（电路与系统专业论文）微量注射泵控制系统的设计与实现.pdf

摘要 微量注射泵( 简称微量泵) 是一种新型泵力仪器，用于将少量液体 准确、定时定量的灌注或抽取。它的应用非常广泛，在临床医疗中， 已应用于内科、外科、重症监护和手术室等临床各科室的输液治疗， 它将药物精确、均匀、持续地泵入血管内，有效的减轻了医护人员工 作量。在生命化学科学实验室里，经常使用微量注射泵对动物进行注 射，在食品安全监控对农、兽药进行残留检测过程中，进行色谱分析 时的进样也要用到微量注射泵。 本设计为国家自然科学基金仪器科学研究专项课题“食品安全分 析用在线式全自动样品前处理装置研制 中的一部分。旨在开发一套 性能优越的多通道微量送液系统，能进行匀加减速注射，具有精度高， 能同时联动控制6 台注射泵工作，且具有计算机智能控制的特点。 使用m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 开发工具设计一款上位机监控软 件，实现计算机实时控制。硬件采用a r m + f p g a 构建的高性能嵌入 式系统，充分发挥了a r m 处理器强大的数据处理能力和丰富的资源 以及f p g a 优越的逻辑时序功能和并行处理的优点同时采用高细分 的步进电机驱动器提高注射精度，并且在系统里融入了传感器技术， 增加光电传感器和压力传感器，实现闭环控制和对微量注射器的保 护。 本文阐述了将计算机技术，传感器技术，电子技术综合应用于注 射泵系统的研究与开发，并成功应该用于化学色谱分析前处理装置， 具有很重要的实际意义。 关键词：微量注射泵，步进电机，a r m ，f p g a ，传感器 玎 a b s t r a c t m i c r o i n j e c t i o np u m pi s an e wt y p eo fp u m pp o w e re q u i p m e n t ， s m a l la m o u n to fl i q u i d u s e dt oa c c u r a t e l yt i m i n ga n dq u a n t i t a t i v e f u s i o n i sw i d e l ；e d nl i n i c a lm e d i c i n eh a v eb eenextraction o rp e r f u s i o ni tl sw i d e l yu s e ( 1i nc l i n i c a lm e o l c l n e , n a v e 1 1 u s e di ni n t e r n a lm e d i c i n e ，s u r g e r y ，i n t e n s i v ec a r ea n do p e r a t i n gr o o m a n d o t h e rc l i n i c a ld e p a r t m e n t so fi n f u s i o nt r e a t m e n t i tp u td r u g sp r e c i s e ， u n i f o r m ，c o n t i n u o u sp u m p i n gv e s s e l s ，e f f e c t i v e l yr e d u c i n gt h eh e a l t hc a r e w o r k l o r d t h ep a p e rb a s e do nt h ea n a l y s i s o ft h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so fm i c o i n j e c i o np u m p i nd o m e s t i cm a r k e t ，a n df o u n dt h a t t h e i n j e c t i o np u m ph a v es o m ep r o b l e ms u c h a sl a c ko fp r e c i s i o n ， e x p e n s i v e ，a n do n l yh a v eas i n g l ec h a n n e lo f u n i f o r mi n je c t i o nf u n c t i o n u s i n gm i c r o s o f t v i s u a lc + + 6 0d e v e l o p m e n tt o o l s t o d e s i g n a p c m o n i t o r i n gs o f t w a r e t oa c h i e v er e a l t i m ec o n t r 0 1 h a r d w a r eu s ea r m a n d f p g at ob u i l th i g hp e r f o r m a n c ee m b e d d e ds y s t e m g i v e 向up l a yt ot h e p o w e r f u ld a t ap r o c e s s i n gc a p a b i l i t yo fa r m p r o c e s s o r ，s u p e r i o rl o g i c t i m i n g f u n c t i o na n dt h ea d v a n t a g eo fp a r a l l e lp r o c e s s i n go ff p g a p r o c e s s o r w i t hs t e p p i n gm o t o r s u b d i v i s i o nc o n t r o lt oi m p r o v ei n je c t i o n p r e c i s i o n i n c r e a s et h ep r e s s u r es e n o r t op r o t e c tt h ep u m p t h ep a p e ri n t e g r a t et h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y ，s e n o rt e c h n o l o g ya n d e l e c t r o n i ct e c h n o l o g yi nt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f t h ei n je c t i o n 1 1 1 p u m p ，a n ds u c c e s s f u l l yu s e di nc h r o m a t o g r a p h i ca n a l y s i so fc h e m i c a l p r e t r e a t m e n td e v i c e ，h a v eav e r yi m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：m i c r o - i n j e c t i o np u m p ，s t e p p i n gm o t o r ，a r m ，f p g a ， s e n s o r i v 目录 摘要i a b s t r a c t 、i i i 第一章绪论l 1 1 微量注射泵的应用一1 1 2 国内外研究概况2 1 3 论文研究的目的和意义3 1 4 论文的结构安排_ 4 第二章步进电机的工作原理5 2 1 微量注射泵的工作原理5 2 2 步进电机的工作原理和分类6 2 3 步进电机的调速原理8 2 4 步进电机的驱动和细分1 4 2 5 本章总结：1 7 第三章微量注射泵控制系统的硬件设计18 3 1 系统总体方案的设计1 8 3 2a r m + f p g a 的主控模块设计l9 3 3a r m 处理器及外围电路设计2 l 3 4f p g a 处理器及其内部结构2 6 3 5 步进电机驱动模块的设计2 9 3 6 传感器模块的设计31 3 6 1 光电编码器31 3 6 2 压力传感器3 4 第四章微量注射泵控制系统软件设计3 6 4 1 上位机软件设计及关键技术3 6 4 1 1 上位机软件界面及功能3 6 4 1 2 关键技术串口通信3 7 4 1 3 串口通信通信协议4 0 4 2 下位机软件设计41 第五章总结与展望：4 4 参考文献4 5 攻读硕士学位期间发表的论文目录4 9 致谢5 0 湖南师范大学学位论文原创性声明5 1 湖南师范大学学位论文版权使用授权书5 1 微量注射泵系统的设计与实现 第一章绪论 1 1 微量注射泵的应用 微量注射泵是临床医疗和生命科学研究中经常使用的一种长时 间进行微量注射的仪器，这种新型泵力仪器主要应用于动静脉输液， 输血和精密生化实验。 在临床医疗应用中，微量注射泵主要用于动静脉输液、输血、抗 休克治疗、肠内管饲养以及麻醉剂的注射等，同时还可以用于挤压外 伤抢救中抗凝剂及其他特殊贵重药物的微量注射中，并且在各种特效 药和新药的最佳有效量的定量分析和生物工程中，可避免人为操作的 误差和不确定性，另外它还能减轻医护人员及科研工作者紧张繁忙的 工作压力，有效地实现微量注射的智能化控制。微量注射泵操作便捷、 定时、定量，可根据病情需要可随时调整药物浓度、速度，使药物在 体内能保持有效血药浓度，提高工作效率，准确、安全、有效地配合 医生抢救。临床常用速度范围是l 5m 1 h 。 在生物化学试验室和食品安全监控中，被广泛用于化学反应注射 实验、长时间动物药物注射实验、液体采样和各种进样系统中。实验 型微量注射泵要求具有多种工作模式和功能已适用于各式各样应用 的要求，比如掉电记忆，报警等功能，而且得拥有非常高的控制精度 和较宽的线速度范围。 硕+ 学位论文 1 2 国内外研究概况 国外对微量注射泵的研制较早，目前最先进的是哈佛仪器 ( h a r v a r da p p a r a t u s ) 公司生产的p h d 系列泵。哈佛仪器是一家拥有 百年历史的生命科学仪器厂家。从1 9 0 1 年在哈佛医学院成立至今， h a r v a r da p p a r a t u s 已是生命科学的第一品牌。在1 9 5 0 年， h a r v a r da p p a r a t u s 在全球最早研制了基于机械螺纹的超微量注射泵， 8 0 年代推出了传奇的p u m p2 2 产品( 图l 所示) ，将注射泵的推力和精 度都推上了个台阶。p h d2 2 注射泵提供了更高的稳定精度和可重复 性精度，其流量低至0 0 0 1 微升4 , 时，特别是提供了不需要电脑的自 身编程能力和内置永久存储器，自编程能力意味着它可以按照用户的 要求去完成连套的注射动作。 图1 - 1p h d2 2 注射泵 国内的注射泵研制起步较晚，大都在9 0 年代中期开始。目前市场 上的国产微量注射泵，如浙江大学生产的w z s 5 0 f 6 ，是一款双通道 的医疗注射泵，具有自动识别注射器规格的功能，精度为正负2 ； 北京吉安得尔科技有限公司生产的a l c i p 6 0 0 注射泵，采用分离式远 程控制方式，最小流速为o o l 微升d , 时。与国外产品相比，国内的注 微量注射泵系统的设计与实现 射泵价格稍低，但是系统功能较少，精度和稳定性有很大的差距。 1 3 论文研究的目的和意义 微量注射泵控制系统为国家自然科学基金仪器科学研究专项课 题“食品安全分析用在线式全自动样品前处理装置研制中的一部分。 农、兽药残留分析是食品安全监控的核心内容，随着色谱及联用技术 的发展，已达到在一次分析中同时监控上百种农、兽药残留的水平。 但从分析的整个过程看，样品前处理技术相对落后、自动化程度差， 成为了限制此类分析高通量化的瓶颈。本课题以微柱分离、富集为基 础，通过计算机智能控制多个注射泵进行梯度送液( 一台匀加速注射 和一台匀减速注射) 和阀门的切换来完成前处理各步骤，且前处理装 置控制系统可与色谱工作站进行触发信号互访，形成全自动系统。有 效的解决样品前处理与终端分析全自动化的难题。 本文旨在开发一套性能优越的多通道微量送液系统，能进行匀加 减速注射，具有精度高，能同时联动控制6 台注射泵工作，且计算机 实时控制的特点。 本文开发的微量注射泵控制系统功能要求： 1 单台注射泵具有匀速注射和匀加减速注射功能 2 具有掉电记忆功能，e e p r o m 保存设置参数。恢复上电后可根 据设计参数继续运行或停止。 3 具有抽取和灌注的工作模式，可以根据上位机的命令随时改变 时间和速度 4 堵车保护功能：当工作过程中注射泵的推进机构被堵死，注射 硕士学位论文 泵会停止推进机构的工作并发出鸣笛报警 5 注射器选择和保护功能：选择不同规格的注射器，也可手动设 置；当注射器的压力超过警戒压力值时，马上报警和堵车保护。 6 具有良好的人机交互界面，在w i n d o w s 操作系统下运行 7 能联动控制6 台注射泵，2 台为一组做梯度注射( 一台匀加速注 射，一台匀减速注射) 8 附带控制3 个阀门的切换和触点信号的控制 1 4 论文的结构安排 本文主要分为摘要、正文及附录三大部分。摘要主要介绍文章的 研究背景及内容。正文具体分为4 章： 第一章绪论。首先介绍了微量注射泵的应用，接着讲述它的国 内外研究情况，以及论文研究的目的和微量注射泵控制系统的要求。 第二章步进电机的工作原理。首先介绍了微量注射泵的工作原 理，其心脏为步进电机。然后对步进电机的分类、调速原理、驱动和 细分做了详细的描述。 第三章微量注射泵控制系统的硬件设计。首先介绍了系统方案 的设计，然后分别介绍了系统的四个模块：计算机软件控制模块、主 控制芯片模块、电机驱动模块和传感器模块。 第四章微量注射泵控制系统的软件设计。首先介绍了上位机软 件的设计和关键技术串口通信。然后讲述了下位机的软件流程设计。 第五章总结和展望对整个工作做出了总结，分析了微量注射泵 控制系统的性能特点。 微量注射泵系统的设计与实现 第二章步进电机的工作原理 2 1 微量注射泵的工作原理 实物图如图2 1 所示，注射泵由步进电机( 图2 2 ) ，电机驱动 电路板，主控电路板，液晶显示和按键，传感器5 部分组成。 图2 - 1注射泵实物图 图2 - 2 步进电机实物图 机械传动原理如图2 3 所示，驱动电路在得到脉冲指令的时候， 产生加载电压，步进电机在各相磁激励的情况下运转。通过皮带传动 装置，从而带到丝杆的旋转。滑块在丝杆的旋转下，沿着固定轴向前 滑行。注射器固定在滑块上方，跟随滑块运动。步进电机具有正反两 个方向旋转，因此注射器可以完成抽取和注射。从注射泵的机械原理 图可以看出注射泵的核心部分为步进电机。因此关键技术为如何控制 步进电机的运行【2 1 。 硕士学位论文 微量注射泵系统的设计与实现 步进电机 由于输出位移为步进状态，故 称为步进电机 + l 一 由于输入为脉冲电流，故称 为脉冲电机 图2 - 4 步进电机原理图 步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移。步进电 机的角位移或线位移量与电脉冲个数成正比，它的转速或线速度与电 脉冲频率成正比。在负载能力范围内这些关系不因电源电压、负载大 小、环境条件的波动而变化。通过改变脉冲频率的高低可以在一定范 围内实现步进电机的调速：并能进行快速启动、制动和反转4 1 。 步进电机的分类：步进电机从广义上将，步进电机分为机械式， 电磁式和组合式三大类型。按转子的材料电磁式步进电机分为变磁阻 式( v r ) 、永磁式( p m ) 和混合式( h b ) 。按相数分为单相，两 相和多相三大类5 1 。 ( 1 ) 变磁阻式步进电机( v a r i a b l er e l u c t a n c e ，简称v r ) ，其转子是由 硅钢片或电工纯铁棒等导磁体构成，因在转动时产生磁阻变化称变磁 阻电机。它的结构简单，成本低，步距角小。 ( 2 ) 永磁式步进电机( p e r m a n e n tm a g n e t ，简称p m ) 永磁式步进电 机的转子是用铁氧体磁铁材料制成的，转子本身就是一个磁源。其最 大的特点就是价格便宜，价格只有h b 型的l 2 。转子的极数和定子的 7 硕士学位论文 极数相同，所以一般步距角比较大，所以其分辨率低，难已满足高精 度要求。 ( 3 ) 混合式步进电机( h b ) 混合式步进电机，其转子是p m 型和v r 型转子的复合体，其转矩大，分辨率高( 步距角1 8 度比较多) ，。 其缺点是高速时噪音大。由于能够开环运行以及控制系统比较简单， 因此这种电机在工业领域中得到广泛应用。 本设计采用的是两相混合式步进电机5 7 b y g h 0 0 1 ( 图2 2 ) ，它 为两相四线电机，工作电压为5 v ，其步距角为1 8 度，环境温度 2 5 + 4 0 。c ，最大静力矩为3 9 o n c m 。 2 3 步进电机的调速原理 步进电机是通过控制脉冲频率来调速的，也就是说脉冲频率越 快，电机速度越快【6 1 。但是在启动步进电机时，如果以较高的脉冲频 率启动电机，会发现电机转过的角度比程序设想的要少，甚至不能启 动。这种现象叫失步，是步进电机的特性。当电机从一个较高的速度 突然减到一个较低的速度，会发现电机转过的角度比程序设想的多， 也会出电机转过的实际角度和给定的不相等的现象。 转矩也是步进电机的重要参数之一，造成失步的原因是电机的转 矩是一个确定的有限值。当电机加速时，电机的加速度由转矩提供， 当给定的加速度超过了转矩提供的加速度，电机将会失步。当电机突 然减速时，电机的转矩不能克服负载的惯性力矩，最终出现过冲的现 象，也造成失步。所以，为了电机不会失步，电机的加速度不应超过 本身的极限。 微量注射泵系统的设计与实现 图2 5 为步进电机在匀速和加速运动的速度曲线，因此步进电机 在启动，运行，停止时，都需要进行加减速控制7 1 。防止失步和振荡 的方法可以让电机已较低的速度，很快的加速到指定的转速；之后可 以按要求的速度运行，当快要到达指定的停止位置时，再以较快的速 度减速，在停止位置停住。加速度和减速度要根据不同的电机设定。 如果他们的值较大，则可以较快的到达目的位置，但有肯能产生振荡； 如它们的值较小，由于转矩和加减速度正比，转矩可能过小，产生失 步【8 】o 问 。 图2 - 5 匀速和匀加速的速厦曲线 下面是一种步进电机加减速算法推倒的详细过程【8 】： 当通过步进电机线圈的电流按照正确的次序改变时，步进电机就 会按照一定的方向相应的转动。当使用步进电机驱动器时，只需要给 驱动器一个脉冲信号和一个方向信号，步进电机驱动器就将此信号转 化为通过电机线圈正确的电流次序。当给定一个稳定速率的脉冲时， 步进电机就会按照恒定的速度转动。步进电机真正识别的是脉冲的上 升沿，也就是给一个上升沿，电机转动一个步距角。所以改变每个脉 冲间的间隔时间，就能改变电机的速度。 硕士学位论文 f o 岛f 3 i 一“l 一“_ 卜f 3 l 图2 6变速时的脉冲间隔图 微量注射泵系统的设计与实现 小一乙= 仔( 历一而( 2 - ，4 ) f o - 翌，埘：，。( 历一石) ( 2 - 5 ) va t 去出去告州 c 2 引 对铆= 加( n 4 - 再- i 一石) 进行变换 垒：丛粤堑! ：! ：盍二壶二! 宣二! f 型 ( 2 7 ) k _ i f “石一护d 1 一( 1 一石1 一万1 8 n + d ( 割4 肘1l 2 玎 2 、，z ， 二= 川一而2 a m _ 1 ( 2 ：8 ) 求出了每个脉冲的时f 司f n - 隔a 。n ，时间能通过计数器的频率厶 t o p = q = 铆x f a k ( 2 9 ) 此q 定义为计算器的t o p 值，装载在输出比较寄存器( o c r ) 。 硕士学位论文 清零，并重新开始计数。o c r 定义了计数器的t o p 值，即计数器的分 辨率。我们设置o c r 在每次比较匹配发生时改变逻辑电平，即翻转一 次。这个模式可以很容易控制比较匹配输出的频率，但当频率很高时， 会产生窄脉冲，即上升沿维持时间太短，会出现无法响应的状态。 r ! r ! 1 o c ni n t e r r u p tf l a gs e t ：( t o p ) vv ! t c l 师l o c n ( t o g g l e ) ! ! ! ! 、 j r、 jr、 图2 8c t c 模式波形产生图 波形发生器能够产生的最大频率为丘腩2 ( t o p = o x 0 0 ) 。频率公 式如下： 。2 丽慧丽(2-10) 变量n 代表预分频因子( 1 、8 、6 4 、2 5 6 或1 0 2 4 ) 从图2 8 中可以看出，每2 次t o p 值比较才产生一次上升沿脉冲。因 此，不能与每步的时间间隔相匹配。 如图2 9 所示，我们通过设置t o p 2 值，计数器计数到与t o p 2 匹配 时翻转一次，则可以保证每次计算值与t o p 值匹配时，产生上升沿脉 冲，且可以避免窄脉冲的产生。 微量注射泵系统的设计与实现 t c n t n o c n ( t o g g l e ) 二j ，了。- f o c ni n t e ( r l r o u p p t ) f 1 a g s e viii ”叫7 t o p 2 ： 、 r 7 叫 ， 。 7 ， ? 、l 、l、 p e r i o d l - - - - - - 1 _ 一2 + - 3 斗纠 图2 9 改进的c t c 模式波形图 a r m 处理器通过给定的速度和时间计算出n 个脉冲的时间间隔， 然后换算成定时器的t o p ( o c r ) 值。a r m 处理器把6 路的t o p 值传 给f p g a ，f p g a 根据上述原理，通过设置两个比较值t o p 2 ，t o p 比较 判断产生特定频率的脉冲。也就是说当计数值小于t o p 2 时，脉冲置 高，当计数值大于t o p 2 j 、于t o p 值时，脉冲置低。 a r m 处理器计算出6 路脉冲i 拘t o p 值，产生了大量的数据，如果通 过计算机实时处理将占用c p u 大量的资源。这里我们通过s t m 3 2 的 d m a 控制器来解决这个问题。 d m a 控制器提供了外设和存储器之间的高速传输，无须c p u 任 何干预，通过d m a 控制器数据可以快速移动。d m a 是一种不经过c p u 而直接从内存存取数据的数据交换模式，这就节省了c p u 的资源来做 其他操作。d m a 的一个特点是“分散一收集 ，它允许在一次单一的 d m a 处理中传输大量数据到存储区域。d m a 传送数据的另一个特点 是：数据直接在源地址和目的地址之间传送，不需要中间媒介。大大 提高了计算机运行速度和工作效率。 在实现d m a 传输时，是i 扫d m a 控制器直接掌管总线控制，因此， 硕士学位论文 存在着一个总线控制权转移的问题。即开始d m a 传输前，c p u 要把 总线控制权交给d m a 控制器，而在结束d m a 传输后，d m a 控制器立 即把总线控制权再交给c p u 。 微量注射泵系统的设计与实现 表2 1三种驱动电路性能比较表 驱动电路启动频率运行频率运行平稳性成本效率 单电压低较低较差低低 高低压 局较高 茔 较高较高z 恒流斩波高品好局呙 从表2 1 中可看出，横流斩波的运行平稳性最好【1 3 】，效率也最高。 横流斩波的驱动方式，极大的改善了驱动电流波形，使电流输出基本 稳定，且系统功耗高，电源效率耐1 4 】。 步进电机驱动电路的任务【1 5 】，是按顺序指令切换d c 电源的电流 流入步进电机的各相线圈。步进电机在低速转动时振动和噪音相对较 大，这个缺点对定位系统的精度会产生较大的影响。步进电机作为一 种机电一体化设备，电机本身固有的问题可通过驱动器或者控制器来 弥补。采用细分驱动技术可以大大减少低速转动时的振动和噪音，还 可以起到减小步距角、提高分辨率、增大输出力矩的效果【1 6 】； 细分【”1 可以减小步距角，提高步进电机的运转精度，减小低频振 动、高频失步现象。如三相步进电机按a _ b _ c 的顺序轮流通电， 步进电机为整步工作。而按的顺序a a c _ c _ c b b _ b a a 通 电，则步进电机为半步工作，步进角则变为1 2 。 细分的基本概念为：步进电机通过细分驱动器的驱动【1 8 】，其步距 角变小了。如驱动器工作在1 0 细分状态时，其步距角只为“电机固有 步距角的十分之一，也就是：当驱动器工作在不细分的整步状态时， 硕士学位论文 控制系统每发一个步进脉冲，电机转动1 8 0 ；而用细分驱动器工作在 1 0 细分状态时，电机只转动了o 1 8 0 。细分功能完全是由驱动器靠精确 控制电机的相电流所产生的，与电机无关【1 9 】。 细分步进驱动是将全步进驱动时的步距角各相的电流以阶梯状n 步逐渐增加2 0 1 ，使吸引转子的力慢慢改变，每次转子在该力的平衡点 静止，全步距角做n 个细分，可使转子运行效果光滑，因此，在低速 一 丝量垄壁壅墨笙箜望生兰塞塑 一 - - - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ - - - _ - _ 一一 相电流由继续下降成1 4 峰值，b 相电流上升到3 4 峰值的状态；5 为a 相电流由峰值时电流减少变为零，b 相电流增加变成峰值时的状2 2 1 。 1 2 3 c 弋 鲋 4 r 5 。 图2 1 2 细分转子步进图 2 5 本章总结： 本章研究了微量注射泵的机械结构，了解注射泵主要运动部件步 进电机。然后重点介绍了步进电机调速的原理以及对步进电机的驱动 和细分进行了研究。 硕士学位论文 第三章微量注射泵控制系统的硬件设计 嵌入式运动控制系统由硬件系统和软件系统组成，硬件是整个系 统的骨架，成功的硬件设计将提供优越的性能和为今后功能的扩展打 下坚实的基础。在上一章步进电机理论基础上和系统的性能要求上， 首先给出系统的一个总的结构设计，接着分别讲述了基于a r m 和 ) f p g a 嵌入式系统的各模块设计。本章围绕a r m 和f p g a 主控芯片， 设计了其外围电路，包括电源时钟、液晶和串口等，构成一个完整的 硬件系统。 3 1 系统总体方案的设计 如图3 1 所示，系统从结构上可以分为4 个模块，计算机软件控制 模块，主控制芯片模块，步进电机驱动模块，传感器模块。 图3 - l 系统原理图 计算机通过r s 2 3 2 串口与主控制芯片模块连接，通过自主设计的 监控软件，可以实时监控和管理注射泵的工作状态，并发送控制命令， 运行后可以实现全自动化处理。 主控制电路模块由a r m 和f p g a 以及外围电路组成，a r m 负责整 个系统的逻辑控制以及人机接口对外通信，a r m 处理器给f p g a 发送 微量注射泵系统的设计与实现 运行的指令，f p g a 产生步进电机所需要的6 路电脉冲信号，传送给驱 动器模块，驱动器模块里的脉冲分配器把电脉冲信号按规定的方式分 配给电机各相励磁绕组，从而驱动步进电机转子运转。 与此同时f p g a 与光电旋转编码器相连，光电编码器对电机实际 运转情况监控，计数结果存放在f p g a 寄存器中，供a r m 读取。压力 传感器也按时采样注射器压力值，经过a d 转换后交给f p g a 处理。 3 2a r m + f p g a 的主控模块设计 运动控制系统需要兼顾性能、可靠性和扩展性等多方面要求。目 前对步进电机一般使用单片机来控制。但本系统需要同时控制6 台步 进电机，且运算处理能力要求很高，单片机已经无法满足要求。a r m 处理器具有强大的数据处理能力和丰富的外设，f p g a 作为协处理器 具有并行处理和硬件实时性的特点，能同步产生6 路电机脉冲。 a r m + f p g a 的嵌入式平台【2 3 1 适用于高精度运动控制领域，具有性能 高，使用灵活、可靠性高、可移植性强等优点。 如图3 2 所示，主控模块采用a r m 和f p g a 相结合。a r m 嵌入式 处理器主要负责人机接口和对总的进程进行管理，f p g a 实现多路步 进电机脉冲信号的产生和对传感器的实时处理。a r m 其外围电路包 括：液晶模块，键盘输入模块，电源模块，r s 2 3 2 接口转换模块，报 警模块，外部存储器【2 4 】。 硕士学位论文 图3 2a r m + f p g a 硬件总体框图 微量注射泵系统的设计与实现 据总线连接。 e n l ，r a r m c s l f p g a s t m 3 2 z e t 6e p 2 c 5 f 2 5 6 w r r a m 。位数总线嗲 图3 3f s m c 连接原理图 3 3a r m 处理器及外围电路设计 a r m 处理器采用意法半导体( s t ) 公司推出的基于a r mc o r t e x m 3 内核的s t m 3 2 f 1 0 3 z e t 6 ，它集3 2 位r i s c 处理器，低功耗、高性能 模拟技术、高速d m a 通道及丰富的片内外设、j t a g 仿真调试于一体 【2 9 】 o c o r t e xm 3 内核采用a r mv 7 体系结构，包含一个高效的哈佛结构 三级流水线，指令速度可接近8 0 m i p s ，工作频率为7 2 m h z ，内置高速 存储器( 高达2 5 6 k 字节的闪存和6 4 k 字节的s r a m ) ，具有强大的数据 处理能力和运算能力【3 0 1 。 其优秀的性能及丰富的外设资源如下【3 1 】： 内嵌4 至1 6 m h z 高速晶体振荡器，8 m h z 的r c 振荡器 2 个1 2 位的a d c ，l u s 的转换时间，转换范围0 至3 6 v 多达6 个定时器，3 个同步的1 6 位定时器，每个定时器有多达4 个 用于捕获输出比较p w m 或脉冲计数的通道。 多达8 0 个快速i o 口 7 通道d m a 控制器 硕士学位论文 支持串行线调试( s w d ) 和j t a g 接口 2 - 个1 2 c 接口，主机带有仲裁和时钟同步功能 3 b u s a r t 接口和1 个u s b 2 0 全速接口 多达2 个s p i 同步串行接口 删外围电路设计如下： ( 1 ) 电源电路 s t m 3 2 的工作电压为2 0 3 6 v s t m 3 2 内核工作电压为1 8 v ，i o 端口电压为3 3 v ，系统采用+ 5 v 直流变压器供电，经过稳压芯片 l t l 1 1 7 3 3 把电压恒定在3 3 v ，l t l11 7 3 型低压差稳压器为l i n e a r t e c h n o l o g y 公n产【1 8 】，可提供8 0 0 m a 的输出电流【3 2 1 。 5 vi 2i ，t 1 1i7 3311 v u n u 一一 = ：= _ g n dg n dg n d 图3 5 电源电路 ( 2 ) 时钟电路 晶振为系统提供标准的时钟信争1 9 】。本系统采用频率为8 m h z 的 无源晶体作为内部p l l 时钟，经内部锁相环( p l l ) 产生s t m 3 2 微处 理器的工作时钟和u s b 的工作时钟。经过9 倍频可使的系统工作频率 稳定在7 2 m h z 。3 2 7 6 8 k h z 低速外部晶体用来驱动实时时钟。 微量注射泵系统的设计与实现 ( 3 ) 复位电路 h i 国。 0 p f 图3 6 时钟电路 囝 图3 7 复位电路 1 4 h l i i g n d 0 p f 本复位电路采用了看门狗芯片m a x 8 1 3 l 进行设计。 看门狗的工作原理：在系统运行以后也就启动了看门狗的计数 器，看门狗就开始自动计数，每隔一段时间m c u 会输出一个信号给 计数器清零，如果超过时间没有清零信号，那么看门狗计数器就会溢 出从而引起看门狗中断，造成系统复位。看门狗的作用就是防止程序 发生死循环，或程序跑飞。 r s x 弓l 脚为a r m 提供了一个外部复位信号输入端口。c p u 响应此 信号进行内部复位。外接复位信号可分为两种：上电复位和手动复位。 此电路可以实现上电、瞬时掉电以及程序运行出现“死机 时的自 动复位和随时的手动复位；并且可以实时地监视电源故障，以便及时 2 3 硕士学位论文 地保存数据。当程序跑飞时，端电平由高到低，当变低超过1 4 0 m s ， 将引起m a x 8 1 3 l 产生一个2 0 0 m s 的复位脉冲，同时看门狗定时器清 零。也可以随时使用手动复位按钮使m a x s l 3 l 产生复位脉冲，由于 为产生复位脉冲端要求低电平至少保持1 4 0 m s 以上，故可以有效地消 除开关抖动。 ( 4 ) 液晶显示和键盘输入 虽然通过串口实现了与上位机通信，本系统也提供了液晶显示和 键盘输入，可方便的使用注射泵系统。l c d 液晶显示器选用 l c m l 2 8 6 4 5 z k ，内带8 0 0 0 多g b l 、2 r 9 文汉字字库液晶显示模块，串 行并行两用接口。工作电压为3 5 v 内部控制器为s t 7 9 2 0 ，具有简单而 功能强的指令集片内f l a s h 中存入了需要使用的字符库，通过调用 l c d 字符显示程序，可以显示中英文字符。l c d 液晶显示器电路如图 3 8 所示，s t m 3 2 的g p l 0 口控制l c d 的片选与读写 图3 8 液晶电路 ( 5 ) j t a g 接口 j t a g 是英文 j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ( 联合测试行动组) ”的简写。 它也是一种国际标准测试协议。主要用于芯片内部测试和在线编程。 微量注射泵系统的设计与实现 标准的j t a g 端口由5 引脚组成：t r s t 、t c k 、t m s 、t d i 和t d o 。 t r s t 为测试复位，输入引脚，低电平有效。t c k 测试时钟输入，t m s 测试模式选择，t d i 测试数据输入，t d o 测试数据输出。 蠲翊蕊烈 r 4 9o r 竺竺! 兰! 跫5 0 5 v 卜= 缎 弱 。_ 。- _ _ _ - _ _ _ 。_ - - _ _ _ 。_ - - - 一 l v r e fv 毹秽嘲v in 互跫s tg n d i t d i g n d 2 lz m bg n i ) 3 t c ko n d 4 lr t c kg n d 5 t d og 2 3 , d 6 n s 嘟g n d 7 id b g p o q g n d s l 豫g a c kg n 7 ) 9 图3 - 9j t a g 接口电路 。 ( 6 ) r s 2 3 2 接口转换电路 本系统具有上位机控制功能，p c 机电平为t t l 负逻辑电平 1 2 v 一1 2 v ，而嵌入式系统采用的电平为一5 v 一5 v ，因此需要电平转换电 路。为了降低成本和减小体积，本系统选择m a x 3 2 3 2 芯片来设计转 换电路。m a x 3 2 3 2 的典型应用电路如图3 1 0 。解决了a r m 单片机的 t t l 电平和计算机的r s 2 3 2 电平之间的匹配问题 图3 1 0 串口转换电路 硕+ 学位论文 3 4f p g a 处理器及其内部结构 可编程逻辑器件( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，p l d ) 是2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种新型逻辑器件3 3 1 ，是目前数字系统设计的主要硬 件基础。目前生产的和使用的p l d 产品主要有可编程只读存储器 ( p r o m ) 、现场可编程逻辑阵列( f i e l dp r o g r a m m a b l el o g i ca r r a y ， f p l a ) 、可编程阵列逻辑( p r o g r a m m a b l ea r r a yl o g i c ，p a l ) 、通用 阵列逻辑( g e n e r i ca r r a yl o g i c ，g a l ) 、可擦除的可编程逻辑器件 ( e r a s a b l ep r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，e p l d ) 、复杂可编程逻辑器 件( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，e p l d ) 、现场可编程门阵 列( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，f p g a ) 等几种类型。其q he p l d ； c p l d 、f p g a 的集成度较高，属于高密度p l d 。与专用集成电路a s i c 相比，p l d 研制周期短，先期研制费用较低，也没有最少订购数量的 限制 。 利用可编程逻辑器件实现的运动控制系统具有如下优点3 4 1 ： 1 可编程逻辑器件一般具有系统可编程的优点，因此以之为基础 构成的目标系统具有较好的扩展性和可维护性，通过修改软件并重新 下载到目标板上的相关器件中，就可以实现系统的升级。 2 由于系统以硬件实现，响应速度快，可实现并行处理。 3 开发工具齐全，容易掌握，通用性强。 f p g a 基于s r a m 结构，其基本结构有以下几个部分构成： 可编程逻辑功能模块( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k s ，c l b ) 可编程输入输出模块( i n p u t o u t p u tb l o c k s ，i o b ) 微量注射泵系统的设计与实现 可编程内部互连资源( p r o g r a m m a b l ei n t e r c o n n e c t i o n ，p i ) 随着工艺的进步和应用系统需求，一般在f p g a 中还包含以下可 选资源： 存储器资源( b l o c kr a m 和s e l e c tr a m ) 数字时钟管理单元( 分频倍频、数字延迟) i o 多电平标准兼容( s e l e c ti o ) 算术运算单元( 乘法器、加法器) 特殊功能模块( m a c 等硬i p 核) 微处理器( p p c 4 0 5 等硬处理器) 本次设计数据处理量比较大，因此需要较多的处理单元和处理速 度。综合考虑成本和性能，本系统采用a l t e r a 公司的e p 2 c 5 z e t ， 其属于c y c l o n ei i 系列。c y c l o n ei i 属于a l t e r a 公司f p g a 中的低成本 系列，其应用在各种领域中，如消费类电子、工业控制和汽车等。 e p 2 c 5 z e t 处理器采用9 0 n m 锘t 造工艺，提供了4 6 0 8 6 8 4 1 6 个逻辑 单元，与此同时还包括嵌入式1 8 * 1 8 b i t 乘法器、4 k b i t 嵌入式存储器块、 专用外部存储器接口电路、锁相环p l l 等3 5 1 。 配置【2 1 1 是对f p g a 的内容进行编程的一个过程，f p g a 基于s r a m 架构，s r a m 存储器是易失的，因此每次上电后需要重新配置，f p g a 中的配置r a m 就用于存放配置数据的内容。 f p g a 具有三种配置方式：主动串行( a s ) 、被动串行方式( p s ) 和最 常用的j t a g 配置方式。 a s 接口主要是用来编程e p c s 配置芯片，同时也可以用来调试。 硕士学位论文 具体过程是首先编程e p c s ，然后通过e p c s 配置f p g a ，运行程序。 需要考虑的是e p c s 的编程次数是有限制的，虽然l l e p c 系列要多， 但是太频繁的擦除和写入对芯片