基于FPGA的高可靠全自动加样器

　　1 系统方案

　　智能加样器系统以FPGA为控制核心，通过控制步进电机的运动，结合到位传感器，控制整个设备机械平台的正常运转;通过处理液位传感器信号和控制泵阀一体模块，实现加样功能;同时，采用无线网络与安卓手机通讯，将安卓手机作为无线控制终端和数据显示平台。系统的设计方案如图1所示。

　　为了提高系统加样速率与效率，设计了以试管架作为加样单位的加样方式。如图2所示，系统由步进电机带动机械推臂和行车，实现试管架在进样仓、加样区与出样仓之间的推动转移，并在加样区实现对试管的依次加样。这种新型的加样方式在进行大批量加样时具有显著优势，便于操作和试管的置取。

　　2 电机控制

　　电机平稳、流畅的运行是保证系统可靠、自动化运行的基础，为了更好的进行电机的控制与精准的位置调整，结合电机的步进角、转矩、动力能力和工作频率，选用STH-39D型两相混合步进电机，最小步进角为1.8°，带动机械行车前进最小距离为3mm，充分满足设计要求。

　　为了确保电机运行的速度与平稳度，选用THB6128专用电机驱动芯片为电机提供驱动动力，该芯片仅需输入Step信号即可实现步进励磁。在FPGA中设计了步进电机控制模块，模块框图如图3所示。电机控制模块的主要功能是输出使能和步进脉冲信号，分别控制系统的5个电机实现加减速运动。

　　为了确保电机的流畅运行，选择经典的7段式S型运动曲线如图4所示，控制加速度连续变化，从而避免步进电机在启停阶段的冲击过大，防止步进电机的卡顿和丢步现象。

　　3 液位探测

　　自动液位探测是系统自动化和精确加样的保证。在加样针的尖端设置电容式液位传感器。当针尖接触到液面时，电容值发生将发生跳变，利用555振荡器将电容值的变化转化为输出的脉冲信号周期的变化。将脉冲信号输入FPGA的液位传感器信号处理模块，进行滤波处理与跳变判断，从而实现液位探测。

　　液位探测信号处理模块使用均值滤波的方法过滤干扰，设置采样周期为T(1)、T(2)…T(n)，将连续5点的均值作为当前环境值T’(i)，如下式所示：