1 引 言
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蠕動泵是 20世紀(jì) 50年代產(chǎn)生和發(fā)展起來的一種新型泵類。與傳統(tǒng)泵類相比,
蠕動泵具有如下優(yōu)越性
[ 1 -2] : (1)無污染, 流體只接觸泵管 , 不接觸泵體, 不會產(chǎn)生相互污染 ; (2)精度高 , 流量精度可小于 ±1
而且不會受介質(zhì)粘度變化的影響 ;(3)低剪切力, 是輸送剪切敏感、 侵蝕性強流體的理想工具 ; (4)密封性好 , 具有良好的自吸能力 , 可空轉(zhuǎn), 可防止回流 ; (5)維護簡單 , 無閥門和密封件。近年來 ,
蠕動泵技術(shù)迅速發(fā)展 , 已大量應(yīng)用于實驗室和工業(yè)生產(chǎn), 如化工、 制藥和生物、 制陶、 水處理以及食品飲料行業(yè)等。在*內(nèi) , 只有少數(shù)幾家公司從事蠕動泵的研發(fā)和生產(chǎn) , 還處于比較落后的狀態(tài)。在*外, 蠕動泵的生產(chǎn)已經(jīng)具有很大規(guī)模了 , 如英* WATSON-MARLOW
公司專門生產(chǎn) 7 個系列的數(shù) 10 種蠕動泵。瑞士ISMATEC公司也生產(chǎn) 7個系列的蠕動泵, 流量范圍從 0.001 ～ 13 000 mL/min, 通道數(shù)從單通道到
24通道 , 而且可通過串口與 PC、 MCU等連接, 實現(xiàn)智能控制。美*的 COLE-PARMER公司也有專門生產(chǎn)蠕動泵的工廠。
本文采用 ISMATEC公司 REGLODigital系列中的 ISM834型蠕動泵 , 外形如圖 1所示。該泵具有
RS232 IN和 RS232 OUT接口, 通過 RS232IN接口
圖 1 蠕動泵外形
可 與 PC等控制器的串口直接相連 , 通過RS232OUT接口可級聯(lián) 8個蠕動泵, 從而實現(xiàn)多機
遠程控制。其主要技術(shù)指標(biāo)如下
[ 3] :蠕動泵外形尺寸為 190 mm×100 mm×135 mm;重量為 2.1 kg;通道數(shù)為 4;轉(zhuǎn)速為 1.0 ～ 100 r/min, 調(diào)節(jié)精
度為 0.1 r/min;流量為 0.002 ～ 35 mL/min;壓差**大為 10 kPa;功率**大為 20 W。
2 蠕動泵控制指令
REGLODigital系列蠕動泵采用統(tǒng)一的控制指令 , 可以劃分為單字符指令和多字符指令。單字符指令結(jié)構(gòu)為泵編號、 特征字符 (單字符 )和回車符(ASCI為 13)組成的字符串 。比如 1號泵的啟動指令為“1H r”, 停止指令為 “1I r”。多字符指令結(jié)構(gòu)為泵編號、 特征字符(1個或 2個字符 )、 數(shù)值以及回車符 (ASCII為 13), 比如設(shè)置 1號泵的轉(zhuǎn)速為 50 r/min, 指令即為“1S00500 r”;設(shè)置泵管內(nèi)徑 2.54 mm, 則指令為 “1 +0254 r”等
[ 3] 。
按指令功能可分為控制類指令和狀態(tài)類指令?？刂祁愔噶钪饕瓿杀玫幕究刂埔约皡?shù)設(shè)置 , 如泵編號設(shè)置指令、 泵啟動 /停止指令、 泵的運行模式指令及轉(zhuǎn)速、 時間設(shè)置指令等。狀態(tài)類指令主要是查詢泵的運行狀態(tài)及設(shè)置的參數(shù) , 如查詢泵的型號、 總流量及查詢轉(zhuǎn)速、 時間參數(shù)等指令。
3 軟件結(jié)構(gòu)及運行流程
對蠕動泵的控制可以分為本地面板操作和計算機控制。本地面板操作是指通過蠕動泵面板上的按鍵設(shè)置蠕動泵的各個參數(shù)以及運行狀態(tài), 從而達到對蠕動泵的本地控制的目的。計算機控制是指通過計算機串口與蠕動泵相連 , 采用專門的控制軟件對其進行控制。
蠕動泵控制軟件是在 Visualstudio2008 環(huán)境下 , 采用微軟提供的 MFC基礎(chǔ)類庫開發(fā)實現(xiàn)的。蠕動泵控制軟件具有手動操作和自動控制兩種操作模式。手動操作模式是指在軟件界面上手動設(shè)置泵運行模式(比如單純的流速模式、 定時模式、 定量模式、 時間間歇模式、 體積間歇模式以及體積 +預(yù)設(shè)時間模式等 )、 方向、 流速、 時間、 循環(huán)次數(shù)等參數(shù), 在這種操作模式下可實現(xiàn)泵的所有控制方式及狀態(tài)查詢。自動控制模式是指根據(jù)實際需要 , 將泵的運行方式存儲在配置的文件中 , 加載此文件后 , 程序自動發(fā)送相應(yīng)的一系列控制命令 , 以達到過程控制的目的 , 配置文件格式采用 INI格式。
功能模塊主要由配置文件加載與保存模塊、 泵控制命令生成及泵狀態(tài)查詢模塊等組成, 見圖 2。 3.1 配置文件加載與保存模塊
配置文件存儲著泵的運行方式, 即流量與時間
配置文件加載后或創(chuàng)建配置文件時 , 其內(nèi)容信息可以在配置文件生成界面中以曲線顯示, 有利于更加直觀地查看流量與時間的關(guān)系。
3.2 控制命令生成及泵狀態(tài)查詢模塊泵的控制及查詢命令可分為單字符命令和多字
符命令。單字符命令如泵的啟動、 停止等命令;多字符命令如流速設(shè)置、 定時設(shè)置等。這兩種命令的發(fā)送采用表驅(qū)動的方式執(zhí)行, 由一個 int類型的參數(shù) nIndex CMD指定所發(fā)送命令的序號 , 從而使接口簡單易操作。
控制命令生成及泵狀態(tài)查詢模塊封裝在CISMPump類里面, 該類為軟件界面提供了參數(shù)設(shè)置查詢接口、 命令發(fā)送接口以及狀態(tài)信息反饋接口, 底層串口通信采用 MOXA公司提供的 PComm
Pro串口應(yīng)用軟件開發(fā)工具包 。參數(shù)設(shè)置及查詢接口用于設(shè)置或獲取流速、 轉(zhuǎn)速、 時間等參數(shù)信息 ,
如 :泵編號設(shè)置接口 boolSetSN(intNewSN);流速設(shè)置接口 boolSetFlowRate(floatFlow);流速獲取接口 floatGetFlowRate(void)。
泵的所有控制及查詢命令都由泵控制基礎(chǔ)類接
口發(fā)送出去, 命令發(fā)送接口有 3個:(1)泵編號命令發(fā)送接口 voidSendPumpSNCmd(void);(2)單字符命令發(fā)送接口 boolSendSingleChCmd(intnIndex CMD);(3)多字符命令發(fā)送接口 boolSendMultChC-md(intnIndex CMD)。泵狀態(tài)信息反饋接口只有一個函數(shù), 主要用于提供命令響應(yīng)信息:命令響應(yīng)信息接口 CstringGetResp(void)。
3.3 軟件運行流程控制軟件主界面主要用于設(shè)置泵管內(nèi)徑、 轉(zhuǎn)動
方向等參數(shù)信息、 加載配置文件以及顯示泵的運行狀態(tài)等 , 如圖 3所示。
圖 3 軟件主界面
進入主界面后, 若選擇手動操作模式 , 則需要手動選擇泵的運行模式, 在不同運行模式下, 設(shè)置必要的參數(shù) , **后啟動蠕動泵。若選擇自動控制模式 , 則需要先設(shè)置泵的內(nèi)徑以及轉(zhuǎn)動方向 , 然后加載配置文件, 此時可選擇加載已經(jīng)存在的配置文件 , 也可選擇創(chuàng)建配置文件并加載到軟件中, 加載完成后 , 軟件會根據(jù)配置文件信息自動控制蠕動泵。
在泵的運行過程中, 軟件會自動查詢泵的基本狀態(tài), 如是否失去連接, 是否處于運行狀態(tài)等 , 同時也可以手動查詢一些參數(shù)的設(shè)置, 如流速、 泵管內(nèi)徑等。
4 軟件應(yīng)用
實驗平臺是細胞力學(xué) FlowChamber實驗系統(tǒng) ,
其結(jié)構(gòu)如圖 4所示。
圖 4 細胞力學(xué) FlowChamber實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
FlowChamber系統(tǒng)是通過體外裝置模擬血液流場的系統(tǒng) , 可以為研究血液流動對血管內(nèi)皮作用的微觀機理提供科學(xué)依據(jù) , 以及為研究剪切力對血管內(nèi)皮細胞的影響和血細胞與血管內(nèi)皮細胞之間生物力學(xué)特性的影響提供理論基礎(chǔ)
[ 4] 。該系統(tǒng)的細胞試驗段見圖 4, 可采用簡化公式
[ 5] 計算其剪切力 :
其中 , τω是剪切力 ;Q是流體流量 ;μ是流體黏度;H是腔室高度;W是腔室寬度。由式 (1)可以看出 , 當(dāng) μ、 H以及 W一定時, 剪切力 τω對流體流量 Q成比例變化。在此實驗平臺中 , 采用由計算機控制的蠕動泵為驅(qū)動源 , 通過設(shè)計的蠕動泵控制軟件可以方便地實現(xiàn)流體流量的設(shè)置 , 從而實現(xiàn)了對 FlowChamber中細胞剪切力狀態(tài)的準(zhǔn)確控制。
