- 相關(guān)推薦
控制卡的生物芯片點(diǎn)樣儀控制方案論文
摘要：在高定位精度的運動(dòng)系統中，光柵尺做為位置反饋元件被大量使用。文中給出了用Galil公司的DMC1800控制卡、松下的交流伺服電機、雷尼紹光柵尺和貝塞德運動(dòng)單元來(lái)對生物芯片點(diǎn)樣儀進(jìn)行控制的實(shí)現方案，同時(shí)給出了采用VB語(yǔ)句來(lái)編寫(xiě)軟件程序的具體流程。
關(guān)鍵詞：閉環(huán)控制 光柵尺 光樣儀 生物芯片
1 引言
生物芯片點(diǎn)樣儀是制備生物芯片的關(guān)鍵設備。點(diǎn)樣儀一般為三自由度直角坐標運動(dòng)系統，主要用于將物生樣品（蛋白、核酸等）精確定位、定量的分配在玻片上。根據實(shí)際需要提出該系統的主要技術(shù)指標為：定位精度：±5μm；運動(dòng)速度：150mm/s
2 硬件設計
PID控制是根據偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進(jìn)行控制的一種技術(shù)，是目前高精度控制系統中通常采取的一種方式。根據要求可采用的控制方式有半閉環(huán)控制（控制框圖見(jiàn)圖1）和全閉環(huán)控制（控制框圖見(jiàn)圖2）兩種。采用半閉環(huán)控制時(shí)，反饋信號來(lái)自于安裝在電機軸上的編碼器，但此時(shí)系統不能反應反饋回路外的誤差。而采用全閉環(huán)控制時(shí)，其反饋信號來(lái)自于安裝在運動(dòng)軸上的光柵尺，由于全閉環(huán)控制時(shí)閉環(huán)伺服系統直接以工作臺的最終位置為目標，從而消除了進(jìn)入傳動(dòng)系統的全部誤差，所以精度較半閉環(huán)系統要高（理論上，系統精度取決于光柵尺的精度）。但由于閉環(huán)伺服系統檢測的是運動(dòng)軸的位移量，其各個(gè)環(huán)節都包括在反饋回路中，影響因素多而復雜，易造成系統運行不穩定。
綜合上述兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn)，筆者決定采用一種雙閉環(huán)的伺服控制策略來(lái)兼顧系統的穩定性與精度。該雙閉環(huán)控制系統如圖3所示，系統中包括了由光柵尺組成的全閉環(huán)主回路和由編碼器組成的半閉環(huán)輔助回路。通過(guò)對不同產(chǎn)品的分析比較，最后，其運動(dòng)系統選用交流伺服電機加精密滾珠絲杠的結構；控制系統選用Galil公司的DMC - 1800PCI卡；位置反饋選用英國Renishaw精度為1μm的光柵尺。
DMC - 1800PCI總線(xiàn)多軸運動(dòng)控制器為Galil公司產(chǎn)品，它要占用PC機中的一個(gè)PCI插槽。它用32位MCU控制1～8軸伺服電機或步進(jìn)電機或二者組合，同時(shí)包括12MHz伺服編碼器反饋信號、2MHz步進(jìn)電機命令、帶速度及加速度前饋、積分限制、Notch及低通濾波器的PID等，采樣周期62.5μs/軸。運動(dòng)方式有JOG、PTP定位、直線(xiàn)、圓弧插補、輪廓、電子齒輪、ECAM等；此外，它還帶有雙編碼器反饋、回零、正、反向限位輸入接口及8通道通用模擬輸入等。
本控制卡提供有雙編碼器反饋功能可用于機械間隙補償。其中一個(gè)編碼器為安裝在電機軸端的旋轉編碼器，而另一個(gè)為安裝在負載側的光柵尺（Galil控制器能接收到自每軸的兩個(gè)編碼器信號輸入，且作為標準功能）。雷尼紹光柵尺可直接貼在運動(dòng)導軌上，由于光柵尺與導軌的熱膨脹系數相同，因而可將溫度變化造成的精度誤差降至最低。實(shí)際上，雙閉環(huán)控制已改變了標準PID控制算法，它的位置環(huán)由負載編碼器（PI）閉環(huán)獲得，阻尼項（D）由電機軸端編碼器獲得。由于雙閉環(huán)反饋編碼器功能可使DMC對間隙進(jìn)行補償，因而可獲得更高的運動(dòng)精度。
3 軟件設計
控制系統的軟件部分是點(diǎn)樣儀系統中重要的組成部分。用戶(hù)可根據需要將生物芯片中探針陣列的各個(gè)參數通過(guò)人機界面輸入計算機，如樣品點(diǎn)數、針數、點(diǎn)間距、陣列數等。好的軟件可有效提高點(diǎn)樣效率。為此我們提出下列軟件設計要求：（1）可在Windows環(huán)境下運行，（2）全部中文顯示，（3）用戶(hù)界面友好。參數輸入直觀(guān)，全部圖形化操作。
為此，筆者選用了美國Microsoft公司的Visual Basic程序設計語(yǔ)言。Visual Basic是一種可視化的，而向對象和采用事件驅動(dòng)方式的結構化高級程序設計語(yǔ)言，可用于開(kāi)發(fā)Windows環(huán)境下的各類(lèi)應用程序。相比而言，VB比較簡(jiǎn)單、可視化程度高，適于編寫(xiě)控制界面。圖4為該點(diǎn)校儀系統的軟件流程。
由于芯片設計較為復雜且容易出現錯誤，因此有必要采取下列措施以保證操作的正確性：
�。�1）減少激活的命令按鈕，屏蔽掉那些暫時(shí)不用的命令按鈕，而只在完成當前操作時(shí)將其激活，以避免因操作不當引起的誤操作。
�。�2）輸入提示功能設計。預防誤操作的一個(gè)有效手段就是“提示功能”。人機界面在任何時(shí)刻都應提供提示功能，告訴操作者現在機器正在做什么，操作者應該做什么或可以做什么。
�。�3）參數輸入的容錯設計。由于全局環(huán)境參數是由人機接口傳送給機器人控制系統的，幫正確的參數是機器人安全工作的重要保證。在系統上電初始化過(guò)程中，所有參數均按典型值進(jìn)行賦值。輸入時(shí)還應對鍵入值進(jìn)行過(guò)濾處理，若操作者鍵入的數據超出范圍，系統將給出提示并將該數變?yōu)槟J值。
4 結論
上述雙閉環(huán)控制方案經(jīng)過(guò)測量，其系統的定位精度小于±5μm，可滿(mǎn)足設計要求，從而證明本控制系統是可行的。
【控制卡的生物芯片點(diǎn)樣儀控制方案論文】相關(guān)文章：
通用運動(dòng)控制卡CompactPCI接口的設計09-24
凌華圖像運動(dòng)控制卡基于PC的目標追蹤系統的應用10-10
內部控制審計的論文07-26
（經(jīng)典）內部控制審計經(jīng)典論文05-26
內部控制審計經(jīng)典論文06-11
內部控制審計經(jīng)典論文05-23
做好血細胞分析儀質(zhì)量控制的體會(huì )06-29
供水成本管理與控制的論文08-30
成本管理與控制論文10-16