一种基于fpga控制隔膜泵的注液系统及控制注液方法
阅读说明：本技术 一种基于fpga控制隔膜泵的注液系统及控制注液方法 (Liquid injection system and liquid injection control method for controlling diaphragm pump based on FPGA ) 是由 牛勇涛 陈禾如 于 2020-12-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于FPGA控制隔膜泵的注液系统及控制注液方法,包括用以发送开启其中一路注液指令的上位机,与上位机电连接用以接收上位机指令的FPGA控制模块,以及受所述FPGA控制模块控制的电磁阀开关及隔膜泵,同时FPGA控制模块产生该路的PWM脉冲会反应在FPGA控制模块的IO引脚上,IO引脚与三极管基极连接以根据IO引脚的高低电平变化控制三极管进行打开和关闭,三极管的发射极连接接地电阻,三极管发射极和接地电阻之间引出NMOS管的控制信号控制隔膜泵转速。由于采用了FPGA在接收到命令时候产生PWM脉冲来控制隔膜泵上直流电机的转速,以达到理想的注液速度。FPGA同时打开和关闭隔膜泵和相对应的电磁阀,已达到高精度注液的目的。(The invention discloses a liquid injection system based on an FPGA (field programmable gate array) control diaphragm pump and a liquid injection control method, wherein the liquid injection system comprises an upper computer for sending an instruction for opening one path of liquid injection, an FPGA control module electrically connected with the upper computer for receiving the instruction of the upper computer, and a solenoid valve switch and a diaphragm pump controlled by the FPGA control module. Because the FPGA is adopted to generate PWM pulse to control the rotating speed of the direct current motor on the diaphragm pump when receiving the command, the ideal liquid injection speed is achieved. The FPGA simultaneously opens and closes the diaphragm pump and the corresponding electromagnetic valve, so that the aim of high-precision liquid injection is achieved.)
技术领域
本发明属于医疗检查设备领域，涉及一种基于FPGA控制隔膜泵的注液系统及控制注液方法。
背景技术
泵是用来输送流体或使流体增压的机械，用来注射的目前一般都是用注射泵、柱塞泵，注射泵是由电机及其驱动器、进样器、丝杆和支架等构成，具有往复移动的丝杆、螺母，主要是通过丝杆运动，推动进样器匀速移动，缓缓的将进样器中的液体注射到所需位置。柱塞泵分为轴向柱塞泵和径向柱塞泵两种代表性的结构形式，柱塞泵由电器部分、动力端、液力端、传动部分组成，其利用柱塞在泵缸体内往复运动，使柱塞与泵壁间形成容积改变，反复吸入和排出液体并增加其压力的泵。上述这两者泵的结构都较为复杂，价格也比较高。现有的医疗器械体外诊断类项目中，对于注入反应试剂精度要求较高，相比之下大部分仪器均采用柱塞泵来完成高精度注液，对于一些需要注入多种试剂的仪器，则需要对应的选用多个柱塞泵，这样会大大增加仪器的成本。特别是在医疗器械(比如血液检测类)中很多检测过程中需要注入反应试剂来测量出某一种值，以达到帮助医生进行诊断的目的。而反应试剂的注入量往往决定了检测结果的准确度和精度。为了提高准确度和精度，大部分医疗器械采用柱塞泵的方式来控制注液精度。在血液检测类需要注入的实际种类较多，使用柱塞泵会大大增加仪器成本。
发明内容
为了解决上述技术问题，本申请的目的之一在于提供一种基于FPGA控制隔膜泵的注液系统，该系统本技术主要是通过FPGA产生PWM脉冲来控制隔膜泵的方式达到同样高精度的注液要求。
根据本申请的一个方面，为了达到上述技术效果，本申请提供了以下技术方案：
设计一种基于FPGA控制隔膜泵的注液系统，包括：用以发送开启其中一路注液指令的上位机，与上位机电连接用以接收上位机指令的FPGA控制模块，以及受所述FPGA控制模块控制的电磁阀开关及隔膜泵，同时FPGA控制模块产生该路的PWM脉冲，这PWM脉冲会反应在FPGA的IO引脚上，这时IO引脚与三极管基极连接以根据IO引脚的高低电平变化控制三极管进行打开和关闭，三极管的发射极连接接地电阻，所述三极管发射极和接地电阻之间引出NMOS管的控制信号控制隔膜泵转速。
为了获得更好的技术效果，本发明还具有以下技术特征：
在一些实施方式中，为了对抵抗一些噪声干扰会，并且有助于降低“负载的变化”对输出电压的影响，所采用的接地电阻为10K接地电阻。
在一些实施方式中，通过示波器测量IO引脚会显示出高低电平(3.3V/0V)的周期变化，通过这种高低电平变化对IO口连接的三极管NPN进行精准打开和关闭。
在一些实施方式中，所述的三极管的集电极连接至5V电源，经过三极管后产生的PWM信号电平变成了5V/0V。
在一些实施方式中，所述的NMOS管开启电压Vgs为5V，将引出的NMOS控制线连接至NMOS的Gate极，以实现对其控制，NMOS管的开关速度为20ns,不会有长时间的延迟导致隔膜泵电机停止时间过长，从而造成注液精度不稳定。
在一些实施方式中，所述的NMOS管为IRF8788NMOS管。
本申请的另外一个目的在于提供一种基于FPGA控制隔膜泵的注液系统的控制注液方法，包括以下步骤：
a、上位机发送开启某一路注液命令；
b、FPGA控制模块在接收到该命令后会开启对应的电磁阀开关，同时FPGA控制模块会产生该路的PWM脉冲，所产生的PWM脉冲会反应在FPGA控制模块的IO引脚上；
c、通过示波器测量IO引脚会显示出高低电平的周期变化，通过这种高低电平变化对IO口连接的三极管进行打开和关闭；
d、三极管发射极和接地电阻之间引出NMOS管的控制信号，三极管的集电极连接至3V-5V电源，NMOS管开启电压Vgs为3V-5V，将引出的NMOS控制线连接至NMOS的Gate极，以实现对其控制；
e、最后在上位机发送关闭某一路注液命令，同时关断该路的隔膜泵和电磁阀，完成注液。
由于采用了FPGA在接收到命令时候产生PWM脉冲来控制隔膜泵上直流电机的转速，以达到理想的注液速度。FPGA模块在接收到命令时候产生PWM脉冲来控制隔膜泵再加电磁阀配合，FPGA同时打开和关闭隔膜泵和相对应的电磁阀，已达到高精度注液的目的，且隔膜泵的成本远低于柱塞泵，所以大大降低了仪器的成本。
附图说明
图1为本申请的FPGA控制隔膜泵的注液系统的框架示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本申请作进一步详细的说明。
为了达到打开和关闭隔膜泵和相对应的电磁阀，达到高精度注液以达到理想的注液速度的目的。本申请公开了一种FPGA控制隔膜泵的注液系统，包括，用以发送开启其中一路注液指令的上位机，与上位机电连接用以接收上位机指令的FPGA控制模块，以及受所述FPGA控制模块控制的电磁阀开关及隔膜泵，同时FPGA控制模块产生该路的PWM脉冲，这PWM脉冲会反应在FPGA的IO引脚上，这时IO引脚与三极管基极连接以根据IO引脚的高低电平变化对三极管进行打开和关闭，三极管的发射极连接接地电阻，所述三极管发射极和接地电阻之间引出NMOS管的控制信号控制隔膜泵转速。
实施例是这样的，首先上位机通过USB2.0发送开启某一路注液命令。FPGA控制模块在接收到该命令后会开启对应的电磁阀开关，同时FPGA产生该路的PWM脉冲，产生的PWM脉冲会反应在FPGA的IO引脚上,其IO引脚连接至三极管的基极，通过示波器测量IO引脚会显示出高低电平(3.3V/0V)的周期变化，通过这种高低电平变化对IO口连接的三极管NPN进行打开和关闭。三极管发射极连接接地电阻10K,三极管发射极和接地电阻之间引出NMOS管的控制信号，三极管的集电极连接至5V电源。因为选择的NMOS管开启电压Vgs为5V。将引出的NMOS控制线连接至NMOS的Gate极，以实现对其控制。NMOS管的开关速度为20ns,不会有长时间的延迟导致隔膜泵电机停止时间过长，从而造成注液精度不稳定。
隔膜泵注液是使用直流电机驱动，其标准输入电压为24V，电机转速为3000转每分,通过PWM来控制达到降低电机转速的目的，从而降低液体的流速。如果直接采用电位器分压办法会造成电机转速不稳，从而导致注液精不稳定，由于电机是感性元件，其在运行过程中会产生反向电动势，会影响电机的输入电压，采用PWM控制NMOS的方法能减少这种影响。经过一定的时间后，上位机发送命令同时关断隔膜泵和电磁阀，完成注液。经过反复测算，FPGA产生的PWM周期为1ms,占空比为80％时候，对于仪器注液精度有较高保证。
在医疗器械中对于注液精度有要求的部分，往往采用柱塞泵的方法，而需要高精度注液的地方又比较多，柱塞泵成本较高，会造成整机成本大大增加。因此采用成本较低的隔膜泵。隔膜泵注液是通过其所带的直流电机驱动。使用PWM控制，可以降低隔膜泵的驱动电压有效值，以达到降低直流电机转速的目的。FPGA同时打开或关闭隔膜泵电机和电磁阀，以控制注液速度和精度。FPGA接到开始注液的命令后，内部算法产生PWM周期和占空比，控制FPGA的IO管脚产生PWM脉冲信号。此PWM脉冲信号控制三极管的打开和关闭，在三极管后期生成同样周期和占空比的PWM信号，由于三极管发射极连接了10K的接地电阻，集电极连接5V电源，所以经过三极管后产生的PWM信号电平变成了5V/0V。NMOS采用IRF8788，其打开电压为最低为4.5V，所以5V电压接到NMOS的Gate极，可以实现对NMOS的控制，使其相应的打开和关闭，来控制隔膜泵的注液速度。
一种基于FPGA控制隔膜泵的注液系统的控制注液方法，有以下步骤：a、上位机发送开启某一路注液命令；b、FPGA控制模块在接收到该命令后会开启对应的电磁阀开关，同时FPGA控制模块会产生该路的PWM脉冲，所产生的PWM脉冲会反应在FPGA控制模块的IO引脚上；c、通过示波器测量IO引脚会显示出高低电平的周期变化，通过这种高低电平变化对IO口连接的三极管进行打开和关闭；d、三极管发射极和接地电阻之间引出NMOS管的控制信号，三极管的集电极连接至3V-5V电源，NMOS管开启电压Vgs为3V-5V，将引出的NMOS控制线连接至NMOS的Gate极，以实现对其控制；e、最后在上位机发送关闭某一路注液命令，同时关断该路的隔膜泵和电磁阀，完成注液。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范。
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