全自动加样控制系统的设计

魏厚杰

中南民族大学生物医学工程学院 （武汉 430074）

全自动加样控制系统的设计

魏厚杰

中南民族大学生物医学工程学院 （武汉 430074）

在医学、化学和生物学等领域的试验中，实验人员经常需要对各种液体进行重复、精确的加样操作。目前，该操作主要依靠手工，或是进口的先进仪器。本文作者设计了一种基于“S3C2440微处理器平台和TA8435步进电机驱动模块”的全自动加样器电子控制模块，并给出了该系统的软硬件的详细结构。该系统可实现对预设目标进行预设容量、加样次数的操作，并具有操作界面友好、结构简单可靠等特点，可广泛运用于医学、化学和生物学等领域的精确液体体积测量，减少实验人员的重复劳动，提高加样精度。

步进电机驱动 嵌入式系统 加样

0.引言

随着微控制器和嵌入式系统的发展，为设计高智能程度的设备、仪器打下了坚实的基础。基于嵌入式芯片的控制系统已广泛应用于各行各业，其中生化、分析领域亦是如此。加样器是生化、分析领域经常使用的基本仪器，广泛应用于临床检验、制药、生命科学研究、动植物检验检疫和研究等。目前，国内生化、分析领域依然大量使用手工加样仪器或购买国外先进电子设备。也有国内开发的加样器，但控制芯片仍以8位或16位单片机为主[1～2]，存在操作界面不够人性化，用户无法对其复杂编程的缺点。为此，本文提出了一种新型智能加样器的设计方法，主控器采用S3C2440微处理器，步进电机驱动采用TA8435，设备具有操作界面友好、结构简单可靠等特点。

1.总体设计

图1. 整机原理框图

系统采用三星公司的S3C2440嵌入式处理器（带Wince 5.0操作系统）和TA8435步进电机驱动芯片。S3C2440使用ARM920T内核，主频是400MHz，具有包括GPIO、PWM、LCD接口、SD接口等丰富的外设资源。

整个系统通过触摸屏接收加样任务序列。系统根据具体任务，向GPIO发出相应的控制信号，控制TA8435驱动三路电机，使得加样头运行至预定位置，然后，向PWM发出相应的控制信号，精密控制TA8435驱动三路电机，完成加样动作。同时，LCD上实时显示当前的加样状态。另外，加样任务序列可以以文本的形式保存至系统的flash rom，也可通过SD或USB接口上传或下载。该加样器电子控制系统的整机原理如图1所示。

2.硬件设计

2.1 步进电机驱动模块

图2. TA8435原理框图

步进电机驱动模块采用Toshiba公司的TA8435芯片。该芯片是驱动二相步进电机的专用芯片，集成度高，具有以下特点：①工作电压范围宽(10～40 v)；②输出电流可达1.5 A(平均)和2.5 A(峰值)；③具有整步、半步、1/4细分、1/8细分运行方式可供选择；④采用脉宽调制式斩波驱动方式；⑤具有正/反转控制功能；⑥带有复位和使能引脚；⑦可选择使用单时钟输入或双时钟输入。[3]

从图2可以看出，TA8435主要由1个解码器、2个桥式驱动电路、2个输出电流控制电路、2个最大电流限制电路、1个斩波器等功能模块组成。

其中，M1、M2的输入电平决定电机的运行方式，实际运用中均置为高电平，电机运行在1/8细分状态；CW/CCW高低电平决定电机转动方向，实际运用中需根据实际情况，将该引脚的电平置低或者置高；CK1、CK2为时钟信号输入端，改变该信号的频率即可改变电机转速；RESET和ENABLE分别为芯片复位信号和使能信号，低电平有效；OSC脚接OSC电容，根据芯片手册公式：fosc=1/5.15/Cosc（kHz）（Cosc：uF）决定其斩波器频率；REF_IN置高或置低，决定芯片输出的最大电流；Vcc为数字电源输入，接+5V；Vma为数字电源输入，接+12V； A、A-接电机一相的两个引脚；NF引脚控制步进电机输入电流，接0.8欧姆、2W电阻到地（B相与A相对称，不再赘述）。

2.2 处理器模块

处理器模块由最小系统板和外围回路两部分组成。最小系统板采用S3C2440芯片作为CPU，外部采用K4S561632C-TC75芯片实现64MB的SDRAM，采用K9F1G08实现256MB容量的NAND FLASH，采用SST39VF1601实现NOR FLASH，为应用开发提供了足够的空间[4]。其原理见图3。

图3. S3C2440最小系统原理框图

外围回路包括控制信号输出单元、数据接口单元、触摸显示单元以及电源单元，原理见图4。

2.2.1 信号输出单元

如2.1所述，只需一个时钟输入和若干个电平输入，即可控制一路电机驱动。S3C2440片内资源中，定时器0～3可作为时钟输出的端口，GPIO可作为时钟输出端口也可作为电平输出端口。将S3C2440时钟输出端接至TA8435的CK端，电平输出端接至TA8435的CW/CCW端，即完成处理器模块和电机驱动模块的连接。

图4. 外围回路原理框图

2.2.2 数据接口单元（SD、USB）

SD卡是一种包含了控制和大容量Flash存储器的标准器件，具有容量大、体积小、性能高、携带方便等优点，已广泛运用于许多电子产品中。USB，即通用串行总线，是连接计算机系统与外部设备的一个串口总线标准，被广泛应用于个人电脑和移动设备等信息通讯产品，具有支持热插拔、传输速率高等特点。在S3C2440片内集成了这两种接口模块，通过简单的外围接口回路，即可实现该两种接口。

2.2.3 触摸显示单元

触摸显示单元采用S3C2440自带的LCD控制器。该控制器可支持256K色的TFT液晶屏，并有专门的DMA通道。具体连线请参考芯片手册。

3.软件设计

本系统软件采用Wince 5.0作为其操作系统，软件结构如图5所示[5]。

软件设计可分为：底层驱动代码的移植、电机驱动的编写和用户界面的开发。

3.1 底层驱动的移植

如前文所述，需要修改BSP中IO口的相关代码。打开BSP目录中的mini2440SrcDriversIOdriveIODriver.cpp文件，在IO初始化函数——LEDGpioInit()中加入所需要的IO口定义代码，如“s2440IOP->rGPBCON = (s2440IOP->rGPBCON &～(3 << 10)) | (1<< 10);”写IO的代 码， 如“s2440IOP->rGPBDAT=s2440IOP->rGPBDAT|(0x1<<5);”。重新编译Wince内核，即可生成所需的内核文件NK.bin。

3.2 电机驱动函数编写

在wince架构下，编写应用程序，调用底层驱动即可完成对步进电机的控制。控制电机的示例代码如下所示：

3.3 用户界面的开发

用户界面采用VS2005软件开发，界面如图6所示。

“加样器状态图”方块中的每个复选框均代表一个可加样的点位。“选中”表示该点位待加样，“未选”表示该点位无需加样。

“加样器方案设置”方块中设置具体的加样任务——选择需要加样点位的序号，输入加样体积和加样的次数，点击“添加”按钮即可完成加样任务的添加。同样，如需删除某些加样点位，在“序号”中选中该点位，点击“移除”按钮即可。

点击“查看任务”，以对话框的方式弹出系统目前记录的加样任务；点击“保存任务”，系统以文本的方式保存现有任务；点击“加载任务”，系统可加载符合系统特定格式要求的文本文件。点击“提交任务”，系统按照预设任务，开始自动执行加样操作。

3.结束语

本文所设计的电子系统配合相应的机械部分，已经构成一套完整的自动化加样系统，并通过样机测试。该系统可按照预设任务，进行无人值守的加样作业，也可在本系统的基础上，增加多路加样功能、网络控制功能，以形成系列产品。

[1]金海龙. 智能多路加样器的开发. 燕山大学学报， 2001, 25(3):252-254

[2]关学忠, 胡松. 单片机与TA8435的步进电机细分控制.单片机与嵌入式系统应用, 2006, 5:76-80

[3]toshiba Corp. TA8435H/HQ datasheet http://www.toshiba.com/taec/components2/Datasheet_Sync//382/3537.pdf . 2010

[4]广州友善之臂科技有限公司. Micro2440用户手册, 2009

[5]张冬泉, 谭南林, 苏树强. Windows CE实用开发技术（第2版）. 北京: 电子工业出版社, 2008

Design for Automatic Control System of Sampling

WEI Hou-jie
South-Central University for Nationalities (Wuhan 430074)

In medicine, chemistry, biology and other fields of study, laboratory personnel often need to repeat a variety of liquids, accurate pipetting operations. Currently, the operation mainly relies on the manual operation, or the import of foreign advanced equipment.So the automatic pipettes & electronic control module is designed based on "S3C2440 microprocessor platform and TA8435 stepper motor drive module". The system gives the detailed structure of the hardware and software. The system can be preseted for the target capacity, the number of sample operations, and has a friendly interface for users. Its con figuration is simple and reliable,and can be widely used in medicine, chemistry, biology.

stepper motor driver,embedded systems,pipette

1006-6586(2011)12-0019-05

：R857.2

：A

2011-06-15

魏厚杰，硕士研究生