基于CANopen的蠕动泵设计

张晓昶，许 金，胡鸿志，3，管 芳，3

(1.桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西桂林 541004； 2.桂林电子科技大学教学实践部，广西桂林 541004；3.广西自动检测技术与仪器重点实验室，广西桂林 541004)

0 引言

蠕动泵是一种通过泵头挤压胶管输送液体的软管泵，具有无污染的特点，被广泛应用于生化分析、医疗救护、水质监测等领域[1]。蠕动泵主要由步进电机、连接轴、压辊子、进样软管、软管卡紧装置组成，在步进电机的带动下压辊子挤压软管内液体流动[2]。

在流动注射分析系统(FIA)中需要精确控制样品和化学试剂的流量，常使用蠕动泵作动力装置，但蠕动泵的构成原理使其运动时易产生脉动，影响系统测量精度[3]。在以分光光度计为检测手段的FIA中，不同泵速的改变常会引入Schlieren效应，形成“假峰”，干扰测定[4]。另外，在野外现场、船载或原位时，工作环境比较复杂，以RS232为通信接口的传统蠕动泵常会受到环境的干扰，导致系统不稳定。

本文主要针对蠕动泵存在的上述问题，提出了基于CANopen的蠕动泵软硬件解决方案。以嵌入式ARM处理器和DRV8711步进电机控制器为核心设计蠕动泵硬件电路驱动系统，优化了细分驱动参数和电流衰减模式，实现蠕动泵平滑稳定的运动。系统采用梯形加减速运动曲线，研究了加减速过程，实现不同泵速间平缓切换，有效抑制了Schlieren效应。软件方案以RT-Thread实时操作系统为基础，采用CANopen构建CAN总线应用层协议，实现了通信子协议CiA 301、驱动和运动控制子协议CiA 402，完成了标准运动控制子设备的通信设计。

1 蠕动泵驱动方案设计

本方案基于DRV8711步进电机控制器，以STM32F103C8T6嵌入式微控制器为核心，使用步进电机作为执行机构设计蠕动泵驱动系统，如图1所示。系统使用STM32F103C8T6内部集成的bxCAN控制器，结合CAN总线收发器芯片PCA82C250，构建CAN总线控制网络。为防止共模电压超过CAN驱动器的接收电压时损坏芯片和设备，设计了数字隔离电路，对主控制器电路进行电气隔离保护。蠕动泵机械执行选用双极性步进电机，驱动电路由集成电路DRV8711和N沟道MOSFET搭建的功率H全桥构成，DRV8711和控制器之间使用SPI协议实现通信。

图1 系统结构框图

为实现蠕动泵转速和位置的精密控制，以细分控制理论为基础，通过斩波恒流、电流衰减模式与加减速运动曲线等技术，精确控制步进电机。

1.1 绕组电流控制

DRV8711内部集成微步分度器，能实现最高256细分，通过斩波恒流的方式将两相绕组电流细分成相位相差90°的正弦波电流。斩波电流以比较器为基础，实时硬件反馈电压VISENSE与内部细分表参考电压进行比较，由此控制H桥导通状态，实现斩波恒流。VISENSE由电流检测电阻RISENSE上的电压与电流检测放大器的增益ISGAIN相乘得到。参考电压通过正弦查找表的输出SINDAC乘以TORQUE寄存器中低8位的值得到，计算公式见式(1)，其中SINDAC最大输出电压为2.75 V。

(1)

在电流斩波期间H桥使能，电机绕组电流根据如图2中①所示方向开始上升，当电流达到斩波阈值后，H桥切换工作状态进行电流衰减，防止角度过冲。图2中②、③项分别为快速衰减模式和慢衰减模式下的电流方向，快速衰减模式下绕组电流通过两个二极管和电源形成续流回路，电流迅速衰减；慢衰减模式下绕组电流通过下桥臂续流，电流缓慢衰减。慢衰减方式由于电流变化缓慢可以得到较小的电流纹波，然而当步进电机高速运行时，慢衰减不能及时降低绕组电流，无法保证电流的精确调节[5]；使用快速衰减模式可以克服慢衰减的劣势，但易造成较大的电流纹波。本文电流衰减使用自动混合衰减模式，电流高于阈值时立即进入快速衰减模式，更快的响应电流的变化，随后进入慢衰减模式，使平均电流准确的跟踪峰值电流，降低了单独使用快速衰减模式产生的电流纹波。

图2 电流衰减模式

1.2 加减速运动曲线

常见的电机加减速控制方案有梯形加减速、指数型加减速和S型加减速，其中梯形加减速具有加减速快的特点。蠕动泵切换泵速时需要快速响应速度的变化，因此本系统采用梯形加减速方案控制蠕动泵转速。梯形加减速运动曲线在步进电机加速过程中，加速度保持恒定不变，速度根据加速度线性增加到目标速度，减速过程与此相同[6]。运动曲线如图3所示，运动过程包括了恒加速段T1、均速段T2和恒减速段T3，Vs、Ve分别为起止速度，Vc为目标速度，L为目标位置，a为加速度。

图3 梯形加减速运动曲线

本系统蠕动泵设有速度模式和位置模式两种运行模式，速度模式下蠕动泵接收到停止指令后根据运动曲线减速至停止状态；位置模式下步进电机旋转至目标位置L，实现蠕动泵定量功能，梯形加减速曲线减速点的准确性决定了蠕动泵定量的精度，因此需精确计算出减速点L1+L2和减速点时间T1+T2。

根据梯形加减速算法推导公式，得速度函数：

(2)

由速度位移公式可得位移函数：

(3)

梯形加减速曲线中Vs=Ve，且加速段与减速段所用时间相同T1=T3，代入式(2)、式(3)进一步化简得T1、T2、T3：

(4)

(5)

加速段与减速段的位移为

(6)

均速段的位移为

(7)

2 蠕动泵通信方案设计

本系统采用CAN总线作为通信接口，移植RT-Thread实时操作系统，嵌入CANopen协议开发通信应用层软件，将蠕动泵设计为标准的CANopen子设备。利用操作系统的任务调度和管理，将复杂的功能封装成各个任务，实现系统的稳定运行。通信方案总体架构如图4所示，包含通信子协议CiA 301、驱动和运动控制子协议CiA 402两部分。CiA 301核心是对象字典(OD)及多种通信对象，其中通信对象包括网络管理(NMT)、过程数据对象(PDO)、服务数据对象(SDO)和特殊功能对象[7]；CiA 402定义了驱动器状态机和蠕动泵的两种运行模式。通过建立蠕动泵对象字典完成通信参数和运行参数的配置，创建NMT服务管理节点状态，设计PDO实现运行参数的实时传输。

图4 通信方案总体架构

对象字典是所有数据结构的集合，CANopen通过对象字典对设备功能进行描述。系统设计蠕动泵运行状态的所有参数对象，每个对象由16位索引值和8位子索引值来识别，通过索引定位和子索引确定对象的方法实现蠕动泵对象字典的访问。蠕动泵对象字典中索引和子索引使用结构体定义来创建，根据subindex类型创建对象字典中每个对象条目，利用indextable类型以静态数组的形式构建整个对象字典。

对象字典中对象索引的结构体定义如下：

typedefstructtd_indextable

{

subindex* Subindex;

UNS8 SubCount;

UNS16 index;

}indextable;

对象索引结构体成员Subindex为指向对象子索引的指针；SubCount为对象子索引数目；index为对象的索引值。对象子索引的结构体定义如下：

typedef struct td_subindex

{

UNS8 AccessType;

UNS8 DataType；

UNS32 size;

Void*Object;

}subindex;

对象子索引结构体成员AccessType为对象访问权限，包括只读(RO)、只写(WO)和读写(RW)；DataType为对象数据类型；size为对象数据大小；Object为指向对象数据的指针。

对象字典是通信程序与应用程序之间的接口，通信程序设计了数据交换(PDO、SDO)、报文监控(心跳、启动报文)和状态控制功能。通过NMT服务实现蠕动泵网络节点通信状态的转换，过程如图5所示。蠕动泵上电后对CAN底层驱动进行初始化，初始化完成后节点发送CAN标识符(CAN-ID)为700H+Node-ID(节点号)的上线报文(Boot-up)，提示主站该节点已加入通信网络，并自动进入预操作状态。其它状态间的转换根据转换条件，由主站NMT报文触发。NMT报文CAN-ID为000H，数据长度为两字节，Byte0为图5中的CS命令符、Byte1为Node-ID。为便于主站确认节点的状态，蠕动泵根据对象字典1017H的参数定义发送CAN-ID为700H+Node-ID的心跳报文。

1—上电或复位；2—初始化后自动转换；3、6—CS为01H进入操作状态；4、7—CS为80H进入预操作状态；5、8—CS为02H进入停止状态；9、10、11—CS为81H复位应用层；12、13、14—CS为82H复位节点通信。图5 蠕动泵状态转换框图

在预操作状态下，通过SDO设置蠕动泵通信参数和配置信息。进入操作状态后，利用PDO通信完成蠕动泵运行参数的实时交互。如表1所示，设计蠕动泵对象字典中PDO通信参数，位置模式下根据运行速度、加速度和减速度3个参数，步进电机按梯形加减速曲线运行至目标位置；速度模式下根据加减速参数，蠕动泵按梯形加减速曲线运行在恒定的目标速度。RPDO1由主站发送的同步报文触发，确认蠕动泵操作模式，通过控制字切换运行状态；RPDO2由不同的操作模式确定，当目标位置或目标速度改变时触发RPDO2；RPDO3用来传输梯形加减速曲线的加速度值和减速度值；蠕动泵运行状态改变后触发TPDO1，向主站反馈当前状态；TPDO2由同步报文触发，实时反馈蠕动泵当前位置和速度。

表1 蠕动泵PDO参数

3 系统测试

3.1 CANopen通讯测试

测试方法：使用CAN总线分析仪CANScope对蠕动泵进行CANopen通信测试，通信波特率设置为1 Mbps，蠕动泵设备节点ID为2，心跳周期为3 s。

测试结果：如图6所示，蠕动泵上电后自动发送Boot-up报文(帧数据：00 H)，启动心跳报文上传节点状态，利用NMT服务发送节点启动报文(帧数据：01 02H)控制节点状态切换，节点由预操作状态(帧数据：7F H)成功转换为操作状态(帧数据：05H)，满足CANopen通信要求，表明蠕动泵是一个标准CANopen子设备。

图6 CANScope解析报文

3.2 蠕动泵脉动测试

测试方法：使用兰格BT100-1L蠕动泵与本文设计的蠕动泵进行比对实验，分别在不同泵速条件下，采用分光光度法对罗丹明溶液的吸光度进行一组实验测量，计算每一泵速条件下吸光度的相对标准偏差(RSD)，以此反应该泵速条件下蠕动泵的脉动情况。

测试结果：RSD与转速的关系曲线如图7所示，由图中数据可以看出BT100-1L蠕动泵在低转速时脉动较大，高转速时脉动减小；本文设计的蠕动泵脉动整体较小且不同转速条件下变化较平稳。

图7 RSD与蠕动泵转速关系曲线

3.3 蠕动泵梯形加减速测试

测试方法：使用蠕动泵将间甲酚紫溶液与氢氧化钠溶液泵送至混合三通，经过化学反应后使用分光光度法测量吸光度。在实验过程中人为改变泵速产生Schlieren效应，验证在相同条件下，加减速曲线对Schlieren效应的影响。

测试结果：设置蠕动泵转速在30 rpm～15 rpm～30 rpm和15 rpm～7.5 rpm～15 rpm条件下，不使用加减速模式直接切换泵速，分别得到如图8(a)、(c)所示吸光度变化波形，由于Schlieren效应，在速度突变点形成明显“假峰”。蠕动泵根据本文设计的梯形加减速方案运行时，在相同泵速变换条件下进行实验，分别得如图8(b)、(d)所示波形。对比梯形加减速方案和直接变换泵速所得的波形，可知梯形加减速方案在高速、低速间变换泵速均可有效抑制“假峰”的形成。

(a)

(b)

(c)

(d)

4 结束语

针对分析仪器蠕动泵存在的问题，本文设计了一种基于CANopen的高精度蠕动泵系统。系统设计为标准CANopen运动控制子设备，满足通信子协议CiA 301、驱动和运动控制子协议CiA 402的通信要求，实现位置模式和速度模式两种运行模式。硬件采用ARM微处理器结合DRV8711步进电机控制器的方案，具有结构简单、控制方便的特点，最高可设置256细分并支持电流自动混合衰减模式，实现了蠕动泵的平稳运行，降低了蠕动泵的脉动。实践表明，所设计的梯形加减速方案可有效抑制Schlieren效应，提高分析精度，具有广泛的应用前景。