基于FPGA的高可靠全自動加樣器

　　4 泵閥模塊

　　系統(tǒng)采用獨立的泵閥一體模塊來實現(xiàn)高精度的微量加注，該模塊采用注射式加樣，其原理與普通醫(yī)用注射器一致，當注射桿推進H行程時，加樣體積為：

　　其中D為注射器直徑，V為加樣體積，可知，當注射器的直徑一定時，可以通過控制注射桿的拉動行程來精確控制每次加樣的體積，從而實現(xiàn)對加樣量的控制。

　　泵閥一體模塊以單片機為控制核心，采用高精度步進電機帶動螺旋傳動裝置實現(xiàn)注射器的推拉。結(jié)合(3)式和步進電機的參數(shù)，可以得到系統(tǒng)的加樣分辨率為(4)式所示，其中n為電機的細分度，l為電機導程。最終，由加樣分辨率可以得到脈沖頻率與電機加樣速度的關(guān)系如(5)式所示。

　　除了采用步進電機改變加樣液體體積，模塊還采用三通電磁閥改變加樣裝置中的液體流向，從而實現(xiàn)對液體的精確吸吐。控制系統(tǒng)框圖如圖5所示，通過開環(huán)控制與反饋機制相結(jié)合實現(xiàn)模塊功能。在自動加樣系統(tǒng)中，泵閥一體模塊通過串口與FPGA進行通信，模塊的軟件總流程如圖6所示。

　　5 無線控制

　　為了進一步減少在加樣過程中與有害液體的接觸，同時實現(xiàn)對加樣器更為靈活的控制，系統(tǒng)將安卓手機作為加樣器的無線控制端。FPGA通過配置以太網(wǎng)控制芯片DM9000，與安卓手機建立基于ARP和UDP的服務(wù)器/客戶機模型，其中FPGA作為服務(wù)器，手機作為客戶端。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信流程圖如圖7所示。

　　手機無線控制端的主要功能是對儀器進行無線控制和系統(tǒng)監(jiān)視。發(fā)送的控制信息主要包括儀器自檢、開啟、暫停、恢復、關(guān)機、周保養(yǎng)以及試管架總數(shù)和加樣量等。接收信息主要包括儀器運行狀態(tài)和液位信息。

　　6 系統(tǒng)測試

　　設(shè)計完成后，對系統(tǒng)的加樣精度及加樣速度進行了測試，得到系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。使用STP高精度電子秤，通過加樣量20ul和50ul的實測值，對系統(tǒng)精度進行測試，得到加樣精準度數(shù)據(jù)如表2所示。