血型檢測卡灌裝機控制系統的設計

陳 曦，高德釗

（河北工業大學 控制科學與工程學院，天津 300130）

微柱凝膠卡式檢測技術是一種操作簡便、準確、靈敏度高、標本用量少、結果可長期保存的免疫學檢測技術[1]。近年來，快速診斷血型檢測卡在國內發展迅速，為了提高血型卡的生產效率，快速診斷血型檢測卡灌裝機應運而生。而在血型卡灌裝機設計中，對灌裝精度和生產效率要求很高，所以對電機運行穩定性的控制和微量泵灌裝的控制最為關鍵。為了實現快速送卡和灌裝的精確度，該系統以STM32為控制核心，由步進電機控制送卡轉盤機構、灌裝針移動機構實現快速送卡和定位；由XMP6000微量泵實現精確灌裝。各機構的協調工作由軟件來實現。文中將步進電機的線性加減速方法與自適應機構有效地結合起來，根據各自的特點構造出一個步進電機加減速控制系統，通過調節控制器輸出的頻率，來提高控制系統的響應速度和精度[2]。

1 設備工作原理

轉盤式血型檢測卡灌裝機主要由送卡單元、灌液單元、灌粉單元和熱封單元組成。送卡單元主要是將空的卡片送入到轉盤卡槽中；灌液單元是通過RS485通信發送命令給微量泵，完成凝膠藥液的灌裝；灌粉單元由氣缸控制，結構相對簡單，完成藥粉的灌裝；熱封單元主要是將血型卡送到封膜工作臺，完成送膜、封膜的工作。系統有4個工位分別是送卡工位、灌液工位、灌粉工位和封口工位，相互之間間隔90°。在轉盤上對應4個工位的位置有4個定位擋光片，當定位擋光片進入到光電傳感器的有效識別范圍時，發出轉盤停轉信號，實現轉盤每次轉過90°的絕對位置的精確定位和送卡、灌液、灌粉和封膜4個工位的連續循環切換。血型卡灌裝機工作平臺示意圖如圖1所示。

圖1 灌裝工作臺示意圖Fig.1 Filling workbench schematic

2 控制系統模塊設計

轉盤式血型卡灌裝機控制系統部分主要由嵌入式微控制器STM32模塊、步進電機運動模塊、氣動控制模塊、XMP6000微量泵模塊、信號采集模塊、數據存儲模塊、LCD顯示模塊、供電電源模塊等幾部分構成。血型卡灌裝機的設計重點主要是對步進電機的啟動和停止穩定性的控制，對TECAN公司XMP6000微量注射泵和LCD觸摸屏的通信控制。本文就以上幾個模塊展開重點研究和講述。系統的模塊控制圖如圖2所示。

圖2 硬件結構圖Fig.2 Hardware configuration diagram

2.1 轉盤模塊

轉盤模塊需要保證送卡的快速性和穩定性，其關鍵是對轉盤步進電機轉速的控制。轉盤的材質需要有一定的剛度和重量，防止在轉動時出現抖動和不穩定性。經試驗選用厚度h=4 mm，直徑d=280 mm的鋁制版型材料可以滿足系統的使用要求。轉盤動力選用日本IAI的高精度電動轉臺，驅動電機為28式步進電機，減速比為1∶30，允許負載力矩3.9 N·m。經實驗該鋁制轉盤和電動轉臺滿足設計使用要求。

步進電機從靜止以較大的頻率啟動或從較高頻率轉動，突然停止時，會有較大的抖動。而轉盤模塊需頻繁的啟動和停止，為了防止電機啟動及停止時運行不穩，產生抖動，使卡片和灌裝針頭位置不準確，轉盤步進電機必須以較小的頻率啟動，經勻加速達到最高勻速運行速度；停止時，經勻減速達到較小速度時再停止。轉盤電機速度曲線如圖3所示，在圖中縱坐標是頻率f，橫坐標是運行時間t。其中從靜止以初始頻率加速到最高頻率和從最高頻率降到末頻率，再到停止是控制的關鍵[3]。由圖3可知電機加減速階段是頻率線性變化的過程，電機運行頻率和時間滿足以下關系：

圖3 轉盤電機速度曲線Fig.3 Speed curve of turntable motor

式中：f為瞬時頻率；f0為啟動頻率；a為頻率加速度；t為加速時間。STM32控制器的通用定時器使用上面的線性加減速算法，通過改變定時器比較捕獲寄存器CCRx的值，產生4路頻率可調的脈沖，達到控制轉盤電機穩定快速啟動和停止的目的。

2.2 灌液模塊

灌液模塊是血型卡灌裝機設計的核心部分，通過使用美國TECAN公司XMP6000微量注射泵，解決了灌裝精度問題。該微量泵專用于10 μl～5 ml范圍內液體濃度和劑量的精確控制。該微量泵有2種工作模式：標準模式下（6000增量）和微動模式下（48000增量），在針管的整個灌裝量程內，灌裝誤差≤0.05%，并且整個量程所需的灌裝時間可通過控制命令設置在1.2 s～160 min范圍內[4]。此外，該微量泵還有自診斷、自測試和故障報告等功能，可廣泛應用于精密灌裝領域。

XMP6000與STM32通信方式有RS232、RS485和CAN總線。本控制系統采用傳輸速率高、抗干擾能力強、相對使用方便的RS485協議進行通信，XMP6000的通信格式有多種：DT模式 （ASCII碼字符）、OEM模式（十六進制）和CAN格式（二進制）。本文選擇方便使用的ASCII碼字符格式進行通信，STM32控制器通過RS485通信發送命令或命令字符串來控制XMP6000微量泵的工作。如“/1ZR”是執行復位操作；“/1ZA6000A0R”是微量泵先復位，活塞再移動到針管6000處，最后回到初始位置。ASCII碼字符通信格式如圖4所示。

圖4 ASCII碼字符通信格式Fig.4 ASCII code character communication format

2.3 灌粉模塊

灌粉模塊是在藥液灌裝完成后，再灌裝藥粉的過程。該模塊主要由氣動部分完成，控制器控制2個XMC氣缸完成卡片定位和投粉。氣動部分主要包含繼電器模塊、電磁閥模塊、空壓機部分和氣缸。STM32控制器輸出開關量信號控制繼電器的閉合，來控制氣缸電磁閥的閉合，從而間接地控制各個氣缸的進氣和排氣工作。繼電器模塊帶有光耦隔離，抗干擾性能好。STM32與氣動部分連接示意圖如圖5所示。

圖5 氣動部分控制圖Fig.5 Control chart of the pneumatic part

2.4 LCD彩色液晶模塊

LCD是灌裝機的上位機監控操作界面，LCD液晶屏與STM32通過RS232協議進行串口通信。通過觸摸屏可以對工作參數“灌裝量”和“封膜寬度”進行修改設置，并將修改后的工作參數先存儲到E2PROM中，再通過RS232通信發送給STM32控制器，控制器經數據處理，來調整設備的生產工作狀態。同時LCD屏接收主控制器發出的命令和數據，實時顯示和監視系統的工作狀態。下次灌裝機設備上電開機時控制器首先讀取E2PROM中的數據，經數據計算處理后調整為設定參數的工作狀態，避免重復數據設定并將數據發送給液晶屏進行顯示。LCD屏與控制器的通信電路[5]如圖6所示。

圖6 通信電路圖Fig.6 Circuit diagram of communication

3 系統的軟件設計

控制系統采用KEIL_MDK軟件為交叉編譯工具來編寫控制程序，程序的整體流程如圖7所示。軟件主體程序主要包括控制系統時鐘初始化和各變量的定義，各模塊初始化，各標志位清零，通用定時器中斷子程序，故障急停中斷子程序，串口通訊子程序，轉盤定位子程序。設備開機，控制系統先執行初始化工作，再讀E2PROM中存儲的設定數據：藥液灌裝量和封膜寬度，并在液晶屏上顯示。

程序主循環結構采用while（）語句的形式，在循環中用3個標志位flag1、flag2和flag3來實現相應的功能。進入主循環程序后，先執行觸摸屏串口通訊程序，控制器讀入觸摸屏的指令，并處理執行相應的操作。然后檢測封膜標志flag3是否為1，若為1，則執行封膜程序；再檢測灌粉標志flag2是否為1，若為1，則執行灌粉程序；最后檢測灌液標志flag1是否為1，若為1，則執行灌液程序。此后循環檢測送卡信號，若是檢測到送卡開關信號，則啟動轉盤步進電機，使轉盤轉過90°，并以此循環。主程序流程如圖8所示。

圖7 程序整體流程Fig.7 Flow chart of the overall process

圖8 主程序循環Fig.8 Main program loop diagram

4 結語

灌裝機生產控制系統以STM32微處理器為核心，綜合運用電子、機械等方面的知識，利用步進電機控制技術、氣動控制技術、電子電路技術、嵌入式控制技術及光電傳感器技術等，實現微柱凝膠法血型檢測卡的自動灌裝生產，且灌裝精度高、可操作性強。該控制系統已經通過實驗，調試成功，設備結構緊湊，現場運行穩定，提高了企業的生產效率，節省了人力成本，滿足了企業的生產要求。

[1]李毅，佟力，董偉群，等.微柱凝膠卡法在血型檢測中的應用[J].昆明醫學院學報，2010，31（1）：118-119.

[2]陳曦，郭勇，趙玉玲.基于PID算法的快速診斷試紙切割機的研制[J].儀表技術與傳感器，2013（7）：80-82.

[3]余建國.基于單片機的步進電機加減速的控制方法[J].農業網絡信息，2006（5）：123-125.

[4]Operating manualRof XMP6000 Multichannel Syringe Pump[M].USA：TeCan System Inc，2006.

[5] 喻金錢，喻斌.STM32F系列ARM Cortex-M3核微控制器開發與應用[M].北京：清華大學出版社，2011.