專利名稱：一種用于細胞組織離子流采集的便攜式三維微距運動裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及數控技術領域，特別是涉及一種便攜式三維微距運動裝置。
背景技術：
隨著科學技術的飛速發展，包括生物科學、精密儀器在內的前沿領域對測量儀器的要求越來越高，測量儀器正朝著具有精、準、靈活、便攜等特點的方向發展，而作為數字控制系統中非常重要的執行元件，步進電機的控制技術在此過程中起著至關重要的作用，它被廣泛應用于生命科學、材料科學等領域的研究中。例如對植物組織或者原生質體進行離子流速信號的檢測、對細胞進行膜電位的檢測以及細 胞分離等顯微操作。近幾年，由于步進電機可控性強，精度高等優點，越來越多的學者關注步進電機驅動控制技術，將其應用在各種高精度、高可控性的精密儀器領域。目前，大多數采用單片機搭配驅動電路、控制芯片構成的外圍工作電路來實現步進電機的運動控制，包括步進電機控制電路和步進電機驅動電路，如專利申請號為201110175263. 2的中國專利申請公開了一種驅動和控制三組步進電機的集成電路，使用步進電機來提高控制的穩定性，減小控制系統的復雜性并實現位置上的精確定位，可實現三組共二十個步進電機的定位以及正反轉運動，但是該電路不具有普遍應用性，硬件設計好后很難改變，不易調整，無法實現遠程控制；步進電機拖動負載移動一段距離并且精確定位時，一般包括“啟動-加速-勻速-減速-停止”五個過程，而該設計不滿足上述要求，急起急停的控制方式很容易造成設備的晃動，從而造成測量精度不高，在精密儀器測量中不宜應用。專利號200810231444. 0的中國專利公開了一種缸式三維運動裝置，該三維運動裝置具有水平設置的機架，經過液壓缸的驅動，可實現在三維空間沿X、Y、Z方向往復直線運動，且繞Y軸交替翻轉，運動的行程長，速度穩定且力量較大，具有使用范圍廣的優點，但該裝置設計復雜，不易控制，運動裝置實時性不好、精度不高，體積龐大不易攜帶，在需要靈活控制的高精度測試系統中，該缸式三維運動裝置有明顯的不足，不能很好的應用在精密儀器的控制和遠程控制，在應用中具有局限性。有些現有產品采用運動控制手柄通過電氣系統箱對機械手進行三維精確定位，如產品CFT - 8301D細胞電生理精密顯微操作器，運動控制手柄通過運動數據線將運動數據傳送給電氣系統箱，電氣系統箱通過過渡接線盒連接三維機械手，X、Y、Z三維運動控制手柄分別包括正向和反向運動，超過機械手設定的限位開關的位置報警燈就會提示，通過速度微調旋鈕實現三維機械手的精確定位。但是該設備體積龐大笨重，搬運不方便，不容易攜帶，并且只能采用手動控制的方式，不能通過軟件進行控制。因此，針對以上不足，本發明提供了一種便攜式三維微距運動裝置。
發明內容
(一)要解決的技術問題本發明的目的是提供一種基于軟件控制的便攜式三維微距運動裝置，克服以往設備不易控制、精度不高、實時性不好、不方便攜帶等缺點。(二)技術方案為實現以上目的，本發明提供了一種用于細胞組織離子流采集的便攜式三維微距運動裝置，包括三維微距運動機械手、步進電機、驅動控制器、數據傳輸轉換模塊和上位機，所述三維微距運動機械手通過絲杠與步進電機相連，所述步進電機與驅動控制器相連，上位機通過數據傳輸轉換模塊與所述驅動控制器相連，所述驅動控制器和數據傳輸轉換模塊均集成安裝于PCB板上。其中，所述的數據傳輸轉換模塊包括CAN轉RS232模塊和串口轉USB芯片模塊，所述CAN轉RS232模塊的一端通過CAN總線與所述驅動控制器相連，另一端通過PCB板布線與串口轉USB芯片模塊相連。 其中，所述運動裝置還包括上位機，所述串口轉USB芯片模塊提供有USB端口，該USB端口與上位機相連。其中，所述的三維微距運動裝置還包括電源模塊，所述電源模塊分別與所述驅動控制器和CAN轉RS232模塊連接，用于提供24V電壓，所述電源模塊安裝于PCB板上。其中，所述的三維微距運動裝置還包括電壓轉換芯片，所述電源模塊通過電壓轉換芯片與所述串口轉USB芯片模塊相連，提供所需的5V電壓，電壓轉換芯片安裝于PCB板上。其中，所述驅動控制器與所述步進電機的數目為三個，所述三個步進電機分別與三維微距運動機械手連接，實現機械手在X、Y、Z三個方向的三維微距運動。其中，在所述的三維微距運動機械手上設置一限位傳感器，所述驅動控制器上具有傳感器接口，所述限位傳感器與所述驅動控制器上的傳感器接口相連。其中，所述運動裝置還包括一金屬外殼，封裝所述驅動控制器、所述CAN轉RS232模塊、所述串口轉USB芯片模塊、所述電源模塊、所述電壓轉換芯片和所述PCB板。其中，在所述PCB板上驅動控制器相應的位置開出散熱孔或者在所述驅動控制器上貼裝散熱片。本發明運動裝置的工作原理是本發明的執行機構為三維微距運動機械手，機械手在X、Y、Z三個方向上裝備有步進電機，通過絲杠將步進電機的轉動轉化為直線運動，實現細胞組織離子流信號采集探針的移動。裝置的驅動部分，向步進電機發送脈沖，驅動步進電機進行正反轉、勻速、加速、減速等運動。裝置的控制部分，利用CAN總線將各控制器連接，通過定義不同的地址，實現對三個步進電機的控制，將基于CAN總線協議的信號轉化成為基于RS232協議的信號，通過基于串口指令的二次開發實現上位機對多個步進電機的操作。(三)有益效果本發明采用PCB板集成，將步進電機的驅動器和控制器進行一體化的集成，相比傳統使用的驅動器和控制器，大幅減少了占用的空間，實現了本發明的微型化、一體化；抗干擾金屬外殼封裝的方式，實現了本發明的高屏蔽性。本發明基于CAN總線的通信方式，可以實現多個驅動控制器的連接，實現多個步進電機的同步控制；通過CAN轉RS232模塊，將CAN總線的通信協議轉化成為RS232的通信協議，通過軟件對步進電機進行操控，實現高精度實時控制。
本發明采用可靠的接口設計、穩定的電源、良好的溫度控制保證硬件性能，同時，提供高效的軟件二次開發接口，保證運動的精度和實時響應程度。綜上，本發明具有便攜輕巧、屏蔽性強、處理速度快、實時性好、即時反饋控制信息、高精度微距精確定位、支持二次開發和運動保護等優點。
圖I為現有產品示意圖；圖2為本發明的三維微距運動裝置的連接關系示意圖；圖3為本發明采用CH341A的串口轉USB芯片電路設計圖；圖4為本發明24V轉5V電壓轉化電路圖； 圖5為本發明的整體結構示意圖。圖中101 :三維微距運動機械手；102 :過渡接線盒；103 :電氣系統箱；104 :運動控制盒；105 :電源；106 :驅動控制一體化模塊；107 :筆記本電腦；1 :第一步進電機；2 :第一驅動控制器；3 :第二步進電機；4 :第二驅動控制器；5 :第三步進電機；6 :第三驅動控制器；7 :串口轉USB芯片；8 :上位機；9 :電壓轉換芯片；10 :電源模塊；11 :CAN轉RS232模塊；12 :數據傳輸轉換模塊；13 :驅動控制器；14 :步進電機；101 :三維微距運動機械手。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明三維微距運動裝置作進一步詳細說明。如圖5所示，本發明提供的用于細胞組織離子流采集的便攜式三維微距運動裝置，包括三維微距運動機械手101、步進電機14、驅動控制器13、數據傳輸轉換模塊12和上位機8，所述步進電機14包括第一步進電機I、第二步進電機3和第三步進電機5，驅動控制器13包括第一驅動控制器2、第二驅動控制器4和第三驅動控制器6。所述三維微距運動機械手101通過絲杠分別與第一步進電機I、第二步進電機3、第三步進電機5相連，第一步進電機I與第一驅動控制器2相連，第二步進電機3與第二驅動控制器4相連，第三步進電機5與第三驅動控制器6相連，上位機8經數據傳輸轉換模塊12分別與第一驅動控制器2、第二驅動控制器4和第三驅動控制器6相連，所述驅動控制器13和數據傳輸轉換模塊12均集成安裝于PCB板上。數據傳輸轉換模塊12包括CAN轉RS232模塊11和串口轉USB芯片模塊7，所述CAN轉RS232模塊11的一端通過CAN總線與所述驅動控制器13相連，另一端與串口轉USB芯片模塊7相連，所述串口轉USB芯片模塊I的USB端口與上位機8相連，所述CAN轉RS232模塊11為CAN-RS232協議轉化器nM2501，串口轉USB芯片模塊7為CH341A芯片。圖3為采用CH341A的串口轉USB芯片7的電路設計圖。所述串口轉USB芯片7的USB端口與上位機8相連，所述上位機8是PC機，也可以是筆記本電腦107。電源模塊10分別與所述驅動控制器13和CAN轉RS232模塊11連接，用于提供24V電壓。如圖4為電壓轉換芯片9的電路圖，電源模塊10通過電壓轉換芯片9與所述串口轉USB芯片模塊7相連，電壓轉換芯片9將24V電壓轉化為5V電壓，以提供串口轉USB芯片7即CH341A芯片所需的電壓。在所述的三維微距運動機械手101上設置一限位傳感器，所述驅動控制器13上具有傳感器接口，所述限位傳感器與所述驅動控制器13上的傳感器接口相連。三維微距運動機械手101是整套裝置的運動執行機構，用于安裝細胞組織離子流采集探針加持裝置，并且實現探針在微米級三維尺度空間內的運動，三維運動機械手101由步進電機進行驅動，由絲杠將步進電機14的動力轉化為直線運動，其具體技術參數如下行程為X=Y=Z彡26mm ;2軸轉角彡135° ;￥軸轉角彡60° ;操作臺應放置在平穩的工作臺上，防止震動。第一驅動控制器2、第二驅動控制器4、第三驅動控制器6的型號均為UM242，實現對步進電機的脈沖驅動，以及通過串口命令對步進電機下達 命令，進行三維運動控制，三個驅動控制器安裝在PCB基板之上，將步進電機驅動電路與控制部分進行結合，可以實現多個驅動控制器的協調同步控制。WM242提供直接與兩相四線制步進電機連接的控制接口(么+^-，8+，8-)、用于供電的24V電源接口、CAN總線通信接口以及兩路用于采集TTL電平信號的傳感器接口。UM242采用微型化一體化設計，并且進行了合理的防靜電及隔離設計。MM242模塊驅動控制具體參數如下所述體積為42. 3mmX42. 3mmX 16. 5mm ;輸入電壓為12 40VDC ;輸出電流為最大2A，可指令進行調整；驅動細分數為f 16 ;通訊方式為主動CAN2. OB ;通訊速率為IMbps ;通訊距離為IOKm ;可連接驅動控制器數量為100個；控制方式為提供串口控制命令集。 CAN-RS232協議轉化器，將CAN通信協議轉化成為RS232通信協議，可以實現上位機軟件直接對三維運動機械手裝置下達命令，CAN-RS232協議轉化器安裝在PCB基板之上，其主要技術參數如下所述供電為6 40VDC寬電壓輸入；通訊協議為主動CAN 2. OB ;波特率為最高115200波特率；抗干擾特性為采用差分總線，具有很強的抗噪特性；連接節點數量為可連接節點高達100個；體積為66. 4mmX 38mmX 18mm。采用CH341A的串口轉USB芯片，將RS232的通訊協議轉化成為基于USB接口的USB通信協議，方便驅動控制器與沒有串口的PC機的連接，CH341A芯片焊接在PCB基板上，其的技術參數如下所述全速設備接口，兼容USBV2. 0 ;支持5V電源電壓和3. 3V電源電壓；采用S0P-28封裝。24V轉5V芯片LM2596及附屬電路，用于為RS232轉USB芯片CH341A供電，焊接于PCB基板之上。如圖3和圖4，本發明中共需要兩種電壓，驅動控制器所需的24V電壓和CH341A所需的5V電壓，同時考慮各模塊的功耗，設計電壓轉化電路，利用LM2596芯片，將24V電壓轉化成為5V電壓，同時實現24V和5V的供電。設計按扣開關，控制整個裝置的供電，通過LED燈對上電情況進行指示。根據上述各模塊的選型、輔助器件的電路要求以及它們的連接關系，進行PCB板圖的設計及加工，考慮模塊散熱需求，將驅動控制模塊下面，開出方形通孔，增加散熱面積，并且在驅動控制模塊之上添加散熱片。為較少驅動控制器產生的干擾信號，采用大面積覆銅接地的方式，減少干擾。通過電路仿真，測試裝置電路系統的整體性能。根據PCB板制作裝備完的尺寸，進行所述運動裝置封裝的選型設計，主要封裝所述驅動控制器、所述CAN轉RS232模塊、所述串口轉USB芯片模塊、所述電源模塊、所述電壓轉換芯片和所述PCB板。選擇機械封裝為105mmX 190mmX50mm長方形金屬盒,增加一次屏蔽，減少驅動控制器產生的干擾信號。在金屬方盒的后面板上，開出4個用于安裝DB9接口的方孔，進行DB9接頭的安裝，開出直徑為8mm的圓口，用于電源接口的安裝；在前面板上開出直徑為25mm的圓孔，用于安裝裝置的整體開關，控制裝置的整體上電，再開出直徑為3mm的圓孔，安裝LED指示燈。本發明具有處理速度快、實時性好、即時反饋控制信息、高精度微距精確定位和便于攜帶等特點，能夠滿足生命科學、生物工程領域中的對組織樣品近距離操作、細胞內注射、細胞分離和胚胎移植等高精度微距移動的研究需求。 以上所述僅是本發明的一種優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型也應視為本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種用于細胞組織離子流采集的便攜式三維微距運動裝置，其特征在于其包括三 維微距運動機械手(101 )、步進電機(14)、驅動控制器(13)、數據傳輸轉換模塊(12)和上位 機(8)，所述三維微距運動機械手(101)通過絲杠與步進電機(14)相連，所述步進電機(14) 與驅動控制器(13)相連，上位機(8)通過數據傳輸轉換模塊(12)與所述驅動控制器(13) 相連，所述驅動控制器(13)和數據傳輸轉換模塊(12)均集成安裝于PCB板上。
2.根據權利要求1所述的運動裝置，其特征在于，所述的數據傳輸轉換模塊(12)包括 CAN轉RS232模塊(11)和串口轉USB芯片模塊(7 )，所述CAN轉RS232模塊(11)的一端通 過CAN總線與所述驅動控制器(13)相連，另一端通過PCB板布線與串口轉USB芯片模塊(7) 相連，所述串口轉USB芯片模塊(7 )的USB端口與上位機(8 )相連。
3.根據權利要求2所述的運動裝置，其特征在于，其還包括電源模塊(10)，所述電源模 塊(10 )分別與所述驅動控制器(13 )和CAN轉RS232模塊(11)連接，用于提供24V電壓，所 述電源模塊(10 )安裝于PCB板上。
4.根據權利要求3所述的運動裝置，其特征在于，其還包括電壓轉換芯片(9)，所述電 源模塊(10)通過電壓轉換芯片(9)與所述串口轉USB芯片模塊(7)相連，用于提供所述串 口轉USB芯片模塊(7)所需的5V電壓，所述電壓轉換芯片(9)安裝于PCB板上。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的運動裝置，其特征在于所述驅動控制器(13) 與所述步進電機(14)的數目為三個，所述三個步進電機(13)分別與三維微距運動機械手 (101)連接，實現機械手在X、Y、Z三個方向的三維微距運動。
6.根據權利要求5所述的運動裝置，其特征在于在所述的三維微距運動機械手(101) 上設置一限位傳感器，所述驅動控制器(13)上具有傳感器接口，所述限位傳感器(13)與所 述驅動控制器(13)上的傳感器接口相連。
7.根據權利要求6所述的運動裝置，其特征在于其還包括一金屬外殼，封裝所述驅 動控制器(13)、所述CAN轉RS232模塊(11)、所述串口轉USB芯片模塊(7)、所述電源模塊 (10)、所述電壓轉換芯片(9)和PCB板。
8.根據權利要求7所述的運動裝置，其特征在于在PCB板上驅動控制器(13)相應的 位置開有散熱孔。
9.根據權利要求7所述的運動裝置，其特征在于在所述驅動控制器(13)上貼裝散熱片。
全文摘要
本發明涉及一種用于細胞組織離子流采集的便攜式三維微距運動裝置，包括三維微距運動機械手、步進電機、驅動控制器、數據傳輸轉換模塊和上位機，將步進電機的驅動器和控制器進行一體化的集成設計，基于CAN總線的通信方式，可以實現多個驅動控制器的連接，實現多個步進電機的同步控制，通過軟件對步進電機進行操控，實現高精度實時控制，具有便攜輕巧、屏蔽性強、處理速度快、實時性好、即時反饋控制信息、高精度微距精確定位、支持二次開發和運動保護等優點。
文檔編號B25J13/00GK102950598SQ201210434560
公開日2013年3月6日 申請日期2012年11月2日 優先權日2012年11月2日
發明者姜富斌, 王曉冬, 侯佩臣, 羅斌, 朱大洲, 王成 申請人:北京農業信息技術研究中心