霍亮生 李岳峰 趙 雄 劉 輝

(北京工商大學 材料與機械工程學院， 北京 100048)

基于STM32的自動進樣器研制

霍亮生 李岳峰 趙 雄 劉 輝

(北京工商大學 材料與機械工程學院， 北京 100048)

根據(jù)模塊化技術設計了可用于多種分析儀器的自動進樣器，該系統(tǒng)使用STM32F411RET6的SPI接口控制4個步進電機按照可編程的路徑移動，實現(xiàn)進樣自動化，增加了攝像頭接口和圖像處理技術，可矯正零點偏移和軸線傾斜導致的定位誤差。具備設備運行過程中的自動故障診斷功能。

步進電機 自動進樣器 分析儀器 模塊化設計

1 引言

當前，隨著科學技術的不斷發(fā)展，人們對實驗設備的功能提出更高的要求，很多分析儀器都要求配備自動進樣裝置。采用自動進樣器替代傳統(tǒng)的由實驗員完成的手工操作，既能減小人為因素對實驗數(shù)據(jù)造成的影響，提高分析實驗的準確性；又可以避免一些危險藥品對實驗員身體造成不良影響[1]。通過自動進樣器替代實驗員進行繁瑣的具有重復性的實驗操作，減輕實驗員的工作量，可以提高實驗效率，因此設計一款用于多平臺的自動進樣器就顯得十分重要。

目前，市面上流行的自動進樣器多數(shù)是和專用分析儀器配套使用的，不能滿足多平臺使用的要求。傳統(tǒng)的進樣器控制系統(tǒng)中，驅動器和控制器是分開的，本設計采用的自動進樣器控制系統(tǒng)將驅動器和控制器集成在一起，減少了布線和設備所占空間。本文所述自動進樣器由X、Y、Z、W四軸和持針機構組成。其中X、Y、Z、W四軸由4組步進電機實現(xiàn)移動，并安裝有霍爾傳感器，作為零點位置檢測使用。

許多設備交付用戶使用后，在運行的過程中，往往會出現(xiàn)各種故障進而影響設備的正常運行，嚴重者甚至會威脅到生產安全，并伴隨著嚴重的經濟損失；用戶對于設備出現(xiàn)故障后是否能夠及時維修十分關心，廠家也會對設備滿足客戶要求的同時，能夠快速且便捷地解決設備故障問題給予高度關注。這就要求設備制造企業(yè)能對其生產的設備給予快捷的服務和技術支持，并對故障設備給予及時、靈活的診斷及維修。因此，本設計的自動進樣器還具有自我故障診斷功能[2]。

該裝置的特點如下：①可在多平臺分析儀器上使用；②系統(tǒng)結構強度高，穩(wěn)定性好；③系統(tǒng)具有自我故障診斷功能，當檢測到系統(tǒng)中出現(xiàn)故障時，能夠及時停止系統(tǒng)運行，并將故障內容上報；④系統(tǒng)通過圖像識別技術實現(xiàn)精密定位。

2 系統(tǒng)總體方案設計

2.1 系統(tǒng)總體方案

基于系統(tǒng)模塊化技術理念設計了自動進樣器的總體方案，系統(tǒng)總體方案如圖1所示。系統(tǒng)控制部分由上位機、下位機和控制驅動電路組成。主體機構包含機體外殼、電源、進樣機構、故障診斷和精密定位組成。分析系統(tǒng)進樣功能和故障診斷完成的原理，明確了進樣機構的運行過程，并對進樣方案進行了設計，進而設計了系統(tǒng)的總體方案。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

儀器劃分為以下幾個部分：機體外殼、電源、內部硬件結構和控制系統(tǒng)。各部分及其功能特性如下：

①機體外殼

主要功能是連接其他結構，將機械裝置、傳動部分、電器和其他輔助機構連接在一起，作為承載體使用。機體外殼將整個儀器包在里面，因此其美

觀性必須好，還需要有良好的防護性，能夠阻擋塵土進入，防止外部環(huán)境影響系統(tǒng)運行[3]。

②電源

主控系統(tǒng)核心供電電壓為5V，電機驅動系統(tǒng)工作電源為24V，由雙路輸出的開關電源完成供電功能。

③核心控制系統(tǒng)

核心控制系統(tǒng)主要由上位機系統(tǒng)和下位機系統(tǒng)構成，通過操作上位機顯示頁面，經由藍牙傳輸信號指令到下位機，下位機做出相應判斷，做出相應動作。

④進樣機構

進樣機構由4組步進電機和相應的執(zhí)行機構組成，其功能是實現(xiàn)進樣針的自動進給，與機體外殼和相應的執(zhí)行機構共同完成樣品的整個進樣動作。

⑤故障診斷模塊

故障診斷模塊主要功能是在系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)故障時自我診斷，達到及時停止系統(tǒng)運行，并將故障內容上報。

⑥精密定位模塊

精密定位模塊是在初次安裝儀器時，通過攝像頭圖像識別技術檢測樣品臺和分析儀器的擺放位置與理想位置的偏差，待系統(tǒng)正常工作時，進樣針能夠精準定位到樣品臺、清洗位和分析儀器的進針位置。

2.2 進樣原理

能夠實現(xiàn)樣品的自動進樣是整個系統(tǒng)自動化的關鍵，系統(tǒng)進樣模塊目的是為了完成實現(xiàn)多個不同的樣本進樣自動化，系統(tǒng)進樣擬搭載多通道平行反應裝置，其取樣位置為圓盤9孔式，配有3個清洗位和1個送樣位(因分析儀器可三選一)，如圖2所示。自動進樣器的功能是實現(xiàn)分析樣品的自動進樣，其關鍵步驟在于使進樣針準確到達圖2所示9孔位置(樣品臺)，將樣品通過進樣針吸取一定容量，之后送到進樣位(分析儀器)將樣品注入指定容器中，最后到清洗位置執(zhí)行進樣針清洗動作。

圖2 樣品臺、分析儀器與清洗位置示意圖

3 運動控制方案

運動控制是基于模塊化設計方法進行設計，模塊化設計方法是在20世紀50年代提出的一種現(xiàn)代化設計方法，目前模塊化設計思維已經應用十分廣泛，通過模塊化設計，可以將一個復雜的系統(tǒng)劃分為若干簡單系統(tǒng)的組合，這些子系統(tǒng)既相互獨立又密切聯(lián)系，這樣就大大減少開發(fā)難度，并且在測試階段也可進行獨立測試，待各部分測試通過后，再進行整機測試，對產品驗收效率也有較大提高[4，5]。為了有效提高產品開發(fā)效率，本系統(tǒng)采用模塊化設計方法將系統(tǒng)分為：機械結構與運動模塊、電氣與驅動模塊、速度位置控制程序模塊和運動軸故障診斷模塊。

3.1 機械結構與運動模塊

進樣方式是實現(xiàn)進樣自動化的關鍵，根據(jù)進樣原理的不同，其傳動方案選擇也不同，通常的進樣方案分為轉盤進樣和直線運動進樣[6]。由于轉盤式進樣不能滿足本系統(tǒng)用于多平臺使用的功能，因此選擇直線運動進樣。運動機械結構采用滾珠絲桿螺母導軌，如圖3所示。

圖3 滾珠絲桿示意圖

系統(tǒng)運動機械結構主要由4組步進電機及滾珠絲桿螺母導軌組成，設計采用多軸實現(xiàn)進樣自動化。絲桿螺母具有良好的自鎖性能，能夠使進樣針保持在停機狀態(tài)位置，而且其傳動具有良好的直線性、可控性，能夠達到進樣精度要求[7]。4根導軌按照模塊化思維，結構類似僅在尺寸上有所差異，4導軌之間由連接件互相連接。這樣做縮短了設計制造周期，提高設計質量而且有利于設備維護。

3.2 電氣與驅動模塊

4組步進電機驅動器都選用ST公司的L6470智能步進電機1-128細分驅動芯片。其內部集成有兩個低通電阻的DMOS全橋電路和數(shù)字控制內核，精確的片上電流檢測電路有完備的電流控制能力和電流保護，并實時反饋當前電流值。數(shù)字控制內核通過配置相應寄存器能夠實現(xiàn)步進電機的加速、勻速和減速等運動方案。L6470驅動器所有的命令和數(shù)據(jù)寄存器都由一個標準的SPI接口訪問和控制，也可通過控制PWM脈沖的頻率對步進電機的速度進行控制[8-10]。4個驅動器模塊其中之一如圖4所示。

圖4 驅動方案示意圖

驅動器L6470通過SPI接口與STM32F411-RET6進行通訊，SPI(Serial Peripheral Interface)接口是Motorola公司推出的4線同步串行外設總線接口，同步串行4線方式進行通信，單向傳輸時3線即可，分別為：一條時鐘線SCLK，一條總機輸入/從機輸出線MISO，一條總機輸出/從機輸入線MOSI，還有一條用于給從機設備使能信號的線CS。

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，通過主機和從機移位寄存器實現(xiàn)，二者連接成環(huán)，主機通過MOSI先發(fā)送1位數(shù)據(jù)，從機通過改線讀取1位數(shù)據(jù)，相應的從機通過MISO線發(fā)送1位數(shù)據(jù)，主機通過該線讀取1位數(shù)據(jù)。當寄存器中的內容全部移除時，就完成兩個寄存器內容的交換[11，2]。SPI接口的優(yōu)點主要是：支持全雙工操作，數(shù)據(jù)傳輸效率高，雖然其缺點是只能有1個主機，但這也正符合本系統(tǒng)的設計要求。

由于系統(tǒng)工作時L6470芯片的工作電壓是5V，步進電機的工作電壓是24V，因此需要進行電源轉換，系統(tǒng)采用的SKIA-120-2K開關電源輸出24V/5V電壓。所用4個步進電機工作電壓雖都是24V，但其工作電流卻不盡相同，因此需要控制對應驅動芯片L6470的輸出電流，因此需要采用如圖5所示的分壓電路進行電流輸出轉換。

圖5 分壓電路圖

圖5所示分壓電路輸出電流需通過式1計算公式得出。

(1)

其中VCC為電源電壓，這里為5V；R1R1和R2為分壓電阻；Rs=0.25Ω。

3.3 速度位置控制程序模塊

3.3.1 MCU介紹

控制系統(tǒng)采用ST公司STM32F411RET6 MCU，是LQFP64封裝。擁有100MHz CPU頻率，工作電壓為1.7V～3.6V。STM32F411RET6是低功耗、低價格、高性能的微控制器?；贏RM Cortex-M4的32位MCU內核，單周期訪問內存。內存包括：高達512KB閃存；高達128KB SRAM；6個16位TIM包括和2個32位；實時時鐘，低功耗定時器，3個USART模塊，12位ADC模塊，5個SPI接口。以STM32F411RET6為核心，通過IO端口引出控制運動軸運動。本設計主要用到STM32F411-RET6的TIM、USART、GPIO、A/D和SPI模塊[13]。

3.3.2 速度控制程序設計

STM32采用KELL MDK5作為控制程序的編譯環(huán)境，KELL MDK5內置有豐富STM32固件庫，可以方便地進行程序設計[14]。為簡化程序開發(fā)難度，采用模塊化思維進行速度控制程序設計，由于控制對象都是步進電機，故采用PWM調頻調寬法控制電機轉速，即所給PWM占空比固定為50%，只改變PWM脈沖周期進行調速，STM32F411RET6通過SPI接口訪問或改寫L6470內部寄存器對步進電機加速、減速和停止進行控制。

STM32F411RET6芯片具有完備的SPI固件庫，在使用時只需以下幾步設置即可：

①使能SPI接口對應的IO口控制時鐘和SPI模塊控制時鐘；

②配置IO口輸入輸出工作方式，本程序設置為IO口復用方式；

③配置SPI工作模式；

④使能SPI模塊。

由于4組步進電機控制方法相同，因此可以將程序集成為一個模塊，以STM32F411RET6通過SPI1接口控制X軸運動舉例，配置程序如下：

先進行配置SPI對應的GPIO口，并對GPIO口和SPI1接口使能，

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;

RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_

AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);//使能GPIOA時鐘

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_

APB2Periph_SPI1, ENABLE);//使能SPI1時鐘

/* 配置 SPI1引腳: SCK, MISO and MOSI ----------*/

/* 配置 SCK and MOSI 引腳作為推挽上拉輸出 */

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_6; //PA5～6復用功能輸出

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz; //100MHz

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;//復用功能

GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;//推挽輸出

GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;//上拉

GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//初始化

/* 配置 MISO 引腳作為輸入 */

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7; //PA7復用功能輸出

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;//復用輸入

GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//初始化

再配置SPI工作模式

SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex; //設置SPI單向或者雙向的數(shù)據(jù)模式:SPI設置為雙線雙向全雙工

SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master; //設置SPI工作模式:設置為主SPI

SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b; //設置SPI的數(shù)據(jù)大小:SPI發(fā)送接收8位幀結構

SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High; //串行同步時鐘的空閑狀態(tài)為高電平

SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge; //串行同步時鐘的第二個跳變沿(上升或下降)數(shù)據(jù)被采樣

SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft; //NSS信號由硬件(NSS管腳)還是軟件(使用SSI位)管理:內部NSS信號有SSI位控制

SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_8; //定義波特率預分頻的值:波特率預分頻值為8

SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB; //指定數(shù)據(jù)傳輸從MSB位還是LSB位開始:數(shù)據(jù)傳輸從MSB位開始

SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7; //CRC值計算的多項式

SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure); //根據(jù)SPI_InitStruct中指定的參數(shù)初始化外設SPI1寄存器

最后使能SPI1外設并啟動傳輸

SPI_Cmd(SPI1, ENABLE); //使能SPI外設

SPI1_ReadWriteByte(0xff);//啟動傳輸

此程序為單軸舉例程序，其他軸SPI配置與此軸類似，這樣的模塊化程序設計，將本來需要設計4根軸對應的程序簡化到設計1個模塊程序，大大減少程序員的工作量，提高程序運行效率。

3.4 運動軸故障診斷模塊

運動軸所用步進電機全是兩相四線步進電機，工作原理相同。系統(tǒng)根據(jù)L6470驅動器精準的片上電流檢測功能，可以根據(jù)反饋的電流值對系統(tǒng)進行實時的故障診斷，一旦電流值出現(xiàn)異常，則視情況進行分析故障原因，進而做出相應動作維護系統(tǒng)安全。

預先在上位機系統(tǒng)中設想出因出現(xiàn)故障后電流值所發(fā)生的變化，通過L6470片上電流檢測功能將電流值反饋到上位機與預設值進行對比，判斷設備是否出現(xiàn)異常。常見的步進電機故障有以下幾種：①驅動電源出現(xiàn)問題；②負載過重造成步進電機失步或停轉；③驅動步進電機的脈沖頻率過高，點擊不能及時相應；④驅動控制電路產生問題；⑤步進電機自身繞組燒壞等問題[15]。

4 精密定位方案設計

由于系統(tǒng)是與多通道平行反應裝置和氣相色譜儀配套使用，在儀器安裝時會產生零點偏移和軸線傾斜問題，為了實現(xiàn)進樣針能夠準確到達樣品擺放位置和分析儀器進行取樣和進樣，就需要一個精準的定位方案。

4.1 攝像頭定位原理

攝像頭定位技術是以機器視覺為基礎，綜合運用光學傳感、數(shù)字圖像處理、模式識別、人工智能等技術的非接觸式定位方法；其定位原理是攝像頭采集二維圖像標記，通過圖像處理、分析和解釋，用以指導機械運動到指定位置[16]。

系統(tǒng)選用Aptina(前身為 Micron 半導體的 CMOS Sensor 部門)公司生產的 1/3 英寸面陣 CMOS 傳感器 MT9V032。通過MT9V032識別定位標記，采集模擬信號，再通過A/D轉換成為數(shù)字圖像。數(shù)字圖像被分割為若干網(wǎng)格，也稱之為像素，每個數(shù)據(jù)表示給定點的光強度，系統(tǒng)將所獲得的數(shù)字圖像信號與實現(xiàn)輸入的標準圖像信號進行對比，將得出的偏差發(fā)送到控制器，進行位置識別[17]。

4.2 定位標記

為了有利于攝像頭進行識別對準，需要在樣品臺和分析儀器上面做定位標記，常用的定位標記有圓環(huán)形、直角形、十字形、三角形等，如圖6所示。一般這些標記會進行組合使用，以便測出平面內XY兩個方向的偏差。本設計選用圓環(huán)形和直角形兩種標記組合使用，通過圓環(huán)形檢測零點偏移位置，直角形檢測XY平面上軸線傾斜位置。

圖6 定位標記

4.3 圖像識別流程

通過攝像頭圖像處理技術，首先在樣品臺和分析儀器上面做定位標記，將攝像頭安放在進樣針位置，通過攝像頭識別定位標記，計算出攝像頭所走坐標，再與理想定位標記位置坐標值進行比較得出偏差，經由上位機程序計算偏差，得到新的進樣坐標，實現(xiàn)進樣過程的精密定位[18]。

在攝像頭圖像處理過程中，因攝像頭識別的位置坐標和世界坐標系之間存在差異，因此要將世界坐標系Ow-XwYwZw中的三維空間特征點P(xwywzw)變換到攝像頭坐標系O-XYZ中。攝像頭坐標系與世界坐標系之間存在下式的關系。

(2)

式中： (x,y,z)為特征點在攝像頭坐標系中的坐標；

在檢測到安裝位置和理想位置有偏差后，可通過圖形變換技術得到新的坐標，因設備識別是在二維平面上，且僅產生零點偏移和軸線傾斜問題，因此用到圖形變化技術中的平移變換和旋轉變換[19]，其變換矩陣如下所示：

平移變換：

式中M為X方向的平移量，N為Y方向的平移量。

旋轉變換：

式中θ為旋轉角，逆時針為正，順時針為負。

通過圖形變換技術，可以將理想坐標通過變換矩陣得到新的坐標，在經由上位機計算新坐標，完成進樣動作。

5 實驗驗證

自動進樣器能夠正常工作后，通過與氣相色譜儀聯(lián)機試驗證明本系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實用性。將自動進樣器與氣相色譜儀連接后，自動進樣器開始工作，待自動進樣器將樣品送入氣相色譜儀后，自動進樣器發(fā)送觸發(fā)信號給氣相色譜儀，氣相色譜儀接收到外部觸發(fā)信號后開始進行分析。表1為實驗數(shù)據(jù)，圖7是聯(lián)機試驗后分析某樣品的分析結果圖。

表1 實驗數(shù)據(jù)

圖7 分析結果圖

通過圖7的分析結果，經由實驗員試用后，證明本系統(tǒng)在分析過程中不會對測試數(shù)據(jù)產生影響，能夠滿足氣相色譜儀分析時自動進樣要求。

6 結論

本文所述自動進樣器以STM32F411RET6為核心，通過模塊化設計方法，實現(xiàn)了機械結構、運動控制程序及故障診斷的集成，能夠矯正設備聯(lián)機過程中造成的零點偏移和軸線傾斜，實現(xiàn)進樣針的精密定位。通過與多通道平行反應裝置和氣相色譜儀聯(lián)機試驗，證明本設計研制的自動進樣器能夠準確地實現(xiàn)自動進樣功能，能夠實現(xiàn)故障診斷功能，穩(wěn)定性良好。

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Development of an automatic sampling device based on STM32.

Huo Liangsheng，Li Yuefeng，Zhao Xiong，Liu Hui

(School of Materials and Mechanical Engineering，Beijing Technology and Business University, Beijing 100048，China)

This paper elaborates a new type of automatic sampleing device, which can be used in many kinds of analytical apparatuses. This system adopts SPI of the Microcontroller STM32F411RET6 to control four stepper motors. The pathways of the four motors are controlled by computer program. The interface of camera model and relevant program are also introduced into this system, by which the positioning deviation resulted from zero offset and axis tilt can also be corrected precisely. In addition, this type of device has the ability of self-diagnosis even during the process of operation.

stepper motor; automatic sampling device; analytical instrument; modular design

霍亮生，博士，教授，北京工商大學機械工程學院，碩士研究生導師，1982年7月畢業(yè)于南京航空航天大學，獲學士學位，1985年10月于中北大學獲碩士學位，2002年10月于北京理工大學獲博士學位。曾在中北大學、太原理工大學任教，2003年調入北京工商大學，主要從事汽車電子工程、計算機及數(shù)字控制技術、智能控制技術等方面的教學和科研工作。

10.3936/j.issn.1001-232x.2017.02.002

2016-11-11