1 引 言
 
1蠕動(dòng)泵是 20世紀(jì) 50年代產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的一種新型泵類。與傳統(tǒng)泵類相比, 蠕動(dòng)泵具有如下優(yōu)越性^[ 1 -2] : (1)無(wú)污染, 流體只接觸泵管 , 不接觸泵體, 不會(huì)產(chǎn)生相互污染 ; (2)精度高 , 流量精度可小于 ±1而且不會(huì)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(qiáng)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(hù)簡(jiǎn)單 , 無(wú)閥門和密封件。近年來(lái) , 蠕動(dòng)泵技術(shù)迅速發(fā)展 , 已大量應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)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(dòng)泵的研發(fā)和生產(chǎn) , 還處于比較落后的狀態(tài)。在*外, 蠕動(dòng)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(gè)系列的數(shù) 10 種蠕動(dòng)泵。瑞士ISMATEC公司也生產(chǎn) 7個(gè)系列的蠕動(dòng)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(guò)串口與 PC、 MCU等連接, 實(shí)現(xiàn)智能控制。美*的 COLE-PARMER公司也有專門生產(chǎn)蠕動(dòng)泵的工廠。
 
本文采用 ISMATEC公司 REGLODigital系列中的 ISM834型蠕動(dòng)泵 , 外形如圖 1所示。該泵具有
 
RS232 IN和 RS232 OUT接口, 通過(guò) RS232IN接口

 
 
圖 1  蠕動(dòng)泵外形
 
可 與 PC等控制器的串口直接相連 , 通過(guò)RS232OUT接口可級(jí)聯(lián) 8個(gè)蠕動(dòng)泵, 從而實(shí)現(xiàn)多機(jī)
 
遠(yuǎn)程控制。其主要技術(shù)指標(biāo)如下^[ 3] :蠕動(dòng)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(dòng)泵控制指令
 
REGLODigital系列蠕動(dòng)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(hào)、 特征字符 (單字符 )和回車符(ASCI為 13)組成的字符串 。比如 1號(hào)泵的啟動(dòng)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(hào)、 特征字符(1個(gè)或 2個(gè)字符 )、 數(shù)值以及回車符 (ASCII為 13), 比如設(shè)置 1號(hào)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。控制類指令主要完成泵的基本控制以及參數(shù)設(shè)置 , 如泵編號(hào)設(shè)置指令、 泵啟動(dòng) /停止指令、 泵的運(yùn)行模式指令及轉(zhuǎn)速、 時(shí)間設(shè)置指令等。狀態(tài)類指令主要是查詢泵的運(yùn)行狀態(tài)及設(shè)置的參數(shù) , 如查詢泵的型號(hào)、 總流量及查詢轉(zhuǎn)速、 時(shí)間參數(shù)等指令。
 
3 軟件結(jié)構(gòu)及運(yùn)行流程
 
對(duì)蠕動(dòng)泵的控制可以分為本地面板操作和計(jì)算機(jī)控制。本地面板操作是指通過(guò)蠕動(dòng)泵面板上的按鍵設(shè)置蠕動(dòng)泵的各個(gè)參數(shù)以及運(yùn)行狀態(tài), 從而達(dá)到對(duì)蠕動(dòng)泵的本地控制的目的。計(jì)算機(jī)控制是指通過(guò)計(jì)算機(jī)串口與蠕動(dòng)泵相連 , 采用專門的控制軟件對(duì)其進(jìn)行控制。
 
蠕動(dòng)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(kù)開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)的。蠕動(dòng)泵控制軟件具有手動(dòng)操作和自動(dòng)控制兩種操作模式。手動(dòng)操作模式是指在軟件界面上手動(dòng)設(shè)置泵運(yùn)行模式(比如單純的流速模式、 定時(shí)模式、 定量模式、 時(shí)間間歇模式、 體積間歇模式以及體積 +預(yù)設(shè)時(shí)間模式等 )、 方向、 流速、 時(shí)間、 循環(huán)次數(shù)等參數(shù), 在這種操作模式下可實(shí)現(xiàn)泵的所有控制方式及狀態(tài)查詢。自動(dòng)控制模式是指根據(jù)實(shí)際需要 , 將泵的運(yùn)行方式存儲(chǔ)在配置的文件中 , 加載此文件后 , 程序自動(dòng)發(fā)送相應(yīng)的一系列控制命令 , 以達(dá)到過(guò)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(jiàn)圖 2。 3.1 配置文件加載與保存模塊
 
配置文件存儲(chǔ)著泵的運(yùn)行方式, 即流量與時(shí)間
 


配置文件加載后或創(chuàng)建配置文件時(shí) , 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(shí)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(dòng)、 停止等命令;多字符命令如流速設(shè)置、 定時(shí)設(shè)置等。這兩種命令的發(fā)送采用表驅(qū)動(dòng)的方式執(zhí)行, 由一個(gè) int類型的參數(shù) nIndex CMD指定所發(fā)送命令的序號(hào) , 從而使接口簡(jiǎn)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(kāi)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(shí)間等參數(shù)信息 ,
 
如 :泵編號(hào)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(gè):(1)泵編號(hào)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(gè)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(yùn)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(dòng)
 
方向等參數(shù)信息、 加載配置文件以及顯示泵的運(yùn)行狀態(tài)等 , 如圖 3所示。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
圖 3  軟件主界面
 
進(jìn)入主界面后, 若選擇手動(dòng)操作模式 , 則需要手動(dòng)選擇泵的運(yùn)行模式, 在不同運(yùn)行模式下, 設(shè)置必要的參數(shù) , **后啟動(dòng)蠕動(dòng)泵。若選擇自動(dòng)控制模式 , 則需要先設(shè)置泵的內(nèi)徑以及轉(zhuǎn)動(dòng)方向 , 然后加載配置文件, 此時(shí)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(huì)根據(jù)配置文件信息自動(dòng)控制蠕動(dòng)泵。
 
在泵的運(yùn)行過(guò)程中, 軟件會(huì)自動(dòng)查詢泵的基本狀態(tài), 如是否失去連接, 是否處于運(yùn)行狀態(tài)等 , 同時(shí)也可以手動(dòng)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)是細(xì)胞力學(xué) FlowChamber實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) ,
 
其結(jié)構(gòu)如圖 4所示。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
圖 4  細(xì)胞力學(xué) FlowChamber實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
 
FlowChamber系統(tǒng)是通過(guò)體外裝置模擬血液流場(chǎng)的系統(tǒng) , 可以為研究血液流動(dòng)對(duì)血管內(nèi)皮作用的微觀機(jī)理提供科學(xué)依據(jù) , 以及為研究剪切力對(duì)血管內(nèi)皮細(xì)胞的影響和血細(xì)胞與血管內(nèi)皮細(xì)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(xì)胞試驗(yàn)段見(jiàn)圖 4, 可采用簡(jiǎn)化公式^[ 5] 計(jì)算其剪切力 :
 

ω	6μQ		1
τ =H2W			()

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(shí), 剪切力 τω對(duì)流體流量 Q成比例變化。在此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中 , 采用由計(jì)算機(jī)控制的蠕動(dòng)泵為驅(qū)動(dòng)源 , 通過(guò)設(shè)計(jì)的蠕動(dòng)泵控制軟件可以方便地實(shí)現(xiàn)流體流量的設(shè)置 , 從而實(shí)現(xiàn)了對(duì) FlowChamber中細(xì)胞剪切力狀態(tài)的準(zhǔn)確控制。