基于FPGA的高可靠全自动加样器

1 系统方案

智能加样器系统以FPGA为控制核心，通过控制步进电机的运动，结合到位传感器，控制整个设备机械平台的正常运转;通过处理液位传感器信号和控制泵阀一体模块，实现加样功能;同时，采用无线网络与安卓手机通讯，将安卓手机作为无线控制终端和数据显示平台。系统的设计方案如图1所示。

为了提高系统加样速率与效率，设计了以试管架作为加样单位的加样方式。如图2所示，系统由步进电机带动机械推臂和行车，实现试管架在进样仓、加样区与出样仓之间的推动转移，并在加样区实现对试管的依次加样。这种新型的加样方式在进行大批量加样时具有显著优势，便于操作和试管的置取。

2 电机控制

电机平稳、流畅的运行是保证系统可靠、自动化运行的基础，为了更好的进行电机的控制与精准的位置调整，结合电机的步进角、转矩、动力能力和工作频率，选用STH-39D型两相混合步进电机，最小步进角为1.8°，带动机械行车前进最小距离为3mm，充分满足设计要求。

为了确保电机运行的速度与平稳度，选用THB6128专用电机驱动芯片为电机提供驱动动力，该芯片仅需输入Step信号即可实现步进励磁。在FPGA中设计了步进电机控制模块，模块框图如图3所示。电机控制模块的主要功能是输出使能和步进脉冲信号，分别控制系统的5个电机实现加减速运动。

为了确保电机的流畅运行，选择经典的7段式S型运动曲线如图4所示，控制加速度连续变化，从而避免步进电机在启停阶段的冲击过大，防止步进电机的卡顿和丢步现象。

3 液位探测

自动液位探测是系统自动化和精确加样的保证。在加样针的尖端设置电容式液位传感器。当针尖接触到液面时，电容值发生将发生跳变，利用555振荡器将电容值的变化转化为输出的脉冲信号周期的变化。将脉冲信号输入FPGA的液位传感器信号处理模块，进行滤波处理与跳变判断，从而实现液位探测。

液位探测信号处理模块使用均值滤波的方法过滤干扰，设置采样周期为T(1)、T(2)…T(n)，将连续5点的均值作为当前环境值T’(i)，如下式所示：

4 泵阀模块

系统采用独立的泵阀一体模块来实现高精度的微量加注，该模块采用注射式加样，其原理与普通医用注射器一致，当注射杆推进H行程时，加样体积为：

其中D为注射器直径，V为加样体积，可知，当注射器的直径一定时，可以通过控制注射杆的拉动行程来精确控制每次加样的体积，从而实现对加样量的控制。

泵阀一体模块以单片机为控制核心，采用高精度步进电机带动螺旋传动装置实现注射器的推拉。结合(3)式和步进电机的参数，可以得到系统的加样分辨率为(4)式所示，其中n为电机的细分度，l为电机导程。最终，由加样分辨率可以得到脉冲频率与电机加样速度的关系如(5)式所示。

除了采用步进电机改变加样液体体积，模块还采用三通电磁阀改变加样装置中的液体流向，从而实现对液体的精确吸吐。控制系统框图如图5所示，通过开环控制与反馈机制相结合实现模块功能。在自动加样系统中，泵阀一体模块通过串口与FPGA进行通信，模块的软件总流程如图6所示。

5 无线控制

为了进一步减少在加样过程中与有害液体的接触，同时实现对加样器更为灵活的控制，系统将安卓手机作为加样器的无线控制端。FPGA通过配置以太网控制芯片DM9000，与安卓手机建立基于ARP和UDP的服务器/客户机模型，其中FPGA作为服务器，手机作为客户端。系统的网络通信流程图如图7所示。

手机无线控制端的主要功能是对仪器进行无线控制和系统监视。发送的控制信息主要包括仪器自检、开启、暂停、恢复、关机、周保养以及试管架总数和加样量等。接收信息主要包括仪器运行状态和液位信息。

6 系统测试

设计完成后，对系统的加样精度及加样速度进行了测试，得到系统参数如表1所示。使用STP高精度电子秤，通过加样量20ul和50ul的实测值，对系统精度进行测试，得到加样精准度数据如表2所示。