基于HMI多通道注射泵控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

沈亞斌 ，張晨東 ，趙 濤

（1.南京工程學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院，南京 211167；2.南京商典得科技有限公司，南京 210049）

微量注射泵是臨床醫(yī)療和生命科學(xué)研究、試劑生產(chǎn)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)用于靜脈輸液、給藥和精密化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的試劑加注，也可廣泛應(yīng)用于藥理學(xué)、生物學(xué)、基因工程、環(huán)境工程等實(shí)驗(yàn)、研究、生產(chǎn)領(lǐng)域中。通過(guò)與微機(jī)進(jìn)行通訊，使藥液以實(shí)驗(yàn)規(guī)劃所設(shè)定的速度曲線(xiàn)注射入實(shí)驗(yàn)標(biāo)本，所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。此外，在試劑生產(chǎn)中，通過(guò)生產(chǎn)線(xiàn)上位機(jī)的指令，使藥液按照設(shè)定的速度、數(shù)量注入試管中，大大提高生產(chǎn)效率[1-2]。注射泵在歐美國(guó)家已得到廣泛的應(yīng)用，其技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，對(duì)其研究也比較深入，如文獻(xiàn)[3]采用了直線(xiàn)步進(jìn)電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，使機(jī)械傳動(dòng)部分大大簡(jiǎn)化。而國(guó)內(nèi)則處于發(fā)展和推廣階段，現(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；為了提高生產(chǎn)效率，有時(shí)需要一次同時(shí)對(duì)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行試劑加注。

本文采用美國(guó)TECAN Cavro XLP6000注射泵模塊，通過(guò)基于RS485的觸摸屏控制器、同步控制器，設(shè)計(jì)了多通道微量注射泵控制系統(tǒng)，聯(lián)動(dòng)控制多臺(tái)注射泵，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話(huà)與數(shù)據(jù)處理，使之成為數(shù)字化、集成化、自動(dòng)化的新型高效、精密加樣儀器。

1 注射泵結(jié)構(gòu)與工作原理

Cavro XLP6000微量泵是一種開(kāi)放式、可完全編程的高精度流體控制模塊，專(zhuān)用于50 μL～25 mL范圍內(nèi)液體濃度和劑量的精確控制。該泵具有2種泵入/注射分辨率：6000增量和48000增量在整個(gè)量程范圍內(nèi)，其誤差≤0.05%，并且整個(gè)量程所需的注射時(shí)間可通過(guò)控制命令設(shè)置在1.2 s～160 min范圍內(nèi)。此外，該泵還具有自診斷、自測(cè)試及自動(dòng)故障報(bào)告功能[4]。

圖1為XLP6000注射泵模塊結(jié)構(gòu)示意圖。主要由注射管、注射活塞、可控閥門(mén)、注射推進(jìn)步進(jìn)電機(jī)、閥控步進(jìn)電機(jī)及控制電路組成。注射活塞通過(guò)泵底部的注射推進(jìn)電機(jī)和一根絲桿驅(qū)動(dòng)，其行程為60 mm，分辨率為6000增量和48000增量。

圖1 XLP6000注射泵模塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Block diagram of XLP6000 syringe pump

注射電機(jī)通過(guò)同步皮帶傳動(dòng)與螺紋絲杠相連，螺紋絲杠上的滑動(dòng)塊連接注射器推注柄，實(shí)現(xiàn)注射器的推動(dòng)。通過(guò)同步皮帶帶動(dòng)絲杠機(jī)構(gòu)，推動(dòng)注射器，使其按設(shè)定的速率運(yùn)行，完成注射過(guò)程。而其最終步進(jìn)數(shù)由電子編碼器檢測(cè)?？煽亻y門(mén)由泵頂部的閥控電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可通過(guò)命令將其設(shè)置3端、4端、分布式3端、分布式4端等各種類(lèi)型，并且分配輸入輸出端口，以便適應(yīng)不同的應(yīng)用，并且閥門(mén)由閥電機(jī)帶動(dòng)，控制注射泵進(jìn)行出液和進(jìn)液。

注射泵模塊是系統(tǒng)構(gòu)成的基礎(chǔ)，除了要完成注射、進(jìn)輸?shù)墓δ芡?，還通過(guò)通訊接口與上位機(jī)相連。系統(tǒng)工作時(shí)，首先上位機(jī)將各輸液參數(shù)通過(guò)通訊總線(xiàn)發(fā)送給相應(yīng)的單泵模塊，注射泵系統(tǒng)將接收到的各設(shè)定值保存在E2PROM。因此在不改變?cè)O(shè)置的情況下，注射泵模塊可以脫離上位機(jī)獨(dú)立工作。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多通道微量注射泵控制系統(tǒng)主要包括多套注射泵（最多達(dá)15套）、HMI、同步控制器、電源等組成。其系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Functional block diagram of the control system

電源模塊提供給注射泵模塊（24 V直流）、觸摸屏及同步控制器所需的控制電源。由于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的電磁環(huán)境比較惡劣，電源需要較強(qiáng)的EMI性能[5]。HMI通過(guò)RS485總線(xiàn)與各單泵通訊，主要完成人機(jī)對(duì)話(huà)和系統(tǒng)監(jiān)控功能。考慮到生產(chǎn)線(xiàn)比較惡劣的電磁環(huán)境，當(dāng)控制參數(shù)通過(guò)HMI下載到各注射泵后，HMI可以脫離注射泵系統(tǒng)，此時(shí)采用同步控制器同步控制注射泵的工作，根據(jù)生產(chǎn)線(xiàn)主機(jī)的控制命令，來(lái)同步啟動(dòng)或停止多臺(tái)注射泵，完成多通道藥液的同步加注。

2.2 HMI設(shè)計(jì)

HMI主要功能為向每個(gè)注射泵發(fā)送工作參數(shù)，如注射泵排液速度、排出液體體積、工作次數(shù)（自動(dòng)計(jì)算出）、吸液速度、吸液體積、泵工作狀態(tài)輸出（固定）等。2個(gè)參數(shù)可以在HMI上編輯（排液速度和排液體積），完成后發(fā)送至每個(gè)注射泵。注射泵接收參數(shù)，在收到啟動(dòng)信號(hào)后，即按該參數(shù)的要求工作一次。在不用調(diào)整參數(shù)時(shí)，注射泵保存該參數(shù)，直到再次接收新參數(shù)為止。

文中的HMI為觸屏，采用320×240點(diǎn)陣5吋屏幕，觸摸控制采用ADI公司生產(chǎn)的4線(xiàn)電阻式觸摸控制器ADS7843。采用STC10F單片機(jī)控制顯示、觸屏工作以及與RS485通訊。HMI電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 觸摸屏控制框圖Fig.3 Principle diagram of touch screen control

4線(xiàn)電阻屏幕，可以示意出2個(gè)電阻，測(cè)量X方向的時(shí)候，將X+，X-之間加上參考電壓，Y-斷開(kāi)，Y+作為A/D輸入，因?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換獲得X方向的電壓，同理測(cè)量Y方向的時(shí)候，將Y+，Y-之間加上參考電壓，X-斷開(kāi)，X+作為A/D輸入，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換獲得Y方向的電壓，之后再完成電壓與坐標(biāo)的換算，整個(gè)過(guò)程類(lèi)似一個(gè)電位器，觸摸不同的位置分得不同的電壓[6]。ADS7843和單片機(jī)的接口如圖3所示，均是數(shù)字信號(hào)，數(shù)據(jù)輸入、輸出、時(shí)鐘輸入為串行方式，最高轉(zhuǎn)換頻率為125 kHz。單片機(jī)中斷系統(tǒng)中將INT0分配給觸摸屏控制器，并且設(shè)定成低電平觸發(fā)，這樣可以檢測(cè)按鍵時(shí)間，可以用按鍵長(zhǎng)短處理不同的功能[7]。單片機(jī)計(jì)算觸點(diǎn)坐標(biāo)落在液晶屏的位置，根據(jù)計(jì)算的結(jié)果判斷執(zhí)行相應(yīng)的功能函數(shù)。使觸摸屏和液晶屏有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，建立一定的邏輯關(guān)系，交互地進(jìn)行信息存取和輸出。

2.3 同步控制器設(shè)計(jì)

圖4給出了同步控制板的電路框圖。同步控制板采用STC10F單片機(jī)為控制核心，輸入信號(hào)均采用光耦隔離輸入，輸出信號(hào)均為繼電器觸點(diǎn)信號(hào)。

圖4 同步控制板電路框圖Fig.4 Principle diagram of synchronous control board

同步控制器的啟動(dòng)信號(hào)來(lái)自生產(chǎn)線(xiàn)上位機(jī)（PLC）的一個(gè)開(kāi)關(guān)量信號(hào)。工作時(shí)同步控制器CPU等待上位機(jī)的啟動(dòng)命令，P1.0口接受到信號(hào)后，CPU的P1.1口發(fā)出應(yīng)答信號(hào)，并由P2口和P3口同步送出多路控制電平，經(jīng)過(guò)ULN2008驅(qū)動(dòng)送到繼電器陣列，以此控制多臺(tái)注射泵同步工作。

在實(shí)際工作時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作情況，并不是每臺(tái)注射泵都需要工作，因此，同步控制板實(shí)時(shí)檢測(cè)每一路注射泵的工作電流，判斷該泵是否上電，如果判斷該泵沒(méi)有上電，則該路控制泵開(kāi)啟信號(hào)無(wú)效。圖4所示電路采用P0口分次讀取多路注射泵電源開(kāi)啟信號(hào)，通過(guò)P1.4～P1.7控制2片74HC573工作。當(dāng)P1.4、P1.7為低電平，P1.5、P1.6為高電平時(shí)，P0讀取上8路注射泵電源開(kāi)啟狀態(tài)；當(dāng)P1.4、P1.7為高電平，P1.5、P1.6為低電平時(shí)，P0讀取下7路注射泵電源開(kāi)啟狀態(tài)。

3 軟件設(shè)計(jì)

多通道注射泵控制系統(tǒng)的軟件分為HMI控制軟件和同步控制板的軟件，同步控制板的軟件相對(duì)簡(jiǎn)單，在此略去。HMI控制軟件包括通訊、觸屏控制、LCD顯示、注射泵控制命令生成及發(fā)布等幾個(gè)模塊。圖5所示為觸屏控制及顯示的流程圖，觸摸屏控制器的軟件采用中斷方式進(jìn)行觸摸區(qū)域的判別、命令和參數(shù)的接收，并可在屏上實(shí)時(shí)顯示相關(guān)參數(shù)和狀態(tài)信息。

圖5 觸屏控制程序流程圖Fig.5 Flow chart of touch screen control

HMI控制軟件另一個(gè)核心是控制命令產(chǎn)生和發(fā)布，根據(jù)觸摸屏輸入的各種控制信息，按照XLP6000注射泵的命令協(xié)議，將輸入的控制信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再依據(jù)通訊協(xié)議通過(guò)RS485發(fā)送至各注射泵。XLP6000與PC機(jī)或其它控制器進(jìn)行通訊時(shí)，有3種通訊方式可供選擇：RS-232、RS-485和CAN總線(xiàn)，XLP6000具有自動(dòng)檢測(cè)通訊方式的功能。本文采用XLP6000 OEM通訊協(xié)議。

表1給出了一段噴涂控制的部分命令代碼。該段命令要求采用10 mL注射管，每次加注41.67 μL藥劑，完成多批次加注。

表1 加注控制命令代碼Tab.1 Instruction code of filling control

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)醫(yī)藥、生物、化工等生產(chǎn)企業(yè)批量加注、噴涂試劑對(duì)注射泵高速高效、高精度的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了采用觸摸屏、同步控制器的多通道微量注射泵控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)XLP6000注射泵控制命令的多層嵌套設(shè)計(jì)與發(fā)送，使多通道的注射泵能實(shí)現(xiàn)同步、精確的加注。該系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試和用戶(hù)使用，達(dá)到了預(yù)期效果，具有較好的市場(chǎng)前景。

[1] 吳澤華，曹偉華，龍尚斌.精密微量注射泵的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（15）：139-141.

[2] 趙清林.醫(yī)用微量輸液泵的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表，2002，17（2）：46-48.

[3] 田建軍.單片機(jī)控制的輸液泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中小型電機(jī)，2004，31（1）：53-55.

[4] Imen Saidi，Lilia EI Amraoui Ouni，Mohamed Bebrejeb.Design of an electrical syringe pump using a linear tubular step actuator[C]//InternationalJouranlofSciencesand Techniquesof Automatic Control&Computer Engineering，2010：1388-1401.

[5] Operating Manual of CavroTM XLP6000 Modular Syringe Pump[M].USA：TeCan System Inc，2004.

[6] 趙濤，劉漢忠，張永號(hào)，等.電流模式控制正激變換器的建模與設(shè)計(jì)[J].電力電子技術(shù)，2013（8）：4-6.

[7] 黃海萍，郭振軍，黃廷磊.四線(xiàn)電阻式觸摸屏控制器的應(yīng)用研究[J].儀表技術(shù)，2007（10）：45-46，50. ■