全自動加樣控制系統(tǒng)的設(shè)計

魏厚杰

中南民族大學生物醫(yī)學工程學院 （武漢 430074）

全自動加樣控制系統(tǒng)的設(shè)計

魏厚杰

中南民族大學生物醫(yī)學工程學院 （武漢 430074）

在醫(yī)學、化學和生物學等領(lǐng)域的試驗中，實驗人員經(jīng)常需要對各種液體進行重復、精確的加樣操作。目前，該操作主要依靠手工，或是進口的先進儀器。本文作者設(shè)計了一種基于“S3C2440微處理器平臺和TA8435步進電機驅(qū)動模塊”的全自動加樣器電子控制模塊，并給出了該系統(tǒng)的軟硬件的詳細結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)對預(yù)設(shè)目標進行預(yù)設(shè)容量、加樣次數(shù)的操作，并具有操作界面友好、結(jié)構(gòu)簡單可靠等特點，可廣泛運用于醫(yī)學、化學和生物學等領(lǐng)域的精確液體體積測量，減少實驗人員的重復勞動，提高加樣精度。

步進電機驅(qū)動 嵌入式系統(tǒng) 加樣

0.引言

隨著微控制器和嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，為設(shè)計高智能程度的設(shè)備、儀器打下了堅實的基礎(chǔ)。基于嵌入式芯片的控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，其中生化、分析領(lǐng)域亦是如此。加樣器是生化、分析領(lǐng)域經(jīng)常使用的基本儀器，廣泛應(yīng)用于臨床檢驗、制藥、生命科學研究、動植物檢驗檢疫和研究等。目前，國內(nèi)生化、分析領(lǐng)域依然大量使用手工加樣儀器或購買國外先進電子設(shè)備。也有國內(nèi)開發(fā)的加樣器，但控制芯片仍以8位或16位單片機為主[1～2]，存在操作界面不夠人性化，用戶無法對其復雜編程的缺點。為此，本文提出了一種新型智能加樣器的設(shè)計方法，主控器采用S3C2440微處理器，步進電機驅(qū)動采用TA8435，設(shè)備具有操作界面友好、結(jié)構(gòu)簡單可靠等特點。

1.總體設(shè)計

圖1. 整機原理框圖

系統(tǒng)采用三星公司的S3C2440嵌入式處理器（帶Wince 5.0操作系統(tǒng)）和TA8435步進電機驅(qū)動芯片。S3C2440使用ARM920T內(nèi)核，主頻是400MHz，具有包括GPIO、PWM、LCD接口、SD接口等豐富的外設(shè)資源。

整個系統(tǒng)通過觸摸屏接收加樣任務(wù)序列。系統(tǒng)根據(jù)具體任務(wù)，向GPIO發(fā)出相應(yīng)的控制信號，控制TA8435驅(qū)動三路電機，使得加樣頭運行至預(yù)定位置，然后，向PWM發(fā)出相應(yīng)的控制信號，精密控制TA8435驅(qū)動三路電機，完成加樣動作。同時，LCD上實時顯示當前的加樣狀態(tài)。另外，加樣任務(wù)序列可以以文本的形式保存至系統(tǒng)的flash rom，也可通過SD或USB接口上傳或下載。該加樣器電子控制系統(tǒng)的整機原理如圖1所示。

2.硬件設(shè)計

2.1 步進電機驅(qū)動模塊

圖2. TA8435原理框圖

步進電機驅(qū)動模塊采用Toshiba公司的TA8435芯片。該芯片是驅(qū)動二相步進電機的專用芯片，集成度高，具有以下特點：①工作電壓范圍寬(10～40 v)；②輸出電流可達1.5 A(平均)和2.5 A(峰值)；③具有整步、半步、1/4細分、1/8細分運行方式可供選擇；④采用脈寬調(diào)制式斬波驅(qū)動方式；⑤具有正/反轉(zhuǎn)控制功能；⑥帶有復位和使能引腳；⑦可選擇使用單時鐘輸入或雙時鐘輸入。[3]

從圖2可以看出，TA8435主要由1個解碼器、2個橋式驅(qū)動電路、2個輸出電流控制電路、2個最大電流限制電路、1個斬波器等功能模塊組成。

其中，M1、M2的輸入電平?jīng)Q定電機的運行方式，實際運用中均置為高電平，電機運行在1/8細分狀態(tài)；CW/CCW高低電平?jīng)Q定電機轉(zhuǎn)動方向，實際運用中需根據(jù)實際情況，將該引腳的電平置低或者置高；CK1、CK2為時鐘信號輸入端，改變該信號的頻率即可改變電機轉(zhuǎn)速；RESET和ENABLE分別為芯片復位信號和使能信號，低電平有效；OSC腳接OSC電容，根據(jù)芯片手冊公式：fosc=1/5.15/Cosc（kHz）（Cosc：uF）決定其斬波器頻率；REF_IN置高或置低，決定芯片輸出的最大電流；Vcc為數(shù)字電源輸入，接+5V；Vma為數(shù)字電源輸入，接+12V； A、A-接電機一相的兩個引腳；NF引腳控制步進電機輸入電流，接0.8歐姆、2W電阻到地（B相與A相對稱，不再贅述）。

2.2 處理器模塊

處理器模塊由最小系統(tǒng)板和外圍回路兩部分組成。最小系統(tǒng)板采用S3C2440芯片作為CPU，外部采用K4S561632C-TC75芯片實現(xiàn)64MB的SDRAM，采用K9F1G08實現(xiàn)256MB容量的NAND FLASH，采用SST39VF1601實現(xiàn)NOR FLASH，為應(yīng)用開發(fā)提供了足夠的空間[4]。其原理見圖3。

圖3. S3C2440最小系統(tǒng)原理框圖

外圍回路包括控制信號輸出單元、數(shù)據(jù)接口單元、觸摸顯示單元以及電源單元，原理見圖4。

2.2.1 信號輸出單元

如2.1所述，只需一個時鐘輸入和若干個電平輸入，即可控制一路電機驅(qū)動。S3C2440片內(nèi)資源中，定時器0～3可作為時鐘輸出的端口，GPIO可作為時鐘輸出端口也可作為電平輸出端口。將S3C2440時鐘輸出端接至TA8435的CK端，電平輸出端接至TA8435的CW/CCW端，即完成處理器模塊和電機驅(qū)動模塊的連接。

圖4. 外圍回路原理框圖

2.2.2 數(shù)據(jù)接口單元（SD、USB）

SD卡是一種包含了控制和大容量Flash存儲器的標準器件，具有容量大、體積小、性能高、攜帶方便等優(yōu)點，已廣泛運用于許多電子產(chǎn)品中。USB，即通用串行總線，是連接計算機系統(tǒng)與外部設(shè)備的一個串口總線標準，被廣泛應(yīng)用于個人電腦和移動設(shè)備等信息通訊產(chǎn)品，具有支持熱插拔、傳輸速率高等特點。在S3C2440片內(nèi)集成了這兩種接口模塊，通過簡單的外圍接口回路，即可實現(xiàn)該兩種接口。

2.2.3 觸摸顯示單元

觸摸顯示單元采用S3C2440自帶的LCD控制器。該控制器可支持256K色的TFT液晶屏，并有專門的DMA通道。具體連線請參考芯片手冊。

3.軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件采用Wince 5.0作為其操作系統(tǒng)，軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示[5]。

軟件設(shè)計可分為：底層驅(qū)動代碼的移植、電機驅(qū)動的編寫和用戶界面的開發(fā)。

3.1 底層驅(qū)動的移植

如前文所述，需要修改BSP中IO口的相關(guān)代碼。打開BSP目錄中的mini2440SrcDriversIOdriveIODriver.cpp文件，在IO初始化函數(shù)——LEDGpioInit()中加入所需要的IO口定義代碼，如“s2440IOP->rGPBCON = (s2440IOP->rGPBCON &～(3 << 10)) | (1<< 10);”寫IO的代 碼， 如“s2440IOP->rGPBDAT=s2440IOP->rGPBDAT|(0x1<<5);”。重新編譯Wince內(nèi)核，即可生成所需的內(nèi)核文件NK.bin。

3.2 電機驅(qū)動函數(shù)編寫

在wince架構(gòu)下，編寫應(yīng)用程序，調(diào)用底層驅(qū)動即可完成對步進電機的控制?？刂齐姍C的示例代碼如下所示：

3.3 用戶界面的開發(fā)

用戶界面采用VS2005軟件開發(fā)，界面如圖6所示。

“加樣器狀態(tài)圖”方塊中的每個復選框均代表一個可加樣的點位?！斑x中”表示該點位待加樣，“未選”表示該點位無需加樣。

“加樣器方案設(shè)置”方塊中設(shè)置具體的加樣任務(wù)——選擇需要加樣點位的序號，輸入加樣體積和加樣的次數(shù)，點擊“添加”按鈕即可完成加樣任務(wù)的添加。同樣，如需刪除某些加樣點位，在“序號”中選中該點位，點擊“移除”按鈕即可。

點擊“查看任務(wù)”，以對話框的方式彈出系統(tǒng)目前記錄的加樣任務(wù)；點擊“保存任務(wù)”，系統(tǒng)以文本的方式保存現(xiàn)有任務(wù)；點擊“加載任務(wù)”，系統(tǒng)可加載符合系統(tǒng)特定格式要求的文本文件。點擊“提交任務(wù)”，系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)任務(wù)，開始自動執(zhí)行加樣操作。

3.結(jié)束語

本文所設(shè)計的電子系統(tǒng)配合相應(yīng)的機械部分，已經(jīng)構(gòu)成一套完整的自動化加樣系統(tǒng)，并通過樣機測試。該系統(tǒng)可按照預(yù)設(shè)任務(wù)，進行無人值守的加樣作業(yè)，也可在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加多路加樣功能、網(wǎng)絡(luò)控制功能，以形成系列產(chǎn)品。

[1]金海龍. 智能多路加樣器的開發(fā). 燕山大學學報， 2001, 25(3):252-254

[2]關(guān)學忠, 胡松. 單片機與TA8435的步進電機細分控制.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用, 2006, 5:76-80

[3]toshiba Corp. TA8435H/HQ datasheet http://www.toshiba.com/taec/components2/Datasheet_Sync//382/3537.pdf . 2010

[4]廣州友善之臂科技有限公司. Micro2440用戶手冊, 2009

[5]張冬泉, 譚南林, 蘇樹強. Windows CE實用開發(fā)技術(shù)（第2版）. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2008

Design for Automatic Control System of Sampling

WEI Hou-jie
South-Central University for Nationalities (Wuhan 430074)

In medicine, chemistry, biology and other fields of study, laboratory personnel often need to repeat a variety of liquids, accurate pipetting operations. Currently, the operation mainly relies on the manual operation, or the import of foreign advanced equipment.So the automatic pipettes & electronic control module is designed based on "S3C2440 microprocessor platform and TA8435 stepper motor drive module". The system gives the detailed structure of the hardware and software. The system can be preseted for the target capacity, the number of sample operations, and has a friendly interface for users. Its con figuration is simple and reliable,and can be widely used in medicine, chemistry, biology.

stepper motor driver,embedded systems,pipette

1006-6586(2011)12-0019-05

：R857.2

：A

2011-06-15

魏厚杰，碩士研究生