FPGA在多孔板自动加样机控制系统中的应用

刘志刚　李旭宇

摘 要：在自动加样机系统的运行中，移液嘴从样品瓶中吸取样品，再移动到多孔板的每一个试管孔中。移液嘴的三维移动和吸取/释放样品动作都是由步进电机来驱动。因此，文章所研究的自动加样机控制系统需要控制四个步进电机，在运动过程中要求每一个动作快速、可靠，而且精度高。采用低成本的Cyclone II器件系列的 FPGA芯片作为控制芯片，实现四个步进电机的驱动。经过调试，该FPGA芯片能够很好的实现加样系统对电机的驱动需求，减少了控制系统的外围电路，减小了体积。

关键词：FPGA；加样机；自动控制系统

中图书分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2012）32-0032-02

FPGA（Field Programmable Gate Array）即现场可编程门阵列，相比于其他的可编程逻辑器件，一片FPGA可以集成几十万到上百万逻辑门，并且其逻辑功能单元不仅限于逻辑门而可以具有较为复杂的逻辑功能，使得芯片功能大幅度加强。FPGA基于SRAM架构，主要由六个基本部分组成，即基本可编程逻辑单元CLB（Configurable Logic Block），可编程输入输出单元lOB（I/O Block），嵌入式RAM，丰富的布线资源，底层嵌入功能单元和内嵌专用硬核。

Cyclone II器件系列的FPGA芯片是电子市场上大批量应用最优的低成本方案，包括消费电子、电信和无线、计算机外设、工业控制和汽车。Cyclone II器件包含了诸如嵌入存储器、嵌入乘法器、PLL和低成本的封装，这些都为诸如视频显示、数字电视、电机驱动、等批量应用进行了优化。其采用硬件描述语言，其大大简化外围电路，减少了硬件的体积，节省了空间。在需要重复精确定位的控制系统中，常采用低成本的步进电机作为执行元件。步进电机又称脉冲马达，是将电脉冲信号转换为线位移或角位移的电动机，它输出的角位移与输入的脉冲数成正比，控制输入脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序，就可以得到各种需要的运行特性。由于它没有累积误差，故可用于本文的高精度的加样系统中。

1 多孔板自动加样机控制系统的实现

多孔板自动加样机的功能是将样品从样品瓶吸取后移至多孔板的每一个孔中。它可以广泛的应用与医药实验、医药化验、临床检验、生化实验等研究领域中。本多孔板加样机是采用柱坐标的形式实现移液嘴三维移动，即水平面的定位结构见图1所示，由一个大臂围绕固定基座旋转，小臂的一端安装移液嘴，另一端可围绕大臂轴旋转。样品的吸取和释放通过驱动注射式加样器的活塞杆前后运动来实现。移液嘴通过软管与加样器连接，实现吸液与释放液体。故整个加样系统需要对四个电机进行驱动控制，即大臂驱动电机、小臂驱动电机、上下运动驱动电机和加样驱动电机。在吸取样品后，大臂电机和小臂电机需要同时驱动，可加快整个加样的速度。本文选用Cyclone II器件系列的FPGA芯片通过硬件描述语言的编程，可实现四个电机同时控制的功能，还可大大减少外围硬件电路的设计，节省了空间，提高了其可靠性。

1.1 自动控制系统的组成

本文选用的是Cyclone II器件系列型号为EP2C5Q208C8N的芯片作为控制芯片。采用L298的芯片驱动步进电机。控制芯片与驱动芯片的信号采用光电耦合。

1.2 自动加样机的控制要求

多孔板自动加样机的控制要求如下：首先将样品瓶固定在台面上一端，将移液嘴对准样品瓶，调为零点。按下开始按钮后，其工作流程为：Z向电机正转，移液嘴下移至样品瓶底停止→加样电机正转，注射式加样器活塞杆拉出，吸取规定量停止→Z向电机反转，移液嘴上升至零点停止→大臂电机和小臂电机同时转动，使移液嘴移至目标试管孔上方停止→加样电机反转，将液体加入试管孔后停止→大臂电机和小臂电机同时归零，使移液嘴重新回到样品瓶上方后停止。一次循环结束。在控制系统中设有紧急停止按钮，在出现意外情况时可紧急停止。

1.3 自动加样机控制系统的精确定位控制

本文以加样电机的控制为例来进行说明。现如今步进电机的制造工艺已经非常成熟，其输出的步距角精度一般控制在3%～5%以内，而且不会累积。在本文所述的多孔板自动加样机的加样装置的结构中，步进电机的输出通过同步带带动滚珠丝杆旋转，使得滚珠螺母连着加样器的活塞杆实现直线运动。同步带的传动比为0.4，滚珠丝杆的导程为2.5 mm。选用的加样器的满量程为

2 控制系统的软件设计

FPGA的编程软件用的Quartus II 软件，可以用VHDL语言、Verilog HDL语言、原理图输入等编程方式。本文采用VHDL硬件描述语言来编程。在此芯片中的时钟频率为20 MHz。以控制加样电机为例，主要可分为分频器控制模块和环形分配器模块。通过对时钟频率的分频设计，可以得到20 MHz以下的任意频率。通过改变分频器的计数值，就可以更改输出频率，进而改变步进电机的转速。环形分配器模块的功能是将分频器发送来的脉冲分配给步进电机的各个绕组，实现电机的转动。

步进电机的正反转及停止状态取决于大臂、小臂和Z向电机的位置。当Z向电机正转，使用计数器开始计算发送的脉冲，脉冲数到预定值，Z向电机停止，此时移液嘴下降到样品瓶底，加样电机起动正转，并用计数器计算发送的脉冲数，分段控制其输出频率，实现加减速控制，防止过冲。当大臂和小臂移动到试管孔上方预定位置时，加样电机反转，同时进行发送的脉冲计数，并分段控制其输出频率，实现加减速控制。其他三个电机的控制方式类似。

3 结 语

本自动加样机的自动控制系统使用低成本的FPGA控制芯片，控制整个加样机的动作流程，实现了加样的自动化，简化了外围电路的设计，节省了空间，大大提高了可靠性和精确性，达到了预期的效果。

参考文献：

[1] 孙冠群，于少娟.控制电机与特种电机及其控制系统[M].北京：北京大学出版社，2011.

[2] 李国丽.EDA与数字系统设计[M].北京：机械工业出版社，2009.