血型检测卡灌装机控制系统的设计

陈 曦，高德钊

（河北工业大学 控制科学与工程学院，天津 300130）

微柱凝胶卡式检测技术是一种操作简便、准确、灵敏度高、标本用量少、结果可长期保存的免疫学检测技术[1]。近年来，快速诊断血型检测卡在国内发展迅速，为了提高血型卡的生产效率，快速诊断血型检测卡灌装机应运而生。而在血型卡灌装机设计中，对灌装精度和生产效率要求很高，所以对电机运行稳定性的控制和微量泵灌装的控制最为关键。为了实现快速送卡和灌装的精确度，该系统以STM32为控制核心，由步进电机控制送卡转盘机构、灌装针移动机构实现快速送卡和定位；由XMP6000微量泵实现精确灌装。各机构的协调工作由软件来实现。文中将步进电机的线性加减速方法与自适应机构有效地结合起来，根据各自的特点构造出一个步进电机加减速控制系统，通过调节控制器输出的频率，来提高控制系统的响应速度和精度[2]。

1 设备工作原理

转盘式血型检测卡灌装机主要由送卡单元、灌液单元、灌粉单元和热封单元组成。送卡单元主要是将空的卡片送入到转盘卡槽中；灌液单元是通过RS485通信发送命令给微量泵，完成凝胶药液的灌装；灌粉单元由气缸控制，结构相对简单，完成药粉的灌装；热封单元主要是将血型卡送到封膜工作台，完成送膜、封膜的工作。系统有4个工位分别是送卡工位、灌液工位、灌粉工位和封口工位，相互之间间隔90°。在转盘上对应4个工位的位置有4个定位挡光片，当定位挡光片进入到光电传感器的有效识别范围时，发出转盘停转信号，实现转盘每次转过90°的绝对位置的精确定位和送卡、灌液、灌粉和封膜4个工位的连续循环切换。血型卡灌装机工作平台示意图如图1所示。

图1 灌装工作台示意图Fig.1 Filling workbench schematic

2 控制系统模块设计

转盘式血型卡灌装机控制系统部分主要由嵌入式微控制器STM32模块、步进电机运动模块、气动控制模块、XMP6000微量泵模块、信号采集模块、数据存储模块、LCD显示模块、供电电源模块等几部分构成。血型卡灌装机的设计重点主要是对步进电机的启动和停止稳定性的控制，对TECAN公司XMP6000微量注射泵和LCD触摸屏的通信控制。本文就以上几个模块展开重点研究和讲述。系统的模块控制图如图2所示。

图2 硬件结构图Fig.2 Hardware configuration diagram

2.1 转盘模块

转盘模块需要保证送卡的快速性和稳定性，其关键是对转盘步进电机转速的控制。转盘的材质需要有一定的刚度和重量，防止在转动时出现抖动和不稳定性。经试验选用厚度h=4 mm，直径d=280 mm的铝制版型材料可以满足系统的使用要求。转盘动力选用日本IAI的高精度电动转台，驱动电机为28式步进电机，减速比为1∶30，允许负载力矩3.9 N·m。经实验该铝制转盘和电动转台满足设计使用要求。

步进电机从静止以较大的频率启动或从较高频率转动，突然停止时，会有较大的抖动。而转盘模块需频繁的启动和停止，为了防止电机启动及停止时运行不稳，产生抖动，使卡片和灌装针头位置不准确，转盘步进电机必须以较小的频率启动，经匀加速达到最高匀速运行速度；停止时，经匀减速达到较小速度时再停止。转盘电机速度曲线如图3所示，在图中纵坐标是频率f，横坐标是运行时间t。其中从静止以初始频率加速到最高频率和从最高频率降到末频率，再到停止是控制的关键[3]。由图3可知电机加减速阶段是频率线性变化的过程，电机运行频率和时间满足以下关系：

图3 转盘电机速度曲线Fig.3 Speed curve of turntable motor

式中：f为瞬时频率；f0为启动频率；a为频率加速度；t为加速时间。STM32控制器的通用定时器使用上面的线性加减速算法，通过改变定时器比较捕获寄存器CCRx的值，产生4路频率可调的脉冲，达到控制转盘电机稳定快速启动和停止的目的。

2.2 灌液模块

灌液模块是血型卡灌装机设计的核心部分，通过使用美国TECAN公司XMP6000微量注射泵，解决了灌装精度问题。该微量泵专用于10 μl～5 ml范围内液体浓度和剂量的精确控制。该微量泵有2种工作模式：标准模式下（6000增量）和微动模式下（48000增量），在针管的整个灌装量程内，灌装误差≤0.05%，并且整个量程所需的灌装时间可通过控制命令设置在1.2 s～160 min范围内[4]。此外，该微量泵还有自诊断、自测试和故障报告等功能，可广泛应用于精密灌装领域。

XMP6000与STM32通信方式有RS232、RS485和CAN总线。本控制系统采用传输速率高、抗干扰能力强、相对使用方便的RS485协议进行通信，XMP6000的通信格式有多种：DT模式 （ASCII码字符）、OEM模式（十六进制）和CAN格式（二进制）。本文选择方便使用的ASCII码字符格式进行通信，STM32控制器通过RS485通信发送命令或命令字符串来控制XMP6000微量泵的工作。如“/1ZR”是执行复位操作；“/1ZA6000A0R”是微量泵先复位，活塞再移动到针管6000处，最后回到初始位置。ASCII码字符通信格式如图4所示。

图4 ASCII码字符通信格式Fig.4 ASCII code character communication format

2.3 灌粉模块

灌粉模块是在药液灌装完成后，再灌装药粉的过程。该模块主要由气动部分完成，控制器控制2个XMC气缸完成卡片定位和投粉。气动部分主要包含继电器模块、电磁阀模块、空压机部分和气缸。STM32控制器输出开关量信号控制继电器的闭合，来控制气缸电磁阀的闭合，从而间接地控制各个气缸的进气和排气工作。继电器模块带有光耦隔离，抗干扰性能好。STM32与气动部分连接示意图如图5所示。

图5 气动部分控制图Fig.5 Control chart of the pneumatic part

2.4 LCD彩色液晶模块

LCD是灌装机的上位机监控操作界面，LCD液晶屏与STM32通过RS232协议进行串口通信。通过触摸屏可以对工作参数“灌装量”和“封膜宽度”进行修改设置，并将修改后的工作参数先存储到E2PROM中，再通过RS232通信发送给STM32控制器，控制器经数据处理，来调整设备的生产工作状态。同时LCD屏接收主控制器发出的命令和数据，实时显示和监视系统的工作状态。下次灌装机设备上电开机时控制器首先读取E2PROM中的数据，经数据计算处理后调整为设定参数的工作状态，避免重复数据设定并将数据发送给液晶屏进行显示。LCD屏与控制器的通信电路[5]如图6所示。

图6 通信电路图Fig.6 Circuit diagram of communication

3 系统的软件设计

控制系统采用KEIL_MDK软件为交叉编译工具来编写控制程序，程序的整体流程如图7所示。软件主体程序主要包括控制系统时钟初始化和各变量的定义，各模块初始化，各标志位清零，通用定时器中断子程序，故障急停中断子程序，串口通讯子程序，转盘定位子程序。设备开机，控制系统先执行初始化工作，再读E2PROM中存储的设定数据：药液灌装量和封膜宽度，并在液晶屏上显示。

程序主循环结构采用while（）语句的形式，在循环中用3个标志位flag1、flag2和flag3来实现相应的功能。进入主循环程序后，先执行触摸屏串口通讯程序，控制器读入触摸屏的指令，并处理执行相应的操作。然后检测封膜标志flag3是否为1，若为1，则执行封膜程序；再检测灌粉标志flag2是否为1，若为1，则执行灌粉程序；最后检测灌液标志flag1是否为1，若为1，则执行灌液程序。此后循环检测送卡信号，若是检测到送卡开关信号，则启动转盘步进电机，使转盘转过90°，并以此循环。主程序流程如图8所示。

图7 程序整体流程Fig.7 Flow chart of the overall process

图8 主程序循环Fig.8 Main program loop diagram

4 结语

灌装机生产控制系统以STM32微处理器为核心，综合运用电子、机械等方面的知识，利用步进电机控制技术、气动控制技术、电子电路技术、嵌入式控制技术及光电传感器技术等，实现微柱凝胶法血型检测卡的自动灌装生产，且灌装精度高、可操作性强。该控制系统已经通过实验，调试成功，设备结构紧凑，现场运行稳定，提高了企业的生产效率，节省了人力成本，满足了企业的生产要求。

[1]李毅，佟力，董伟群，等.微柱凝胶卡法在血型检测中的应用[J].昆明医学院学报，2010，31（1）：118-119.

[2]陈曦，郭勇，赵玉玲.基于PID算法的快速诊断试纸切割机的研制[J].仪表技术与传感器，2013（7）：80-82.

[3]余建国.基于单片机的步进电机加减速的控制方法[J].农业网络信息，2006（5）：123-125.

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

[5] 喻金钱，喻斌.STM32F系列ARM Cortex-M3核微控制器开发与应用[M].北京：清华大学出版社，2011.