品，该系统具有广泛的市场前景。