多通道微量注射泵的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：微量注射泵廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)療和生命科學(xué)研究中。旨在開發(fā)一套性能優(yōu)越的自動化送液系統(tǒng)，要求系統(tǒng)具有精度高，能同時聯(lián)動控制多臺注射泵進(jìn)行加減速注射，且計算機(jī)實時控制的特點。使用Microsoft Visual C++6．0開發(fā)工具設(shè)計一款上位機(jī)監(jiān)控軟件，以實現(xiàn)自動化處理。硬件采用ARM+FPGA的組合，充分發(fā)揮FPGA優(yōu)越的邏輯時序功能和并行處理的優(yōu)點。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的高細(xì)分提高了注射精度，應(yīng)用多個傳感器對注射狀態(tài)進(jìn)行檢測，成功實現(xiàn)了智能精密注射和對注射器的保護(hù)。
關(guān)鍵詞：微量注射泵；步進(jìn)電機(jī)；ARM；FPGA；傳感器

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)常使用的一種長時間進(jìn)行微量注射的儀器，這種儀器主要應(yīng)用于動靜脈輸液，輸血和精密化學(xué)實驗?，F(xiàn)今國內(nèi)外微量注射泵的主要問題是精度不高，而且一般只實現(xiàn)單通道勻速注射。而有些場合如食品檢測色譜分析中往往要求勻變速注射試劑。因此設(shè)計勻加速或勻減速注射泵，并且聯(lián)動控制多臺注射泵，實現(xiàn)人機(jī)對話數(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)動模塊、傳感器模塊等4個模塊。

計算機(jī)通過RS 232串口與主控制芯片模塊連接，通過自主設(shè)計的監(jiān)控軟件，可以實時監(jiān)控和管理注射泵的工作狀態(tài)，運行后可以實現(xiàn)全自動化處理。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，傳送給驅(qū)動器模塊，驅(qū)動器模塊里的脈沖分配器把電脈沖信號按規(guī)定的方式分配給電機(jī)各相勵磁繞組，從而帶動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)。與此同時安裝在電機(jī)軸上的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器和壓力傳感器實時監(jiān)控電機(jī)的實際工作情況，由于FPGA具有硬件實時處理的特點，傳感器的數(shù)據(jù)會同步傳給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，則會馬上停止電機(jī)運轉(zhuǎn)并蜂鳴報警，進(jìn)入堵轉(zhuǎn)狀態(tài)；在壓力傳感器測得壓力超過最大限壓時，也會馬上停止電機(jī)工作，且計算機(jī)提示和蜂鳴報警。

2 硬件設(shè)計
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)接口和對外通信并對總的進(jìn)程進(jìn)行管理，F(xiàn)PGA實現(xiàn)并行控制多路步進(jìn)電機(jī)和對傳感器的實時處理。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)處理能力和運算能力。