基于FPGA的高可靠全自动加样器

　　4 泵阀模块

　　系统采用独立的泵阀一体模块来实现高精度的微量加注，该模块采用注射式加样，其原理与普通医用注射器一致，当注射杆推进H行程时，加样体积为：

　　其中D为注射器直径，V为加样体积，可知，当注射器的直径一定时，可以通过控制注射杆的拉动行程来精确控制每次加样的体积，从而实现对加样量的控制。

　　泵阀一体模块以单片机为控制核心，采用高精度步进电机带动螺旋传动装置实现注射器的推拉。结合(3)式和步进电机的参数，可以得到系统的加样分辨率为(4)式所示，其中n为电机的细分度，l为电机导程。最终，由加样分辨率可以得到脉冲频率与电机加样速度的关系如(5)式所示。

　　除了采用步进电机改变加样液体体积，模块还采用三通电磁阀改变加样装置中的液体流向，从而实现对液体的精确吸吐。控制系统框图如图5所示，通过开环控制与反馈机制相结合实现模块功能。在自动加样系统中，泵阀一体模块通过串口与FPGA进行通信，模块的软件总流程如图6所示。

　　5 无线控制

　　为了进一步减少在加样过程中与有害液体的接触，同时实现对加样器更为灵活的控制，系统将安卓手机作为加样器的无线控制端。FPGA通过配置以太网控制芯片DM9000，与安卓手机建立基于ARP和UDP的服务器/客户机模型，其中FPGA作为服务器，手机作为客户端。系统的网络通信流程图如图7所示。

　　手机无线控制端的主要功能是对仪器进行无线控制和系统监视。发送的控制信息主要包括仪器自检、开启、暂停、恢复、关机、周保养以及试管架总数和加样量等。接收信息主要包括仪器运行状态和液位信息。

　　6 系统测试

　　设计完成后，对系统的加样精度及加样速度进行了测试，得到系统参数如表1所示。使用STP高精度电子秤，通过加样量20ul和50ul的实测值，对系统精度进行测试，得到加样精准度数据如表2所示。