（机械电子工程专业论文）基于arm技术的微流体驱动控制系统研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g s t u d yo nm i c r o f l u i d i cd r i v i n gc o n t r o ls y s t e mb a s e do n a r m t e c h n o l o g y c a n d i d a t e ：n i n gx u e s u p e r v i s o r ：l i l im u m e c h a n i c a le n g i n e e r i n gs c h o o l a n h u i u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y n o 16 8 ，s h u n g e n gr o a d ，h u a i n a n ，2 3 2 0 01 ，r r c h i n a 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞邀理三太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名：雄日期：超年j 月! 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀堡三太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 安徽理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：裤了 导师鲐鸡萄司 签字b ：2 0 i z6r 5 甚 签字日期：加1 缉多月如 摘要 摘要 驱动控制系统是微流体系统各项应用中的关键设备之一。本文针对现有基 于压电陶瓷的驱动控制系统体积较大、功耗高和输出信号不稳定等缺点，引入 嵌入式设计方法，设计了一种基于a r m 技术的微流体驱动控制系统。该系统以 s a m s u n g 公司3 2 位a r m 9 2 0 t 芯片$ 3 c 2 4 1 0 作为处理器，放大电路部分采用 高压运放器件取代分立器件，不仅克服了驱动控制系统体积大、功耗高的缺点； 且有效的提高了系统的稳定性和可靠性；另外，系统植入嵌入式操作系统l i n u x 平台，选用基于q t e m b e d d e d 的图形系统，方便系统应用软件开发的同时取得 了更好的人机交互效果。 本文简述了微流体驱动控制系统的应用背景及设计要求，并具体设计了系 统的硬件模块和软件模块。系统硬件模块设计主要包括a r m 控制电路模块的设 计、数模转换电路模块的设计以及高压运放电路模块的设计；软件模块设计主 要包括嵌入式操作系统l i n u x 平台的设计、基于q t e m b e d d e d 的图形系统的设 计和实现驱动控制功能的应用软件的设计。 最后，本文从微流体驱动控制系统的性能指标、实际驱动效果和可靠性等 方面对系统进行测试研究，并取得了良好的测试效果。通过测试研究，表明本 文所设计的驱动控制系统具有输出精度高、响应速度快、驱动能力强、稳定性 好和调试方便等优点。 图 4 0 】表 4 参 6 4 关键词：a r m ；微流体；控制系统；l i n u x ；q t e m b e d d e d ； 分类号：t h l l 3 安徽理工大学硕士学位论文 摘要 a bs t r a c t d r i v i n gc o n t r o ls y s t e mi s o n eo ft h ek e ye q u i p m e n to ft h ea p p l i c a t i o no f m i c r o f l u i d i cs y s t e m a c c o r d i n gt ot h ef a u l t so fe x i s t i n gd r i v i n gc o n t r o ls y s t e mw h i c h b a s e do np i e z o e l e c t r i cc e r a m i c ，s u c ha sl a r g es i z e jh i g hp o w e r c o n s u m p t i o n ，u n s t a b l e o u t p u ts i g n a l ，e t c ，t h i sp a p e rd e s i g n e dam i c r o f l u i d i cd r i v i n gc o n t r o ls y s t e mb a s e do n a r m t e c h n o l o g yb yt h ee m b e d d e dd e s i g nm e t h o d f i r s tt h ep r o c e s s o ro ft h i ss y s t e m u s e dt h e3 2b i t sa r m 9 2 0 tc h i ps 3 c 2 410o fs a m s u n g , i to v e r c a m et h ef a u l t so f l a r g es i z ea n dh i g hp o w e rc o n s u m p t i o no fd r i v i n gc o n t r o ls y s t e m s e c o n d ，t h e a m p l i f i e rc i r c u i to ft h es y s t e mc h o s eh i g h p r e s s u r eo p a m pi n s t e a do fs e p a r a t i o n d e v i c e ，i ti m p r o v e de f f e c t i v e l yt h es t a b i l i t ya n dr e l i a b il i t yo ft h es y s t e m f i n a l l y , t h e s y s t e ms u c c e s s f u li m p l a n t e de m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ml i n u xp l a t f o r ma n dc h o s e t h eq t e m b e d d e dg r a p h i c ss y s t e m ，i tn o to n l yc o n v e n i e n tt h es y s t e ma p p l i c a t i o n s o f t w a r ed e v e l o p m e n ta n da c h i e v eab e t t e rh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o ne f f e c t t h i s p a p e rb r i e f l yd e s c r i b e dt h ea p p l i c a t i o n b a c k g r o u n d a n d d e s i g n r e q u i r e m e n t so ft h em i c r of l u i dd r i v ec o n t r o ls y s t e m ，a n ds p e c i f i c a l l yd e s i g n e dt h e s y s t e mh a r d w a r em o d u l e sa n ds o f t w a r em o d u l e s t h es y s t e mh a r d w a r em o d u l e s i n c l u d e da r m s i g n a lg e n e r a t o rm o d u l e ，d am o d u l ea n dp o w e ra m p l i f i e rm o d u l e t h es y s t e ms o f t w a r em o d u l e si n c l u d e st h et r a n s p l a n t a t i o no fe m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e ml i n u xp l a t f o r m ，t h ec o n s t r u c to fq t e m b e d d e dg r a p h i c ss y s t e ma n dt h e d e s i g no fa p p l i c a t i o ns o f t w a r ew h i c hr e a l i z e dt h ed r i v ec o n t r o lf u n c t i o n s f i n a l l y , t h i sp a p e rt e s t e dt h em i c r of l u i dd r i v i n gc o n t r o ls y s t e mf r o mt h es y s t e m p e r f o r m a n c ei n d e x ，t h ea c t u a ld r i v e re f f e c ta n dr e l i a b i l i t y t h et e s tr e s u l ti sg o o d t h r o u g ht h et e s tr e s e a r c h ，i ts h o w st h em i c r of l u i dd r i v i n gc o n t r o ls y s t e mh a sl o t so f a d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g hp r e c i s i o n ，f a s tr e s p o n s e ，d r i v ea b i l i t y ，g o o ds t a b i l i t ya n d c o n v e n i e n td e b u g ，e t c f i g u r e4 0 t a b l e4 r e f e r e n c e6 4 k e yw o r d s ：a r m ；m i c r of l u i d ： c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t h113 c o n t r o ls y s t e m ；l i n u x ；q t e m b e d d e d ； 安徽理工大学硕士学位论文 目录 目录 摘 要i a b s t r a c t i i i 插图清单x i i i 表格清单x v 引 言1 1 绪 论一3 1 1 课题研究背景3 1 2 驱动控制系统的分类4 1 3 国内外研究现状5 1 4 课题来源及主要研究内容6 1 4 1 课题来源6 1 4 2 主要研究内容6 2 系统总体设计一9 2 1 系统总体结构及设计指标9 2 2 系统硬件设计1 0 2 3 系统软件设计10 2 4 本章小结11 3 微流体驱动控制系统硬件设计13 3 1 a r m 控制电路设计13 3 1 1 a r m 控制电路功能1 3 3 1 2 a r m 控制电路主要器件选择1 3 3 1 3 $ 3 c 2 4 1 0 体系结构1 3 3 1 4a r m 控制电路硬件电路1 4 3 2 数模转换电路设计19 3 2 1 数模转换电路功能1 9 3 2 2 电路主要器件选择19 3 2 3 数模转换电路硬件电路2 1 3 3 高压运算放大电路设计2 2 安徽理工大学硕士学位论文 3 3 1放大电路原理2 2 3 3 2 放大电路设计指标2 3 3 3 3高压运放器件的选择2 3 3 3 4 高压运放电路硬件电路2 5 3 3 5 高压运放电路注意事项2 6 3 4 本章小结2 6 4 基于a r m 的嵌入式l i n u x 平台设计2 7 4 1 嵌入式操作系统简介2 7 4 2 嵌入式l i n u x 开发环境的搭建一2 8 4 3 引导程序的移植3 0 4 3 1引导程序的选择3 0 4 3 2 v i v i 的移植3 0 4 4l i n u x 内核的移植3 2 4 4 1 内核的选择3 2 4 4 2 内核的移植3 2 4 5 l i n u x 文件系统的移植3 4 4 5 1 常见文件系统简介3 4 4 5 2 文件系统的制作3 5 4 6 本章小结3 7 5 微流体驱动控制系统软件设计3 9 5 1 基于q t e m b e d d e d 的图形系统的设计3 9 5 1 1 图形用户系统的选择3 9 5 1 2 软件包的选择4 0 5 1 3 宿主机开发环境的建立4 0 5 1 4 目标机开发环境的建立4 2 5 2 微流体驱动控制系统应用软件设计4 2 5 2 1 开发流程介绍4 2 5 2 2 软件需求分析4 3 5 2 3 应用软件的设计4 4 5 3 本章小结5 2 目录 6 系统测试5 3 6 1 性能指标测试5 3 6 2 实际驱动效果测试5 5 6 3 可靠性测试5 6 6 4 本章小结5 6 7 总结与展望一5 7 7 1 论文总结5 7 7 2 论文的主要创新点5 7 7 3 工作展望5 8 参考文献5 9 附录一6 3 致谢6 7 作者简介及读研期间主要科研成果一6 8 安徽理 j 大学硕士学位论文 目录 c o n t e n t s a b s t r a c t i a b s t r a c t i l l i l l u s t r a t i o n sl i s t x i l l f o r ml i s t x v p r e f a c e 1 1 i n t r o d u c t i o n ：； 1 1 s u b j e c tr e s e a r c hb a c k g r o u n d 3 1 2c l a s s i f i c a t i o no f d r i v i n gc o n t r o ls y s t e m 4 1 3c u r r e n tr e s e a r c ha th o m ea n da b r o a d 5 1 4 t o p i cs o u r c ea n dm a i nr e s e a r c hc o n t e n t 6 1 4 1 t o p i cs o u r c e 6 1 4 2m a i nr e s e a r c hc o n t e n t 6 2 s y s t e mo v e r a l ld e s i g n 9 2 1 s y s t e ma r c h i t e c t u r a ls t r u c t u r ea n dd e s i g ni n d e x 9 2 2 s y s t e mh a r d w a r ed e s i g n 1 0 2 3 s y s t e ms o f t w a r ed e s i g n 10 ：! 4 c o n c l u s i o n 11 3h a r d w a r ed e s i g no f m i c r o f l u i d i cd r i v i n gc o n t r o ls y s t e m 1 3 3 1a r mc o n t r o lc i r c u i td e s i g n 1 3 3 1 1f u n c t i o no f a r mc o n t r 0 1c i r c u i t 13 3 1 2m a i nc o m p o n e n ts e l e c t i o no f a r mc o n t r o lc i r c u i t 1 3 3 。1 3 $ 3 c 2 4 1 0s y s t e ms t r u c t u r e 1 3 3 1 4h a r d w a r ec i r c u i to f a r mc o n t r o lc i r c u i 1 4 3 2 d ac o n v e r s i o nc i r c u i td e s i g n 1 9 3 2 1f u n c t i o no fd ac i r c u i t 19 3 2 2m a i nc o m p o n e n ts e l e c t i o no f a r mc o n t r o lc i r c u i to f c i r c u i t 1 9 3 2 3h a r d w a r ec i r c u i to f d ac i r c u i t 一2 1 3 3 h i g hp r e s s u r eo p e r a t i o na m p l i f i e rc i r c u i td e s i g n 2 2 一l x 安徽理工大学硕士学位论文 3 3 1 p r i n c i p l eo f a m p l i f i e rc i r c u i t 2 2 3 3 2 d e s i g ni n d e xo f a m p l i f i e rc i r c u i t 2 3 3 3 3c h o i c eo f h i g hp r e s s u r eo p e r a i o nd e v i c e 2 3 3 3 4 h a r d w a r ec i r c u i to fh i g hp r e s s u r eo p e r a t i o na m p l i f i e rc i r c u i t 2 5 3 3 5 n o t e so f h i g hp r e s s u r eo p e r a i o na m p l i f i e rc i r c u i t 2 6 3 4c o n c l u s i o n 2 6 d d e s i g no fe m b e d d e dl i n u xp l a t f o r mb a s e do na r m 2 7 4 1e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mp r o f i l e 2 7 4 2c o n s t r u c t i o no ft h ee m b e d d e dl i n u xd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t 2 8 4 3b o o t l o a d e r t r a n s p l a n t a t i o n 3 0 4 3 1 c h o i c e 。f b o o t l o a d e r 3 0 4 3 2v i v it r a n s p l a n t a t i o n 3 0 4 4l i n u xk e r n e lt r a n s p l a n t a t i o n 3 2 4 4 1c h o i c eo fk e r n e l 3 2 4 4 2k e r n e lt r a n s p l a n t a t i o n 3 2 4 5l i n u xf i l es y s t e mt r a n s p l a n t a t i o n 3 4 4 5 1c o m m o nf i l es y s t e mp r o f i l e 3 4 4 5 2 c r e a t i n gt h ef i l es y s t e m 3 5 4 6c o n c l u s i o n 3 7 5s o f t w a r ed e s i g no f m i c r o f l u i d i cd r i v i n gc o n t r o ls y s t e m 3 9 5 1 d e s i g no fg r a p h i c ss y s t e mb a s e d o nq t e m b e d d e d 3 9 5 1 1c h o i c eo f g r a p h i c ss y s t e m 3 9 5 1 2 c h o i c eo fs o f t w a r ep a c k a g e s 4 0 5 1 3e s t a b l i s h m e n to f t h eh o s td e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t 4 0 5 1 4e s t a b l i s h m e n to ft h eh o s tm a c h i n ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t 4 2 5 2 a p p l i c a t i o ns o f t w a r ed e s i g no f m i c r o f l u i d i cd r i v i n gc o n t r o ls y s t e m 4 2 5 2 1 i n t r o d u c t i o no f d e v e l o p m e n tp r o c e s s 4 2 5 2 2 r e q u i r e m e n t s a n a l y s i so f s o f t w a r e - 4 3 5 2 3 a p p l i c a t i o ns o f t w a r ed e s i g n 4 4 5 3 c o n c l u s i o n 5 2 一一 目录 6 s y s t e mt e s t 5 3 6 1p e r f o r m a n c ei n d e xt e s t 5 3 6 2t h et e s ta c t u a ld r i v ee f f e c t 5 5 6 3 r e l i a b i l i t yt e s t i n g 5 6 6 4c o n c l u s i o n 5 ( ； 7c o n c l u s i o n sa n dp r o s p e c t 5 7 7 1c o n c l u s i o n so f t h e p a p e r 5 7 7 2c r e a t i v ep o i n t so f t h e p a p e r 5 7 7 3 p r o s p e c t 5 8 r e f e r e n c e s 5 9 a p p e n d i x ，6 3 a c k n o w l e d g e m e n t s 6 7 a u t h o ra n dt h em a j o rr e s e a r c ha c h i e v e m e n t s 6 8 一x i 安徽理：l 大学硕士学位论文 插图清单 插图清单 图1 安装结构图3 图2 电压控制型原理图5 图3 电流控制型原理图5 图4e 7 5 3 型压电陶瓷驱动控制系统6 图5 系统硬件结构框图1 0 图6 系统软件结构框图1 1 图7 主控模块电路框图1 4 图8 系统供电电路图1 5 图9 系统晶振电路图1 5 图1 0 系统复位电路图1 6 图11s d r a m 连接电路图1 6 图1 2f l a s h 连接电路图1 7 图1 3j t a g 接口电路图1 7 图14u s b 接口电路图18 图15 触摸屏连接电路图18 图16 主控模块电路实物图19 图1 7d a c l 2 1 0 逻辑结构框图一2 0 图18 模数转换电路原理图21 图19 放大电路原理图2 2 图2 0p a 9 3 外部链接图一2 4 图2 1p a 9 3 实物图一2 4 图2 2 高压运放硬件电路图2 5 图2 3 交叉编译环境版本信息图2 9 图2 4v i v i 成功启动界面31 图2 5 内核配置菜单界面3 3 图2 6 嵌入式l i n u x 主目录界面3 7 图2 7 图形用户界面应用程序开发流程图4 2 图2 8 系统功能实现流程图4 3 图2 9q td e s i g n e r 丌发界面4 4 图3 0 控制系统主界面5 0 安徽理工大学硕士学位论文 图3 1 控制系统参数设置界面5 1 图3 2 系统电压设置界面5 1 图3 3 系统运行界面5 2 图3 4 缓升急降波形实测效果图5 4 图3 5 急升缓降波形实测效果图5 4 图3 6 微位移实验系统结构图5 5 图3 7 驱动电压与输出位移测试曲线5 6 附图1 $ 3 c 2 4 1 0 芯片引脚图一6 3 附图2a r m 控制电路网络接口图6 4 附图3 系统整体电路硬件原理图一6 5 表格清单 表格清单 表1 输入输出关系表2 2 表2 相位补偿表2 6 表2n a n df l a s h 地址空问表31 表3 性能测试数据表5 3 表4 实际驱动效果测试参数表5 5 安徽理。l 大学硕士学位论文 引言 引言 微电子机械系统( m e m s ) 技术历经十几年的发展，已经成为一种微型化 的平台技术。微流体系统是微电子机械系统的重要分支之一，是m e m s 中最具 市场潜力的一部分。微流体系统通常由流体驱动源、微流体器件和微传感器 件等单元组成。微流体系统具有尺寸微小、能减小流动系统中的无效体积、降 低能耗和试剂用量、响应快、效率高和能批量生产等特点，在军事、医疗保健、 环境控制、化学分析以及生物工程等领域有着广阔的应用前景，因而受到各国 政府、科研单位和企业界的高度重视。微流体系统的应用主要体现在微量化学 分析与检测、微量液体或气体配给、医疗诊断、打印机喷墨阵列、i c 芯片的散 热与冷却以及微型部件的润滑等方面。目前对微阀、微泵、微喷、微推进器以 及微混合器等微流体传动与控制系统的研究已成为研究热点之一。 作为一门新兴的前沿交叉学科，微流体系统的研究领域广泛涉及到介观物 理学、基因生物学、微机械学、微电子学、流体力学、分析化学、材料学、传 热学以及光电学等诸多学科1 2 j 。 微纳流体的驱动是微系统中经常要遇到的问题，也是微系统发展需要解决 的关键技术之一。与宏观流体相比，随着特征尺寸减小，微流体流动机理发生 显著变化。这种变化主要体现在两个方面：一方面，当流体运动的特征尺度减 小至微米时，支配流体的各种作用力的地位下降，而在宏观流体中处次要地位 且通常情况下被忽略不计的作用力则变为微流体运动的支配力；另一方面，随 着构建的特征尺度减小至微米甚至纳米量级，微流动中出现了一些经典连续介 质模型目前无法解释的现象。因此，宏观世界的驱动方式不能满足微系统的驱 动控制要求，尤其是在微流控芯片技术领域，微流体驱动控制单元凸显的更为 重要【3 】。综上，作为微流体系统各项应用中关键设备之一的驱动控制系统已经 成为微流体系统研究的核心内容之一。 微流体的驱动控制技术种类很多，采用的原理和形式不尽相同，按照驱动 原理不同可划分为压力驱动、压电驱动、电水力驱动、电渗驱动、热驱动、表 面张力驱动和离心力驱动等。压电陶瓷是近年发展起来的新型驱动器件，其提 供了一种较为简单的方式可以将输入转换为0 1 9 m 到几十g m 尺度的运动，相 较其它制动器，压电陶瓷驱动器具有体积小、推力大、精度和位移分辨率高以 及频率响应快等特点，它在使用中无噪声、不发热且易于控制，因此，压电陶 瓷驱动器在微定位和驱动控制方面有很大的优势，是理想的驱动器之一。目前 安徽理工人学硕士学位论文 以压电陶瓷作为驱动器的驱动控制系统，已经在微流体系统领域中得到了广泛 的应用。 第一章绪论 1绪论 1 1 课题研究背景 性能良好的驱动控制系统在微流体系统的各项应用中十分重要，基于脉冲 驱动控制方法的微流体驱动控制系统技术特征如下： ( 1 ) 在方法上，不同于常规内嵌式微电路和微驱动器的微流体驱动方式，将 宏驱动器安装于微流体器件外部，使微流体器件圈壁沿固壁切向( 也可同时沿 法向) 作加速度变化的运动，利用由此产生的惯性力与粘性力相对大小的变化 来实现对流体的驱动和控制，及实现对近壁流体的扰动； ( 2 ) 在装置上，微流体固壁是流路本体的与流体直接接触部分的固壁，固壁 的运动是由宏驱动器驱动整个流路本体从而也驱动了固壁来实现的。 图l 所示为压电陶瓷与微流体安装管道的安装结构图( 卜微管道；2 一微管 道兴持器及密封螺母；3 一夹持器连接板； 压电驱动器；5 - # 1 部溶液入口；6 一 外源压力入口；7 一培养液；8 一支撑座) 。 图1 安装结构图 f i g1 i n s t a l l a t i o ns t r u c t u r ed i a g r a m 因此，如何研制能可编程产生所需波形的驱动控制系统成为了在实施上述 技术的特征过程中面临的关键问题之一一。 近年