多通道微量注射泵的设计与实现

摘要：微量注射泵广泛应用于临床医疗和生命科学研究中。旨在开发一套性能优越的自动化送液系统，要求系统具有精度高，能同时联动控制多台注射泵进行加减速注射，且计算机实时控制的特点。使用Microsoft Visual C++6．0开发工具设计一款上位机监控软件，以实现自动化处理。硬件采用ARM+FPGA的组合，充分发挥FPGA优越的逻辑时序功能和并行处理的优点。步进电机驱动器的高细分提高了注射精度，应用多个传感器对注射状态进行检测，成功实现了智能精密注射和对注射器的保护。
关键词：微量注射泵；步进电机；ARM；FPGA；传感器

0 引言
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，这种仪器主要应用于动静脉输液，输血和精密化学实验。现今国内外微量注射泵的主要问题是精度不高，而且一般只实现单通道匀速注射。而有些场合如食品检测色谱分析中往往要求匀变速注射试剂。因此设计匀加速或匀减速注射泵，并且联动控制多台注射泵，实现人机对话数据处理是非常有必要的。

1 系统概述
如图1所以，系统可以分为计算机软件控制模块、主控制芯片模块、步进电机驱动模块、传感器模块等4个模块。

计算机通过RS 232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，运行后可以实现全自动化处理。主控制芯片模块由ARM和FPGA以及外围电路组成，FPGA产生步进电机所需要的电脉冲信号，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，从而带动步进电机转子运转。与此同时安装在电机轴上的增量式旋转编码器和压力传感器实时监控电机的实际工作情况，由于FPGA具有硬件实时处理的特点，传感器的数据会同步传给FPGA，当旋转编码器已经停止编码，而FPGA在发送脉冲信号，则会马上停止电机运转并蜂鸣报警，进入堵转状态；在压力传感器测得压力超过最大限压时，也会马上停止电机工作，且计算机提示和蜂鸣报警。

2 硬件设计
2．1 主控制芯片模块
如图2所示，主控模块采用ARM和FPGA相结合的方式。ARM嵌入式处理器主要负责人机接口和对外通信并对总的进程进行管理，FPGA实现并行控制多路步进电机和对传感器的实时处理。其外围电路包括：液晶模块、键盘输入模块、电源模块、RS 232接口转换模块、报警模块。

ARM采用意法半导体(ST)公司推出的基于ARMCorrex M3内核的STM32F103处理器。它集32位RISC处理器，低功耗、高性能模拟技术、高速DMA通道及丰富的片内外设、JTAG仿真调试于一体。在性能上，CorrexM3内核采用ARM V7体系结构，指令速度可接近80 MIPS，具有强大的数据处理能力和运算能力。