基于HMI多通道注射泵控制系統的設計

沈亞斌 ，張晨東 ，趙 濤

（1.南京工程學院 自動化學院，南京 211167；2.南京商典得科技有限公司，南京 210049）

微量注射泵是臨床醫療和生命科學研究、試劑生產中經常使用的一種長時間進行微量注射的儀器，這種儀器主要應用于靜脈輸液、給藥和精密化學實驗中的試劑加注，也可廣泛應用于藥理學、生物學、基因工程、環境工程等實驗、研究、生產領域中。通過與微機進行通訊，使藥液以實驗規劃所設定的速度曲線注射入實驗標本，所得到的實驗數據更加準確。此外，在試劑生產中，通過生產線上位機的指令，使藥液按照設定的速度、數量注入試管中，大大提高生產效率[1-2]。注射泵在歐美國家已得到廣泛的應用，其技術已經相對成熟，對其研究也比較深入，如文獻[3]采用了直線步進電機代替傳統的旋轉電機，使機械傳動部分大大簡化。而國內則處于發展和推廣階段，現今國內外微量注射泵的主要問題是精度不高，而且一般只實現單通道勻速注射。而有些場合如食品檢測色譜分析中往往要求勻變速注射試劑；為了提高生產效率，有時需要一次同時對多個目標進行試劑加注。

本文采用美國TECAN Cavro XLP6000注射泵模塊，通過基于RS485的觸摸屏控制器、同步控制器，設計了多通道微量注射泵控制系統，聯動控制多臺注射泵，實現人機對話與數據處理，使之成為數字化、集成化、自動化的新型高效、精密加樣儀器。

1 注射泵結構與工作原理

Cavro XLP6000微量泵是一種開放式、可完全編程的高精度流體控制模塊，專用于50 μL～25 mL范圍內液體濃度和劑量的精確控制。該泵具有2種泵入/注射分辨率：6000增量和48000增量在整個量程范圍內，其誤差≤0.05%，并且整個量程所需的注射時間可通過控制命令設置在1.2 s～160 min范圍內。此外，該泵還具有自診斷、自測試及自動故障報告功能[4]。

圖1為XLP6000注射泵模塊結構示意圖。主要由注射管、注射活塞、可控閥門、注射推進步進電機、閥控步進電機及控制電路組成。注射活塞通過泵底部的注射推進電機和一根絲桿驅動，其行程為60 mm，分辨率為6000增量和48000增量。

圖1 XLP6000注射泵模塊結構示意圖Fig.1 Block diagram of XLP6000 syringe pump

注射電機通過同步皮帶傳動與螺紋絲杠相連，螺紋絲杠上的滑動塊連接注射器推注柄，實現注射器的推動。通過同步皮帶帶動絲杠機構，推動注射器，使其按設定的速率運行，完成注射過程。而其最終步進數由電子編碼器檢測?？煽亻y門由泵頂部的閥控電機驅動，可通過命令將其設置3端、4端、分布式3端、分布式4端等各種類型，并且分配輸入輸出端口，以便適應不同的應用，并且閥門由閥電機帶動，控制注射泵進行出液和進液。

注射泵模塊是系統構成的基礎，除了要完成注射、進輸的功能外，還通過通訊接口與上位機相連。系統工作時，首先上位機將各輸液參數通過通訊總線發送給相應的單泵模塊，注射泵系統將接收到的各設定值保存在E2PROM。因此在不改變設置的情況下，注射泵模塊可以脫離上位機獨立工作。

2 控制系統硬件設計

2.1 系統設計

多通道微量注射泵控制系統主要包括多套注射泵（最多達15套）、HMI、同步控制器、電源等組成。其系統框圖如圖2所示。

圖2 控制系統框圖Fig.2 Functional block diagram of the control system

電源模塊提供給注射泵模塊（24 V直流）、觸摸屏及同步控制器所需的控制電源。由于生產現場的電磁環境比較惡劣，電源需要較強的EMI性能[5]。HMI通過RS485總線與各單泵通訊，主要完成人機對話和系統監控功能?？紤]到生產線比較惡劣的電磁環境，當控制參數通過HMI下載到各注射泵后，HMI可以脫離注射泵系統，此時采用同步控制器同步控制注射泵的工作，根據生產線主機的控制命令，來同步啟動或停止多臺注射泵，完成多通道藥液的同步加注。

2.2 HMI設計

HMI主要功能為向每個注射泵發送工作參數，如注射泵排液速度、排出液體體積、工作次數（自動計算出）、吸液速度、吸液體積、泵工作狀態輸出（固定）等。2個參數可以在HMI上編輯（排液速度和排液體積），完成后發送至每個注射泵。注射泵接收參數，在收到啟動信號后，即按該參數的要求工作一次。在不用調整參數時，注射泵保存該參數，直到再次接收新參數為止。

文中的HMI為觸屏，采用320×240點陣5吋屏幕，觸摸控制采用ADI公司生產的4線電阻式觸摸控制器ADS7843。采用STC10F單片機控制顯示、觸屏工作以及與RS485通訊。HMI電路結構圖如圖3所示。

圖3 觸摸屏控制框圖Fig.3 Principle diagram of touch screen control

4線電阻屏幕，可以示意出2個電阻，測量X方向的時候，將X+，X-之間加上參考電壓，Y-斷開，Y+作為A/D輸入，因為A/D轉換獲得X方向的電壓，同理測量Y方向的時候，將Y+，Y-之間加上參考電壓，X-斷開，X+作為A/D輸入，進行A/D轉換獲得Y方向的電壓，之后再完成電壓與坐標的換算，整個過程類似一個電位器，觸摸不同的位置分得不同的電壓[6]。ADS7843和單片機的接口如圖3所示，均是數字信號，數據輸入、輸出、時鐘輸入為串行方式，最高轉換頻率為125 kHz。單片機中斷系統中將INT0分配給觸摸屏控制器，并且設定成低電平觸發，這樣可以檢測按鍵時間，可以用按鍵長短處理不同的功能[7]。單片機計算觸點坐標落在液晶屏的位置，根據計算的結果判斷執行相應的功能函數。使觸摸屏和液晶屏有機地結合起來，建立一定的邏輯關系，交互地進行信息存取和輸出。

2.3 同步控制器設計

圖4給出了同步控制板的電路框圖。同步控制板采用STC10F單片機為控制核心，輸入信號均采用光耦隔離輸入，輸出信號均為繼電器觸點信號。

圖4 同步控制板電路框圖Fig.4 Principle diagram of synchronous control board

同步控制器的啟動信號來自生產線上位機（PLC）的一個開關量信號。工作時同步控制器CPU等待上位機的啟動命令，P1.0口接受到信號后，CPU的P1.1口發出應答信號，并由P2口和P3口同步送出多路控制電平，經過ULN2008驅動送到繼電器陣列，以此控制多臺注射泵同步工作。

在實際工作時，根據現場工作情況，并不是每臺注射泵都需要工作，因此，同步控制板實時檢測每一路注射泵的工作電流，判斷該泵是否上電，如果判斷該泵沒有上電，則該路控制泵開啟信號無效。圖4所示電路采用P0口分次讀取多路注射泵電源開啟信號，通過P1.4～P1.7控制2片74HC573工作。當P1.4、P1.7為低電平，P1.5、P1.6為高電平時，P0讀取上8路注射泵電源開啟狀態；當P1.4、P1.7為高電平，P1.5、P1.6為低電平時，P0讀取下7路注射泵電源開啟狀態。

3 軟件設計

多通道注射泵控制系統的軟件分為HMI控制軟件和同步控制板的軟件，同步控制板的軟件相對簡單，在此略去。HMI控制軟件包括通訊、觸屏控制、LCD顯示、注射泵控制命令生成及發布等幾個模塊。圖5所示為觸屏控制及顯示的流程圖，觸摸屏控制器的軟件采用中斷方式進行觸摸區域的判別、命令和參數的接收，并可在屏上實時顯示相關參數和狀態信息。

圖5 觸屏控制程序流程圖Fig.5 Flow chart of touch screen control

HMI控制軟件另一個核心是控制命令產生和發布，根據觸摸屏輸入的各種控制信息，按照XLP6000注射泵的命令協議，將輸入的控制信息進行轉換，再依據通訊協議通過RS485發送至各注射泵。XLP6000與PC機或其它控制器進行通訊時，有3種通訊方式可供選擇：RS-232、RS-485和CAN總線，XLP6000具有自動檢測通訊方式的功能。本文采用XLP6000 OEM通訊協議。

表1給出了一段噴涂控制的部分命令代碼。該段命令要求采用10 mL注射管，每次加注41.67 μL藥劑，完成多批次加注。

表1 加注控制命令代碼Tab.1 Instruction code of filling control

4 結語

本文針對醫藥、生物、化工等生產企業批量加注、噴涂試劑對注射泵高速高效、高精度的實際需求，設計了采用觸摸屏、同步控制器的多通道微量注射泵控制系統，通過對XLP6000注射泵控制命令的多層嵌套設計與發送，使多通道的注射泵能實現同步、精確的加注。該系統經調試和用戶使用，達到了預期效果，具有較好的市場前景。

[1] 吳澤華，曹偉華，龍尚斌.精密微量注射泵的設計與實現[J].現代電子技術，2009（15）：139-141.

[2] 趙清林.醫用微量輸液泵的設計[J].自動化與儀表，2002，17（2）：46-48.

[3] 田建軍.單片機控制的輸液泵系統設計[J].中小型電機，2004，31（1）：53-55.

[4] Imen Saidi，Lilia EI Amraoui Ouni，Mohamed Bebrejeb.Design of an electrical syringe pump using a linear tubular step actuator[C]//InternationalJouranlofSciencesand Techniquesof Automatic Control&Computer Engineering，2010：1388-1401.

[5] Operating Manual of CavroTM XLP6000 Modular Syringe Pump[M].USA：TeCan System Inc，2004.

[6] 趙濤，劉漢忠，張永號，等.電流模式控制正激變換器的建模與設計[J].電力電子技術，2013（8）：4-6.

[7] 黃海萍，郭振軍，黃廷磊.四線電阻式觸摸屏控制器的應用研究[J].儀表技術，2007（10）：45-46，50. ■