基于FPGA的高可靠全自動加樣器

　　1 系統(tǒng)方案

　　智能加樣器系統(tǒng)以FPGA為控制核心，通過控制步進(jìn)電機(jī)的運動，結(jié)合到位傳感器，控制整個設(shè)備機(jī)械平臺的正常運轉(zhuǎn);通過處理液位傳感器信號和控制泵閥一體模塊，實現(xiàn)加樣功能;同時，采用無線網(wǎng)絡(luò)與安卓手機(jī)通訊，將安卓手機(jī)作為無線控制終端和數(shù)據(jù)顯示平臺。系統(tǒng)的設(shè)計方案如圖1所示。

　　為了提高系統(tǒng)加樣速率與效率，設(shè)計了以試管架作為加樣單位的加樣方式。如圖2所示，系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)帶動機(jī)械推臂和行車，實現(xiàn)試管架在進(jìn)樣倉、加樣區(qū)與出樣倉之間的推動轉(zhuǎn)移，并在加樣區(qū)實現(xiàn)對試管的依次加樣。這種新型的加樣方式在進(jìn)行大批量加樣時具有顯著優(yōu)勢，便于操作和試管的置取。

　　2 電機(jī)控制

　　電機(jī)平穩(wěn)、流暢的運行是保證系統(tǒng)可靠、自動化運行的基礎(chǔ)，為了更好的進(jìn)行電機(jī)的控制與精準(zhǔn)的位置調(diào)整，結(jié)合電機(jī)的步進(jìn)角、轉(zhuǎn)矩、動力能力和工作頻率，選用STH-39D型兩相混合步進(jìn)電機(jī)，最小步進(jìn)角為1.8°，帶動機(jī)械行車前進(jìn)最小距離為3mm，充分滿足設(shè)計要求。

　　為了確保電機(jī)運行的速度與平穩(wěn)度，選用THB6128專用電機(jī)驅(qū)動芯片為電機(jī)提供驅(qū)動動力，該芯片僅需輸入Step信號即可實現(xiàn)步進(jìn)勵磁。在FPGA中設(shè)計了步進(jìn)電機(jī)控制模塊，模塊框圖如圖3所示。電機(jī)控制模塊的主要功能是輸出使能和步進(jìn)脈沖信號，分別控制系統(tǒng)的5個電機(jī)實現(xiàn)加減速運動。

　　為了確保電機(jī)的流暢運行，選擇經(jīng)典的7段式S型運動曲線如圖4所示，控制加速度連續(xù)變化，從而避免步進(jìn)電機(jī)在啟停階段的沖擊過大，防止步進(jìn)電機(jī)的卡頓和丟步現(xiàn)象。

　　3 液位探測

　　自動液位探測是系統(tǒng)自動化和精確加樣的保證。在加樣針的尖端設(shè)置電容式液位傳感器。當(dāng)針尖接觸到液面時，電容值發(fā)生將發(fā)生跳變，利用555振蕩器將電容值的變化轉(zhuǎn)化為輸出的脈沖信號周期的變化。將脈沖信號輸入FPGA的液位傳感器信號處理模塊，進(jìn)行濾波處理與跳變判斷，從而實現(xiàn)液位探測。

　　液位探測信號處理模塊使用均值濾波的方法過濾干擾，設(shè)置采樣周期為T(1)、T(2)…T(n)，將連續(xù)5點的均值作為當(dāng)前環(huán)境值T’(i)，如下式所示：