多通道微量注射泵的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　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(zhǎng)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)?，F(xiàn)今國(guó)內(nèi)外微量注射泵的主要問(wèn)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(chǎng)合如食品檢測(cè)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(guò)RS 232串口與主控制芯片模塊連接，通過(guò)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(cè)得壓力超過(guò)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。

　　FPGA(即現(xiàn)場(chǎng)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(wèn)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?？?。