CN102950598B - 一种用于细胞组织离子流采集的便携式三维微距运动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于细胞组织离子流采集的便携式三维微距运动装置，包括三维微距运动机械手、步进电机、驱动控制器、数据传输转换模块和上位机，将步进电机的驱动器和控制器进行一体化的集成设计，基于CAN总线的通信方式，可以实现多个驱动控制器的连接，实现多个步进电机的同步控制，通过软件对步进电机进行操控，实现高精度实时控制，具有便携轻巧、屏蔽性强、处理速度快、实时性好、即时反馈控制信息、高精度微距精确定位、支持二次开发和运动保护等优点。

Description

一种用于细胞组织离子流采集的便携式三维微距运动装置

技术领域

本发明涉及数控技术领域，特别是涉及一种便携式三维微距运动装置。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，包括生物科学、精密仪器在内的前沿领域对测量仪器的要求越来越高，测量仪器正朝着具有精、准、灵活、便携等特点的方向发展，而作为数字控制***中非常重要的执行元件，步进电机的控制技术在此过程中起着至关重要的作用，它被广泛应用于生命科学、材料科学等领域的研究中。例如对植物组织或者原生质体进行离子流速信号的检测、对细胞进行膜电位的检测以及细胞分离等显微操作。

近几年，由于步进电机可控性强，精度高等优点，越来越多的学者关注步进电机驱动控制技术，将其应用在各种高精度、高可控性的精密仪器领域。目前，大多数采用单片机搭配驱动电路、控制芯片构成的***工作电路来实现步进电机的运动控制，包括步进电机控制电路和步进电机驱动电路，如专利申请号为201110175263.2的中国专利申请公开了一种驱动和控制三组步进电机的集成电路，使用步进电机来提高控制的稳定性，减小控制***的复杂性并实现位置上的精确定位，可实现三组共二十个步进电机的定位以及正反转运动，但是该电路不具有普遍应用性，硬件设计好后很难改变，不易调整，无法实现远程控制；步进电机拖动负载移动一段距离并且精确定位时，一般包括“启动-加速-匀速-减速-停止”五个过程，而该设计不满足上述要求，急起急停的控制方式很容易造成设备的晃动，从而造成测量精度不高，在精密仪器测量中不宜应用。

专利号200810231444.0的中国专利公开了一种缸式三维运动装置，该三维运动装置具有水平设置的机架，经过液压缸的驱动，可实现在三维空间沿X、Y、Z方向往复直线运动，且绕Y轴交替翻转，运动的行程长，速度稳定且力量较大，具有使用范围广的优点，但该装置设计复杂，不易控制，运动装置实时性不好、精度不高，体积庞大不易携带，在需要灵活控制的高精度测试***中，该缸式三维运动装置有明显的不足，不能很好的应用在精密仪器的控制和远程控制，在应用中具有局限性。

有些现有产品采用运动控制手柄通过电气***箱对机械手进行三维精确定位，如产品CFT－8301D细胞电生理精密显微操作器，运动控制手柄通过运动数据线将运动数据传送给电气***箱，电气***箱通过过渡接线盒连接三维机械手，X、Y、Z三维运动控制手柄分别包括正向和反向运动，超过机械手设定的限位开关的位置报警灯就会提示，通过速度微调旋钮实现三维机械手的精确定位。但是该设备体积庞大笨重，搬运不方便，不容易携带，并且只能采用手动控制的方式，不能通过软件进行控制。

因此，针对以上不足，本发明提供了一种便携式三维微距运动装置。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种基于软件控制的便携式三维微距运动装置，克服以往设备不易控制、精度不高、实时性不好、不方便携带等缺点。

（二）技术方案

为实现以上目的，本发明提供了一种用于细胞组织离子流采集的便携式三维微距运动装置，包括三维微距运动机械手、步进电机、驱动控制器、数据传输转换模块和上位机，所述三维微距运动机械手通过丝杠与步进电机相连，所述步进电机与驱动控制器相连，上位机通过数据传输转换模块与所述驱动控制器相连，所述驱动控制器和数据传输转换模块均集成安装于PCB板上。

其中，所述的数据传输转换模块包括CAN转RS232模块和串口转USB芯片模块，所述CAN转RS232模块的一端通过CAN总线与所述驱动控制器相连，另一端通过PCB板布线与串口转USB芯片模块相连。

其中，所述运动装置还包括上位机，所述串口转USB芯片模块提供有USB端口，该USB端口与上位机相连。

其中，所述的三维微距运动装置还包括电源模块，所述电源模块分别与所述驱动控制器和CAN转RS232模块连接，用于提供24V电压，所述电源模块安装于PCB板上。

其中，所述的三维微距运动装置还包括电压转换芯片，所述电源模块通过电压转换芯片与所述串口转USB芯片模块相连，提供所需的5V电压，电压转换芯片安装于PCB板上。

其中，所述驱动控制器与所述步进电机的数目为三个，所述三个步进电机分别与三维微距运动机械手连接，实现机械手在X、Y、Z三个方向的三维微距运动。

其中，在所述的三维微距运动机械手上设置一限位传感器，所述驱动控制器上具有传感器接口，所述限位传感器与所述驱动控制器上的传感器接口相连。

其中，所述运动装置还包括一金属外壳，封装所述驱动控制器、所述CAN转RS232模块、所述串口转USB芯片模块、所述电源模块、所述电压转换芯片和所述PCB板。

其中，在所述PCB板上驱动控制器相应的位置开出散热孔或者在所述驱动控制器上贴装散热片。

本发明运动装置的工作原理是：本发明的执行机构为三维微距运动机械手，机械手在X、Y、Z三个方向上装备有步进电机，通过丝杠将步进电机的转动转化为直线运动，实现细胞组织离子流信号采集探针的移动。装置的驱动部分，向步进电机发送脉冲，驱动步进电机进行正反转、匀速、加速、减速等运动。装置的控制部分，利用CAN总线将各控制器连接，通过定义不同的地址，实现对三个步进电机的控制，将基于CAN总线协议的信号转化成为基于RS232协议的信号，通过基于串口指令的二次开发实现上位机对多个步进电机的操作。

（三）有益效果

本发明采用PCB板集成，将步进电机的驱动器和控制器进行一体化的集成，相比传统使用的驱动器和控制器，大幅减少了占用的空间，实现了本发明的微型化、一体化；抗干扰金属外壳封装的方式，实现了本发明的高屏蔽性。

本发明基于CAN总线的通信方式，可以实现多个驱动控制器的连接，实现多个步进电机的同步控制；通过CAN转RS232模块，将CAN总线的通信协议转化成为RS232的通信协议，通过软件对步进电机进行操控，实现高精度实时控制。

本发明采用可靠的接口设计、稳定的电源、良好的温度控制保证硬件性能，同时，提供高效的软件二次开发接口，保证运动的精度和实时响应程度。

综上，本发明具有便携轻巧、屏蔽性强、处理速度快、实时性好、即时反馈控制信息、高精度微距精确定位、支持二次开发和运动保护等优点。

附图说明

图1为现有产品示意图；

图2为本发明的三维微距运动装置的连接关系示意图；

图3为本发明采用CH341A的串口转USB芯片电路设计图；

图4为本发明24V转5V电压转化电路图；

图5为本发明的整体结构示意图。

图中：101：三维微距运动机械手；102：过渡接线盒；103：电气***箱；104：运动控制盒；105：电源；106：驱动控制一体化模块；107：笔记本电脑；1：第一步进电机；2：第一驱动控制器；3：第二步进电机；4：第二驱动控制器；5：第三步进电机；6：第三驱动控制器；7：串口转USB芯片；8：上位机；9：电压转换芯片；10：电源模块；11：CAN转RS232模块；12：数据传输转换模块；13：驱动控制器；14：步进电机；101：三维微距运动机械手。

具体实施方式

下面结合附图对本发明三维微距运动装置作进一步详细说明。

如图5所示，本发明提供的用于细胞组织离子流采集的便携式三维微距运动装置，包括三维微距运动机械手101、步进电机14、驱动控制器13、数据传输转换模块12和上位机8，所述步进电机14包括第一步进电机1、第二步进电机3和第三步进电机5，驱动控制器13包括第一驱动控制器2、第二驱动控制器4和第三驱动控制器6。

所述三维微距运动机械手101通过丝杠分别与第一步进电机1、第二步进电机3、第三步进电机5相连，第一步进电机1与第一驱动控制器2相连，第二步进电机3与第二驱动控制器4相连，第三步进电机5与第三驱动控制器6相连，上位机8经数据传输转换模块12分别与第一驱动控制器2、第二驱动控制器4和第三驱动控制器6相连，所述驱动控制器13和数据传输转换模块12均集成安装于PCB板上。

数据传输转换模块12包括CAN转RS232模块11和串口转USB芯片模块7，所述CAN转RS232模块11的一端通过CAN总线与所述驱动控制器13相连，另一端与串口转USB芯片模块7相连，所述串口转USB芯片模块7的USB端口与上位机8相连，所述CAN转RS232模块11为CAN-RS232协议转化器UIM2501，串口转USB芯片模块7为CH341A芯片。图3为采用CH341A的串口转USB芯片7的电路设计图。

所述串口转USB芯片7的USB端口与上位机8相连，所述上位机8是PC机，也可以是笔记本电脑107。

电源模块10分别与所述驱动控制器13和CAN转RS232模块11连接，用于提供24V电压。

如图4为电压转换芯片9的电路图，电源模块10通过电压转换芯片9与所述串口转USB芯片模块7相连，电压转换芯片9将24V电压转化为5V电压，以提供串口转USB芯片7即CH341A芯片所需的电压。

在所述的三维微距运动机械手101上设置一限位传感器，所述驱动控制器13上具有传感器接口，所述限位传感器与所述驱动控制器13上的传感器接口相连。

三维微距运动机械手101是整套装置的运动执行机构，用于安装细胞组织离子流采集探针加持装置，并且实现探针在微米级三维尺度空间内的运动，三维运动机械手101由步进电机进行驱动，由丝杠将步进电机14的动力转化为直线运动，其具体技术参数如下：行程为X=Y=Z≥26mm；Z轴转角≥135°；Y轴转角≥60°；操作台应放置在平稳的工作台上，防止震动。

第一驱动控制器2、第二驱动控制器4、第三驱动控制器6的型号均为UIM242，实现对步进电机的脉冲驱动，以及通过串口命令对步进电机下达命令，进行三维运动控制，三个驱动控制器安装在PCB基板之上，将步进电机驱动电路与控制部分进行结合，可以实现多个驱动控制器的协调同步控制。UIM242提供直接与两相四线制步进电机连接的控制接口（A+，A-，B+，B-）、用于供电的24V电源接口、CAN总线通信接口以及两路用于采集TTL电平信号的传感器接口。UIM242采用微型化一体化设计，并且进行了合理的防静电及隔离设计。UIM242模块驱动控制具体参数如下所述：体积为42.3mm×42.3mm×16.5mm；输入电压为12～40VDC；输出电流为最大2A，可指令进行调整；驱动细分数为1~16；通讯方式为主动CAN2.0B；通讯速率为1Mbps；通讯距离为10Km；可连接驱动控制器数量为100个；控制方式为提供串口控制命令集。

CAN-RS232协议转化器，将CAN通信协议转化成为RS232通信协议，可以实现上位机软件直接对三维运动机械手装置下达命令，CAN-RS232协议转化器安装在PCB基板之上，其主要技术参数如下所述：供电为6～40VDC宽电压输入；通讯协议为主动CAN 2.0B；波特率为最高115200波特率；抗干扰特性为采用差分总线，具有很强的抗噪特性；连接节点数量为可连接节点高达100个；体积为66.4mm×38mm×18mm。

采用CH341A的串口转USB芯片，将RS232的通讯协议转化成为基于USB接口的USB通信协议，方便驱动控制器与没有串口的PC机的连接，CH341A芯片焊接在PCB基板上，其的技术参数如下所述：全速设备接口，兼容USBV2.0；支持5V电源电压和3.3V电源电压；采用SOP-28封装。

24V转5V芯片LM2596及附属电路，用于为RS232转USB芯片CH341A供电，焊接于PCB基板之上。

如图3和图4，本发明中共需要两种电压，驱动控制器所需的24V电压和CH341A所需的5V电压，同时考虑各模块的功耗，设计电压转化电路，利用LM2596芯片，将24V电压转化成为5V电压，同时实现24V和5V的供电。设计按扣开关，控制整个装置的供电，通过LED灯对上电情况进行指示。

根据上述各模块的选型、辅助器件的电路要求以及它们的连接关系，进行PCB板图的设计及加工，考虑模块散热需求，将驱动控制模块下面，开出方形通孔，增加散热面积，并且在驱动控制模块之上添加散热片。为较少驱动控制器产生的干扰信号，采用大面积覆铜接地的方式，减少干扰。通过电路仿真，测试装置电路***的整体性能。

根据PCB板制作装备完的尺寸，进行所述运动装置封装的选型设计,主要封装所述驱动控制器、所述CAN转RS232模块、所述串口转USB芯片模块、所述电源模块、所述电压转换芯片和所述PCB板。选择机械封装为105mm×190mm×50mm长方形金属盒，增加一次屏蔽，减少驱动控制器产生的干扰信号。在金属方盒的后面板上，开出4个用于安装DB9接口的方孔，进行DB9接头的安装，开出直径为8mm的圆口，用于电源接口的安装；在前面板上开出直径为25mm的圆孔，用于安装装置的整体开关，控制装置的整体上电，再开出直径为3mm的圆孔，安装LED指示灯。

本发明具有处理速度快、实时性好、即时反馈控制信息、高精度微距精确定位和便于携带等特点，能够满足生命科学、生物工程领域中的对组织样品近距离操作、细胞内注射、细胞分离和胚胎移植等高精度微距移动的研究需求。

以上所述仅是本发明的一种优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于细胞组织离子流采集的便携式三维微距运动装置，其特征在于：其包括三维微距运动机械手(101)、步进电机(14)、驱动控制器(13)、数据传输转换模块(12)、电源模块(10)、电压转换芯片(9)和上位机(8)，所述三维微距运动机械手(101)通过丝杠与步进电机(14)相连，所述步进电机(14)与驱动控制器(13)相连，上位机(8)通过数据传输转换模块(12)与所述驱动控制器(13)相连，所述驱动控制器(13)和数据传输转换模块(12)均集成安装于PCB板上，在所述的三维微距运动机械手(101)上设置一限位传感器，所述驱动控制器(13)上具有传感器接口，所述限位传感器(13)与所述驱动控制器(13)上的传感器接口相连；在所述驱动控制器(13)上贴装散热片；在所述驱动控制器(13)上贴装散热片；所述电源模块(10)通过电压转换芯片(9)与数据传输转换模块(12)连接。

2.根据权利要求1所述的运动装置，其特征在于，所述的数据传输转换模块(12)包括CAN转RS232模块(11)和串口转USB芯片模块(7)，所述CAN转RS232模块(11)的一端通过CAN总线与所述驱动控制器(13)相连，另一端通过PCB板布线与串口转USB芯片模块(7)相连，所述串口转USB芯片模块(7)的USB端口与上位机(8)相连。

3.根据权利要求2所述的运动装置，其特征在于，其还包括电源模块(10)，所述电源模块(10)分别与所述驱动控制器(13)和CAN转RS232模块(11)连接，用于提供24V电压，所述电源模块(10)安装于PCB板上。

4.根据权利要求3所述的运动装置，其特征在于，其还包括电压转换芯片(9)，所述电源模块(10)通过电压转换芯片(9)与所述串口转USB芯片模块(7)相连，用于提供所述串口转USB芯片模块(7)所需的5V电压，所述电压转换芯片(9)安装于PCB板上。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的运动装置，其特征在于：所述驱动控制器(13)与所述步进电机(14)的数目为三个，所述三个步进电机(13)分别与三维微距运动机械手(101)连接，实现机械手在X、Y、Z三个方向的三维微距运动。

6.根据权利要求5所述的运动装置，其特征在于：其还包括一金属外壳，封装所述驱动控制器(13)、所述CAN转RS232模块(11)、所述串口转USB芯片模块(7)、所述电源模块(10)、所述电压转换芯片(9)和PCB板。