FPGA在多孔板自動加樣機控制系統(tǒng)中的應用

劉志剛　李旭宇

摘 要：在自動加樣機系統(tǒng)的運行中，移液嘴從樣品瓶中吸取樣品，再移動到多孔板的每一個試管孔中。移液嘴的三維移動和吸取/釋放樣品動作都是由步進電機來驅(qū)動。因此，文章所研究的自動加樣機控制系統(tǒng)需要控制四個步進電機，在運動過程中要求每一個動作快速、可靠，而且精度高。采用低成本的Cyclone II器件系列的 FPGA芯片作為控制芯片，實現(xiàn)四個步進電機的驅(qū)動。經(jīng)過調(diào)試，該FPGA芯片能夠很好的實現(xiàn)加樣系統(tǒng)對電機的驅(qū)動需求，減少了控制系統(tǒng)的外圍電路，減小了體積。

關鍵詞：FPGA；加樣機；自動控制系統(tǒng)

中圖書分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2012）32-0032-02

FPGA（Field Programmable Gate Array）即現(xiàn)場可編程門陣列，相比于其他的可編程邏輯器件，一片F(xiàn)PGA可以集成幾十萬到上百萬邏輯門，并且其邏輯功能單元不僅限于邏輯門而可以具有較為復雜的邏輯功能，使得芯片功能大幅度加強。FPGA基于SRAM架構，主要由六個基本部分組成，即基本可編程邏輯單元CLB（Configurable Logic Block），可編程輸入輸出單元lOB（I/O Block），嵌入式RAM，豐富的布線資源，底層嵌入功能單元和內(nèi)嵌專用硬核。

Cyclone II器件系列的FPGA芯片是電子市場上大批量應用最優(yōu)的低成本方案，包括消費電子、電信和無線、計算機外設、工業(yè)控制和汽車。Cyclone II器件包含了諸如嵌入存儲器、嵌入乘法器、PLL和低成本的封裝，這些都為諸如視頻顯示、數(shù)字電視、電機驅(qū)動、等批量應用進行了優(yōu)化。其采用硬件描述語言，其大大簡化外圍電路，減少了硬件的體積，節(jié)省了空間。在需要重復精確定位的控制系統(tǒng)中，常采用低成本的步進電機作為執(zhí)行元件。步進電機又稱脈沖馬達，是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為線位移或角位移的電動機，它輸出的角位移與輸入的脈沖數(shù)成正比，控制輸入脈沖數(shù)量、頻率及電動機各相繞組的通電順序，就可以得到各種需要的運行特性。由于它沒有累積誤差，故可用于本文的高精度的加樣系統(tǒng)中。

1 多孔板自動加樣機控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

多孔板自動加樣機的功能是將樣品從樣品瓶吸取后移至多孔板的每一個孔中。它可以廣泛的應用與醫(yī)藥實驗、醫(yī)藥化驗、臨床檢驗、生化實驗等研究領域中。本多孔板加樣機是采用柱坐標的形式實現(xiàn)移液嘴三維移動，即水平面的定位結(jié)構見圖1所示，由一個大臂圍繞固定基座旋轉(zhuǎn)，小臂的一端安裝移液嘴，另一端可圍繞大臂軸旋轉(zhuǎn)。樣品的吸取和釋放通過驅(qū)動注射式加樣器的活塞桿前后運動來實現(xiàn)。移液嘴通過軟管與加樣器連接，實現(xiàn)吸液與釋放液體。故整個加樣系統(tǒng)需要對四個電機進行驅(qū)動控制，即大臂驅(qū)動電機、小臂驅(qū)動電機、上下運動驅(qū)動電機和加樣驅(qū)動電機。在吸取樣品后，大臂電機和小臂電機需要同時驅(qū)動，可加快整個加樣的速度。本文選用Cyclone II器件系列的FPGA芯片通過硬件描述語言的編程，可實現(xiàn)四個電機同時控制的功能，還可大大減少外圍硬件電路的設計，節(jié)省了空間，提高了其可靠性。

1.1 自動控制系統(tǒng)的組成

本文選用的是Cyclone II器件系列型號為EP2C5Q208C8N的芯片作為控制芯片。采用L298的芯片驅(qū)動步進電機?？刂菩酒c驅(qū)動芯片的信號采用光電耦合。

1.2 自動加樣機的控制要求

多孔板自動加樣機的控制要求如下：首先將樣品瓶固定在臺面上一端，將移液嘴對準樣品瓶，調(diào)為零點。按下開始按鈕后，其工作流程為：Z向電機正轉(zhuǎn)，移液嘴下移至樣品瓶底停止→加樣電機正轉(zhuǎn)，注射式加樣器活塞桿拉出，吸取規(guī)定量停止→Z向電機反轉(zhuǎn)，移液嘴上升至零點停止→大臂電機和小臂電機同時轉(zhuǎn)動，使移液嘴移至目標試管孔上方停止→加樣電機反轉(zhuǎn)，將液體加入試管孔后停止→大臂電機和小臂電機同時歸零，使移液嘴重新回到樣品瓶上方后停止。一次循環(huán)結(jié)束。在控制系統(tǒng)中設有緊急停止按鈕，在出現(xiàn)意外情況時可緊急停止。

1.3 自動加樣機控制系統(tǒng)的精確定位控制

本文以加樣電機的控制為例來進行說明。現(xiàn)如今步進電機的制造工藝已經(jīng)非常成熟，其輸出的步距角精度一般控制在3%～5%以內(nèi)，而且不會累積。在本文所述的多孔板自動加樣機的加樣裝置的結(jié)構中，步進電機的輸出通過同步帶帶動滾珠絲桿旋轉(zhuǎn)，使得滾珠螺母連著加樣器的活塞桿實現(xiàn)直線運動。同步帶的傳動比為0.4，滾珠絲桿的導程為2.5 mm。選用的加樣器的滿量程為

2 控制系統(tǒng)的軟件設計

FPGA的編程軟件用的Quartus II 軟件，可以用VHDL語言、Verilog HDL語言、原理圖輸入等編程方式。本文采用VHDL硬件描述語言來編程。在此芯片中的時鐘頻率為20 MHz。以控制加樣電機為例，主要可分為分頻器控制模塊和環(huán)形分配器模塊。通過對時鐘頻率的分頻設計，可以得到20 MHz以下的任意頻率。通過改變分頻器的計數(shù)值，就可以更改輸出頻率，進而改變步進電機的轉(zhuǎn)速。環(huán)形分配器模塊的功能是將分頻器發(fā)送來的脈沖分配給步進電機的各個繞組，實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)動。

步進電機的正反轉(zhuǎn)及停止狀態(tài)取決于大臂、小臂和Z向電機的位置。當Z向電機正轉(zhuǎn)，使用計數(shù)器開始計算發(fā)送的脈沖，脈沖數(shù)到預定值，Z向電機停止，此時移液嘴下降到樣品瓶底，加樣電機起動正轉(zhuǎn)，并用計數(shù)器計算發(fā)送的脈沖數(shù)，分段控制其輸出頻率，實現(xiàn)加減速控制，防止過沖。當大臂和小臂移動到試管孔上方預定位置時，加樣電機反轉(zhuǎn)，同時進行發(fā)送的脈沖計數(shù)，并分段控制其輸出頻率，實現(xiàn)加減速控制。其他三個電機的控制方式類似。

3 結(jié) 語

本自動加樣機的自動控制系統(tǒng)使用低成本的FPGA控制芯片，控制整個加樣機的動作流程，實現(xiàn)了加樣的自動化，簡化了外圍電路的設計，節(jié)省了空間，大大提高了可靠性和精確性，達到了預期的效果。

參考文獻：

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