体外诊断原理与设计-第9讲-柱塞泵控制

体外诊断仪器原理与设计PrincipleandDesignofInVitroDiagnosticInstrument第9讲柱塞泵控制1“9.12

柱塞泵是体外诊断实验平台里的一个重要装置，样品的吸取与加注都是依靠柱塞泵的往复运动来实现，柱塞泵本身的精度将直接决定取样和加样精度。此外，柱塞泵具有额定压力高、结构紧凑、效率高和流量调节方便等优点。理论基础TheoreticalBasis柱塞泵简介3

体外诊断实验平台使用的柱塞泵是一款精密柱塞泵，能实现精确定量吸排液体。该柱塞泵具有极高的吸液排液精度和准确度。在不影响精度和准确度的前提下，使用寿命可达到500万个周期以上。柱塞泵原理4

柱塞泵的工作原理是步进电机旋转运动带动螺纹状的丝杆旋转，丝杆丝母通过螺纹间的配合将圆周运动转为直线运动。同时，丝母与滑块和柱塞相连，从而使柱塞在密闭腔体内也能进行直线运动，形成正负压，实现吸液和排液的操作。此外，柱塞泵上还安装有一个光耦，通过判断滑块上的限位销是否遮挡光耦，可以作为柱塞上下吸排的换位信号，从而实现柱塞轴向往复吸排的功能。柱塞泵的定量控制5

从柱塞泵的工作原理不难看出，柱塞泵的定量吸液排液都是由步进电机实现的，步进电机每转动一步，柱塞运动固定的距离，从而实现定量吸排液体。步进电机可以顺时针旋转也可以逆时针旋转，相应地控制柱塞泵吸液或排液。实验使用的柱塞泵总容量为1000μL，搭配长寿命、高性能的1.8°两相步进电机。在泵的寿命周期内，具有极高的、稳定的定量吸液排液精度。在不细分的情况下，柱塞满行程为2000步，分辨率为0.5μL/Step。柱塞泵的初始位6

柱塞泵的内部有一个限位销的结构，当步进电机将柱塞推动到腔体顶端时，限位销恰好处于光耦的发光管与受光管之间，使光耦处于遮光状态，引起光耦输出引脚的电平变化。控制板可通过捕获这一电平变化来切换柱塞泵的吸排状态。限位销使光耦遮光时，柱塞已运动至腔体顶端，表明腔体内液体排空，因此，这一位置也可作为吸液初始位。设计思路DesignIdeas“9.27工程结构8

柱塞泵实验使用了F103基准工程的框架，同时还涉及到了步进电机控制的StepMotor模块、光耦检测和液面检测的OPTIC模块。对于柱塞泵的驱动则是在StepMotor模块里实现的，包括柱塞泵GPIO的配置，初始化、取样和加样控制等，此外，柱塞泵控制也使用了IVD1Device模块和IVD1Driver模块来对液面检测与移液实验平台进行控制。初始化任务流程9任务流程10设计流程DesignProcess“这次实验分为5个步骤，通过学习柱塞泵原理、控制方式以及硬件电路图，设计柱塞泵驱动程序，利用液面检测与移液实验平台（IVD1）的按键控制柱塞泵完成取样和加样操作。9.311设计流程12步骤1：复制并编译原始工程步骤2：完善IVD1Driver.h文件步骤3：完善IVD1Driver.c文件步骤4：完善IVD1Device.c文件步骤5：编译及下载验证拓展设计ExtendedDesign“9.413拓展设计14

实现液面跟随，液面检测与移液实验平台检测到液面后无需将取样针深入水下，而是在取样的同时取样针同步缓慢往下移动，实现液面随着取样针的下降而下降，始终只与针头接触。同样的，柱塞泵的加样时则取样针同步缓慢往上移动。注：使能柱塞泵的同时开启竖直方向电机就可以实现液面跟随的效果，同时竖直方向的电机速度不能太快，建议设置在75左右。思考题Questions“9.515思考题161. 在体外诊断中，柱塞泵主要应用在什么场景？具有怎样的作用？2. 简述柱塞泵抽液排液的原理。3. 柱塞泵一次取样/加样的最大步数和最大容量分别是多少？4. 微控制器是如何控制柱塞泵进行取样/加样的？5. 如果需要定量吸取5ml的样品，柱塞泵需要旋转几圈？微控制器总共需要发出多少个脉冲？6. 微控制器是怎样判断柱塞泵的柱塞是否