FPGA在多孔板自動加樣機控制系統中的應用

劉志剛　李旭宇

摘 要：在自動加樣機系統的運行中，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動。因此，文章所研究的自動加樣機控制系統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，實現四個步進電機的驅動。經過調試，該FPGA芯片能夠很好的實現加樣系統對電機的驅動需求，減少了控制系統的外圍電路，減小了體積。

關鍵詞：FPGA；加樣機；自動控制系統

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）即現場可編程門陣列，相比于其他的可編程邏輯器件，一片FPGA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的低成本方案，包括消費電子、電信和無線、計算機外設、工業控制和汽車。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、數字電視、電機驅動、等批量應用進行了優化。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，節省了空間。在需要重復精確定位的控制系統中，常采用低成本的步進電機作為執行元件。步進電機又稱脈沖馬達，是將電脈沖信號轉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成正比，控制輸入脈沖數量、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中。

1 多孔板自動加樣機控制系統的實現

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藥實驗、醫藥化驗、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移液嘴三維移動，即水平面的定位結構見圖1所示，由一個大臂圍繞固定基座旋轉，小臂的一端安裝移液嘴，另一端可圍繞大臂軸旋轉。樣品的吸取和釋放通過驅動注射式加樣器的活塞桿前后運動來實現。移液嘴通過軟管與加樣器連接，實現吸液與釋放液體。故整個加樣系統需要對四個電機進行驅動控制，即大臂驅動電機、小臂驅動電機、上下運動驅動電機和加樣驅動電機。在吸取樣品后，大臂電機和小臂電機需要同時驅動，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，節省了空間，提高了其可靠性。

1.1 自動控制系統的組成

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的芯片驅動步進電機。控制芯片與驅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，調為零點。按下開始按鈕后，其工作流程為：Z向電機正轉，移液嘴下移至樣品瓶底停止→加樣電機正轉，注射式加樣器活塞桿拉出，吸取規定量停止→Z向電機反轉，移液嘴上升至零點停止→大臂電機和小臂電機同時轉動，使移液嘴移至目標試管孔上方停止→加樣電機反轉，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。一次循環結束。在控制系統中設有緊急停止按鈕，在出現意外情況時可緊急停止。

1.3 自動加樣機控制系統的精確定位控制

本文以加樣電機的控制為例來進行說明。現如今步進電機的制造工藝已經非常成熟，其輸出的步距角精度一般控制在3%～5%以內，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構中，步進電機的輸出通過同步帶帶動滾珠絲桿旋轉，使得滾珠螺母連著加樣器的活塞桿實現直線運動。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值，就可以更改輸出頻率，進而改變步進電機的轉速。環形分配器模塊的功能是將分頻器發送來的脈沖分配給步進電機的各個繞組，實現電機的轉動。

步進電機的正反轉及停止狀態取決于大臂、小臂和Z向電機的位置。當Z向電機正轉，使用計數器開始計算發送的脈沖，脈沖數到預定值，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，并用計數器計算發送的脈沖數，分段控制其輸出頻率，實現加減速控制，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，同時進行發送的脈沖計數，并分段控制其輸出頻率，實現加減速控制。其他三個電機的控制方式類似。

3 結 語

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

參考文獻：

[1] 孫冠群，于少娟.控制電機與特種電機及其控制系統[M].北京：北京大學出版社，2011.

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