基于FPGA的高可靠全自動(dòng)加樣器

　　1 系統方案

　　智能加樣器系統以FPGA為控制核心，通過(guò)控制步進(jìn)電機的運動(dòng)，結合到位傳感器，控制整個(gè)設備機械平臺的正常運轉;通過(guò)處理液位傳感器信號和控制泵閥一體模塊，實(shí)現加樣功能;同時(shí)，采用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與安卓手機通訊，將安卓手機作為無(wú)線(xiàn)控制終端和數據顯示平臺。系統的設計方案如圖1所示。

　　為了提高系統加樣速率與效率，設計了以試管架作為加樣單位的加樣方式。如圖2所示，系統由步進(jìn)電機帶動(dòng)機械推臂和行車(chē)，實(shí)現試管架在進(jìn)樣倉、加樣區與出樣倉之間的推動(dòng)轉移，并在加樣區實(shí)現對試管的依次加樣。這種新型的加樣方式在進(jìn)行大批量加樣時(shí)具有顯著(zhù)優(yōu)勢，便于操作和試管的置取。

　　2 電機控制

　　電機平穩、流暢的運行是保證系統可靠、自動(dòng)化運行的基礎，為了更好的進(jìn)行電機的控制與精準的位置調整，結合電機的步進(jìn)角、轉矩、動(dòng)力能力和工作頻率，選用STH-39D型兩相混合步進(jìn)電機，最小步進(jìn)角為1.8°，帶動(dòng)機械行車(chē)前進(jìn)最小距離為3mm，充分滿(mǎn)足設計要求。

　　為了確保電機運行的速度與平穩度，選用THB6128專(zhuān)用電機驅動(dòng)芯片為電機提供驅動(dòng)動(dòng)力，該芯片僅需輸入Step信號即可實(shí)現步進(jìn)勵磁。在FPGA中設計了步進(jìn)電機控制模塊，模塊框圖如圖3所示。電機控制模塊的主要功能是輸出使能和步進(jìn)脈沖信號，分別控制系統的5個(gè)電機實(shí)現加減速運動(dòng)。

　　為了確保電機的流暢運行，選擇經(jīng)典的7段式S型運動(dòng)曲線(xiàn)如圖4所示，控制加速度連續變化，從而避免步進(jìn)電機在啟停階段的沖擊過(guò)大，防止步進(jìn)電機的卡頓和丟步現象。

　　3 液位探測

　　自動(dòng)液位探測是系統自動(dòng)化和精確加樣的保證。在加樣針的尖端設置電容式液位傳感器。當針尖接觸到液面時(shí)，電容值發(fā)生將發(fā)生跳變，利用555振蕩器將電容值的變化轉化為輸出的脈沖信號周期的變化。將脈沖信號輸入FPGA的液位傳感器信號處理模塊，進(jìn)行濾波處理與跳變判斷，從而實(shí)現液位探測。

　　液位探測信號處理模塊使用均值濾波的方法過(guò)濾干擾，設置采樣周期為T(mén)(1)、T(2)…T(n)，將連續5點(diǎn)的均值作為當前環(huán)境值T’(i)，如下式所示：