基于HMI多通道注射泵控制系统的设计

沈亚斌 ，张晨东 ，赵 涛

（1.南京工程学院 自动化学院，南京 211167；2.南京商典得科技有限公司，南京 210049）

微量注射泵是临床医疗和生命科学研究、试剂生产中经常使用的一种长时间进行微量注射的仪器，这种仪器主要应用于静脉输液、给药和精密化学实验中的试剂加注，也可广泛应用于药理学、生物学、基因工程、环境工程等实验、研究、生产领域中。通过与微机进行通讯，使药液以实验规划所设定的速度曲线注射入实验标本，所得到的实验数据更加准确。此外，在试剂生产中，通过生产线上位机的指令，使药液按照设定的速度、数量注入试管中，大大提高生产效率[1-2]。注射泵在欧美国家已得到广泛的应用，其技术已经相对成熟，对其研究也比较深入，如文献[3]采用了直线步进电机代替传统的旋转电机，使机械传动部分大大简化。而国内则处于发展和推广阶段，现今国内外微量注射泵的主要问题是精度不高，而且一般只实现单通道匀速注射。而有些场合如食品检测色谱分析中往往要求匀变速注射试剂；为了提高生产效率，有时需要一次同时对多个目标进行试剂加注。

本文采用美国TECAN Cavro XLP6000注射泵模块，通过基于RS485的触摸屏控制器、同步控制器，设计了多通道微量注射泵控制系统，联动控制多台注射泵，实现人机对话与数据处理，使之成为数字化、集成化、自动化的新型高效、精密加样仪器。

1 注射泵结构与工作原理

Cavro XLP6000微量泵是一种开放式、可完全编程的高精度流体控制模块，专用于50 μL～25 mL范围内液体浓度和剂量的精确控制。该泵具有2种泵入/注射分辨率：6000增量和48000增量在整个量程范围内，其误差≤0.05%，并且整个量程所需的注射时间可通过控制命令设置在1.2 s～160 min范围内。此外，该泵还具有自诊断、自测试及自动故障报告功能[4]。

图1为XLP6000注射泵模块结构示意图。主要由注射管、注射活塞、可控阀门、注射推进步进电机、阀控步进电机及控制电路组成。注射活塞通过泵底部的注射推进电机和一根丝杆驱动，其行程为60 mm，分辨率为6000增量和48000增量。

图1 XLP6000注射泵模块结构示意图Fig.1 Block diagram of XLP6000 syringe pump

注射电机通过同步皮带传动与螺纹丝杠相连，螺纹丝杠上的滑动块连接注射器推注柄，实现注射器的推动。通过同步皮带带动丝杠机构，推动注射器，使其按设定的速率运行，完成注射过程。而其最终步进数由电子编码器检测。可控阀门由泵顶部的阀控电机驱动，可通过命令将其设置3端、4端、分布式3端、分布式4端等各种类型，并且分配输入输出端口，以便适应不同的应用，并且阀门由阀电机带动，控制注射泵进行出液和进液。

注射泵模块是系统构成的基础，除了要完成注射、进输的功能外，还通过通讯接口与上位机相连。系统工作时，首先上位机将各输液参数通过通讯总线发送给相应的单泵模块，注射泵系统将接收到的各设定值保存在E2PROM。因此在不改变设置的情况下，注射泵模块可以脱离上位机独立工作。

2 控制系统硬件设计

2.1 系统设计

多通道微量注射泵控制系统主要包括多套注射泵（最多达15套）、HMI、同步控制器、电源等组成。其系统框图如图2所示。

图2 控制系统框图Fig.2 Functional block diagram of the control system

电源模块提供给注射泵模块（24 V直流）、触摸屏及同步控制器所需的控制电源。由于生产现场的电磁环境比较恶劣，电源需要较强的EMI性能[5]。HMI通过RS485总线与各单泵通讯，主要完成人机对话和系统监控功能。考虑到生产线比较恶劣的电磁环境，当控制参数通过HMI下载到各注射泵后，HMI可以脱离注射泵系统，此时采用同步控制器同步控制注射泵的工作，根据生产线主机的控制命令，来同步启动或停止多台注射泵，完成多通道药液的同步加注。

2.2 HMI设计

HMI主要功能为向每个注射泵发送工作参数，如注射泵排液速度、排出液体体积、工作次数（自动计算出）、吸液速度、吸液体积、泵工作状态输出（固定）等。2个参数可以在HMI上编辑（排液速度和排液体积），完成后发送至每个注射泵。注射泵接收参数，在收到启动信号后，即按该参数的要求工作一次。在不用调整参数时，注射泵保存该参数，直到再次接收新参数为止。

文中的HMI为触屏，采用320×240点阵5吋屏幕，触摸控制采用ADI公司生产的4线电阻式触摸控制器ADS7843。采用STC10F单片机控制显示、触屏工作以及与RS485通讯。HMI电路结构图如图3所示。

图3 触摸屏控制框图Fig.3 Principle diagram of touch screen control

4线电阻屏幕，可以示意出2个电阻，测量X方向的时候，将X+，X-之间加上参考电压，Y-断开，Y+作为A/D输入，因为A/D转换获得X方向的电压，同理测量Y方向的时候，将Y+，Y-之间加上参考电压，X-断开，X+作为A/D输入，进行A/D转换获得Y方向的电压，之后再完成电压与坐标的换算，整个过程类似一个电位器，触摸不同的位置分得不同的电压[6]。ADS7843和单片机的接口如图3所示，均是数字信号，数据输入、输出、时钟输入为串行方式，最高转换频率为125 kHz。单片机中断系统中将INT0分配给触摸屏控制器，并且设定成低电平触发，这样可以检测按键时间，可以用按键长短处理不同的功能[7]。单片机计算触点坐标落在液晶屏的位置，根据计算的结果判断执行相应的功能函数。使触摸屏和液晶屏有机地结合起来，建立一定的逻辑关系，交互地进行信息存取和输出。

2.3 同步控制器设计

图4给出了同步控制板的电路框图。同步控制板采用STC10F单片机为控制核心，输入信号均采用光耦隔离输入，输出信号均为继电器触点信号。

图4 同步控制板电路框图Fig.4 Principle diagram of synchronous control board

同步控制器的启动信号来自生产线上位机（PLC）的一个开关量信号。工作时同步控制器CPU等待上位机的启动命令，P1.0口接受到信号后，CPU的P1.1口发出应答信号，并由P2口和P3口同步送出多路控制电平，经过ULN2008驱动送到继电器阵列，以此控制多台注射泵同步工作。

在实际工作时，根据现场工作情况，并不是每台注射泵都需要工作，因此，同步控制板实时检测每一路注射泵的工作电流，判断该泵是否上电，如果判断该泵没有上电，则该路控制泵开启信号无效。图4所示电路采用P0口分次读取多路注射泵电源开启信号，通过P1.4～P1.7控制2片74HC573工作。当P1.4、P1.7为低电平，P1.5、P1.6为高电平时，P0读取上8路注射泵电源开启状态；当P1.4、P1.7为高电平，P1.5、P1.6为低电平时，P0读取下7路注射泵电源开启状态。

3 软件设计

多通道注射泵控制系统的软件分为HMI控制软件和同步控制板的软件，同步控制板的软件相对简单，在此略去。HMI控制软件包括通讯、触屏控制、LCD显示、注射泵控制命令生成及发布等几个模块。图5所示为触屏控制及显示的流程图，触摸屏控制器的软件采用中断方式进行触摸区域的判别、命令和参数的接收，并可在屏上实时显示相关参数和状态信息。

图5 触屏控制程序流程图Fig.5 Flow chart of touch screen control

HMI控制软件另一个核心是控制命令产生和发布，根据触摸屏输入的各种控制信息，按照XLP6000注射泵的命令协议，将输入的控制信息进行转换，再依据通讯协议通过RS485发送至各注射泵。XLP6000与PC机或其它控制器进行通讯时，有3种通讯方式可供选择：RS-232、RS-485和CAN总线，XLP6000具有自动检测通讯方式的功能。本文采用XLP6000 OEM通讯协议。

表1给出了一段喷涂控制的部分命令代码。该段命令要求采用10 mL注射管，每次加注41.67 μL药剂，完成多批次加注。

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

4 结语

本文针对医药、生物、化工等生产企业批量加注、喷涂试剂对注射泵高速高效、高精度的实际需求，设计了采用触摸屏、同步控制器的多通道微量注射泵控制系统，通过对XLP6000注射泵控制命令的多层嵌套设计与发送，使多通道的注射泵能实现同步、精确的加注。该系统经调试和用户使用，达到了预期效果，具有较好的市场前景。

[1] 吴泽华，曹伟华，龙尚斌.精密微量注射泵的设计与实现[J].现代电子技术，2009（15）：139-141.

[2] 赵清林.医用微量输液泵的设计[J].自动化与仪表，2002，17（2）：46-48.

[3] 田建军.单片机控制的输液泵系统设计[J].中小型电机，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] 赵涛，刘汉忠，张永号，等.电流模式控制正激变换器的建模与设计[J].电力电子技术，2013（8）：4-6.

[7] 黄海萍，郭振军，黄廷磊.四线电阻式触摸屏控制器的应用研究[J].仪表技术，2007（10）：45-46，50. ■