蘇 坦，張文超

（杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018）

1 引言

生命科學(xué)儀器的誕生大大縮短了生命科學(xué)從描述性、實驗性的科學(xué)向定量科學(xué)過渡的進程。伴隨著八十年代初期計算機技術(shù)逐漸成熟，生命科學(xué)儀器發(fā)展的進程也大大的提速了。本設(shè)計的直接應(yīng)用實例──聚合酶鏈反應(yīng)（PCR）儀就是這樣一種儀器，它是由Mullis等人于1985年首先提出的，此項技術(shù)于1989年被美國《Science》雜志列為十余項重大科學(xué)發(fā)明之首。其基本原理是對被測基因試樣的溫度進行周期性的循環(huán)控制，控制其溫度按照給定的升溫、恒溫、降溫曲線進行循環(huán)，從而實現(xiàn)在短時間內(nèi)對生物或生化樣品中含有的痕量基因進行體外擴增（基因放大）和分析[1]。

從普通PCR到如今的實時熒光PCR，該項技術(shù)實現(xiàn)了從實驗性的定性分析到實時定量分析的轉(zhuǎn)變，為生物科學(xué)領(lǐng)域和醫(yī)療研究領(lǐng)域注入了新的活力，但傳統(tǒng)架構(gòu)的PCR儀器仍然存在值得改進和完善的地方。諸如：溫度控制單一化（受限制），獨立性不好以及靈活性差等不足。傳統(tǒng)單個式架構(gòu)的PCR儀器已經(jīng)不能解決這些不足之處（詳見下文），研發(fā)一種基于CAN總線[2]的既可單臺運行亦可多臺聯(lián)合群控形式運行的基因擴展分析系統(tǒng)勢在必行。本文在綜合了PCR本身對數(shù)據(jù)傳輸效率、可靠性要求和群控式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特性的基礎(chǔ)上，提出基于STM32和CAN總線的群控式溫度控制系統(tǒng)，并利用LabWindows軟件設(shè)計出了相關(guān)的操作界面，實際運行效果很好。

2 系統(tǒng)架構(gòu)的比較

2.1 傳統(tǒng)架構(gòu)下PCR儀器的結(jié)構(gòu)及特點

圖1 傳統(tǒng)架構(gòu)PCR結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可知：這種傳統(tǒng)架構(gòu)下的PCR非常的繁雜。首先，單個MCU承擔(dān)全部任務(wù)，這其中包括有溫度控制模塊、熒光檢測、步進電機等功能模塊，MCU頻繁在各種任務(wù)之間切換，導(dǎo)致系統(tǒng)性能受限。其次，隨著儀器通量（是指一次可完成的樣品數(shù)量）的增加，存放樣品試管的空間就會變得非常龐大，導(dǎo)致儀器非常笨重，不易便攜，受限于實驗室使用。具體來說還有以下幾點不足：

1) 溫度控制單一化。同一批的目標(biāo)試樣只能處于同一溫度場中，難以實現(xiàn)在同一時間內(nèi)讓目標(biāo)試樣按照不同的溫度控制曲線和循環(huán)次數(shù)來獨立運行。這個功能特性在很多生化和生命科學(xué)研究部門的高端研究項目中是急需的。

2) 獨立性不好。實驗進行過程中，如果想開始新的測試，就必須等到本次實驗結(jié)束（無論是對其中某個試樣還是對整體都一樣）。這一缺陷嚴(yán)重影響了相關(guān)實驗人員研究的進度。

3) 靈活性和可擴展性差。用大通量儀器來測試少量數(shù)據(jù)會帶來巨大的資源浪費，反之，小通量儀器測試大量的試樣時需要分批次逐次進行，這又會消耗過多時間?？傊?，儀器的靈活性很差，很難同時滿足多樣化需求。

以上的幾點不足，表明傳統(tǒng)架構(gòu)已經(jīng)嚴(yán)重制約了PCR儀器的功能的利用和性能的發(fā)揮，研發(fā)一種具有嶄新架構(gòu)的PCR儀器系統(tǒng)迫在眉睫！

2.2 群控式架構(gòu)下PCR儀器的結(jié)構(gòu)

如圖2(a)所示，群控式架構(gòu)PCR儀器是由一個主協(xié)調(diào)單元（常稱為主節(jié)點）和多個靈活的執(zhí)行子模塊（常稱為子節(jié)點）形成的一個有機整體。上位機為PC機，下位機則由若干個功能一致的溫控模塊構(gòu)成（例圖中共有32個模塊），其中一個模塊作為主節(jié)點（近似于一個CAN總線適配器），其余的若干模塊均作為子節(jié)點。

每個功能模塊均集成有獨立控溫系統(tǒng)（其中每個加熱槽有多組試管槽，例如16個）、USB接口、CAN總線接口和供電模塊等，實現(xiàn)獨立的控溫功能。如圖2(b)所示。

主節(jié)點功能：下行時，上位機的的參數(shù)配置信息通過USB下傳到主節(jié)點并交其處理，完成參數(shù)的歸類和劃分，然后將參數(shù)再次打包，并設(shè)定目標(biāo)ID，通過CAN總線傳出，參數(shù)包的ID決定它的目的地。上行時，子節(jié)點的溫度控制參數(shù)、運行狀態(tài)等信息經(jīng)由主節(jié)點重新打包成幀后上傳至上位機，上位機處理后供用戶實時掌握整個系統(tǒng)運行狀態(tài)。

圖2 群控式架構(gòu)PCR示意圖

子節(jié)點功能：子節(jié)點接收來自主節(jié)點的參數(shù)包后，開始對參數(shù)包解析，建立起任務(wù)的具體模型，然后開始自動的對被測試樣管進行溫度控制。通過上位機和下位機，主節(jié)點和子節(jié)點之間協(xié)調(diào)的工作，使得整個系統(tǒng)有條不紊地運行。

2.3 群控式架構(gòu)的特點

相對于傳統(tǒng)的架構(gòu)，群控式架構(gòu)應(yīng)用于PCR儀器為其性能帶來的改進有：

1） 通量的提高：隨著現(xiàn)代生化分析和生命科學(xué)研究中對大通量實驗的需求，大通量PCR儀器漸漸被人們所重視。理論上，群控式架構(gòu)系統(tǒng)可以掛載的溫控模塊的數(shù)目在理論上是無限多個（由于CAN總線的特性），也就是說很大程度上增加了PCR儀器通量。

2） 模塊間的獨立性：目前市場上已經(jīng)具有1個主機帶多機的產(chǎn)品，但各模塊間獨立性不好。比如有一種1機帶4機的產(chǎn)品，可一旦其中1個機器發(fā)生故障會導(dǎo)致4個機器都無法使用的尷尬境地。而在本設(shè)計中，主模塊與子模塊之間利用CAN總線實現(xiàn)通信，任一子模塊損壞都不會影響到別的模塊，很大程度上提高了模塊間的獨立性及整個系統(tǒng)的健壯性。

3） 溫度控制的靈活性：梯度式PCR儀的誕生似乎已經(jīng)解決了溫度場單一化的問題，但只是實現(xiàn)了不同位置目標(biāo)試樣溫度呈梯度式變化，它始終是同一組實驗，并不是真正獨立的溫度控制和各異的循環(huán)次數(shù)。而本設(shè)計的各模塊之間就實現(xiàn)了真正意義上的獨立，各個模塊運行參數(shù)和狀態(tài)均由用戶按照意愿來設(shè)定且相互之間不會受到彼此的制約，且在運行期間可隨時啟/停某一個子節(jié)點。

4） 產(chǎn)品的個性化、便攜性和靈活組態(tài)性：現(xiàn)有的PCR儀多受限于實驗室使用，不能隨意組合、外攜使用或根據(jù)具體需要靈活配置以及控制。而本設(shè)計結(jié)構(gòu)中的每一模塊可以很方便的添加和移除，實現(xiàn)了儀器的便攜化和方便的組態(tài)化，這既可以為某些特殊研究人群提供一個很好的個人化實驗平臺以便其開展個性化的研究領(lǐng)域。同時，這種優(yōu)勢也使得現(xiàn)場檢驗測試成為可能，大大拓寬了PCR儀應(yīng)用領(lǐng)域。

3 具體實現(xiàn)方案和硬件電路設(shè)計

3.1 實現(xiàn)方案的比較與選取

1） 主控制芯片的選擇：溫控模塊所選用芯片是意法半導(dǎo)體的STM32F107系列微控制器，與以往的80C51相比，這是一款高性能、低功耗的32位控制芯片，系統(tǒng)時鐘最高可配置為72MHz，內(nèi)部集成有CAN、ADC、DAC、USB等眾多實用外設(shè)，因此大大簡化了硬件電路，節(jié)約了開發(fā)成本，降低了軟件開發(fā)的難度。

2） 上位機通信總線的選?。阂郧昂芏鄡x器采用RS232串口通信來完成PC機與儀器之間的通信，但RS232串行接口速度低，非差分方式收發(fā)數(shù)據(jù)使得信號容易受到干擾。本設(shè)計選擇了USB總線，其優(yōu)勢在于：① USB總線采用差分信號來傳輸數(shù)據(jù)，最高傳輸速度480Mb/S，提高了信號的抗干擾性，并保證了系統(tǒng)運行過程中（尤其是多組模塊同時工作時）數(shù)據(jù)上行時對傳輸能力的需求；② 與用戶使用的PC機連接起來非常方便，也使得現(xiàn)場檢驗測試變得更加簡單化、微型化。

3） 模塊間的通信總線的選?。罕驹O(shè)計選用了CAN總線，與通常采用的I2C總線相比，其好處有：① 更強的抗干擾能力：CAN總線采用差分傳輸方式，大大提高了通信的安全性和抗干擾性，大大提升了像PCR這類精密儀器的整體性能；② 更大的通信距離：群控形式的框架里面往往包含多個模塊且距離都比較遠，I2C總線的通信距離局限于3m以內(nèi)，難以滿足。而CAN-BUS在距離40m內(nèi)通信速率仍能達到1Mbits/S，更好的滿足了設(shè)計的需要；③ 獨特的信息傳送方式：該總線具有獨特的信息傳輸方式，其報文的ID代表著信息的內(nèi)容，這意味著它在理論上可以掛載無數(shù)組功能模塊。

3.2 硬件電路的設(shè)計

圖3 溫控模塊電路設(shè)計

圖3所示為系統(tǒng)的溫度控制和監(jiān)測電路原理框圖[3]。這是一個閉環(huán)的過程，CPU接收到相關(guān)指令后，通過ADC模塊獲取實時溫度，將實時溫度值與給定溫度值比較（作差運算），其誤差送給PID控制算法，由PID算法得出控制值，再由DAC模塊輸出具體的控制量，進而達到了溫度的閉環(huán)控制[4]。

其中溫度傳感器選用的是Intersil公司的AD590，其線性輸出電流1uA/K，溫度范圍-55℃~150℃。溫度監(jiān)測電路的主要任務(wù)是：①使溫度測量精度達到±0.15℃；② 實現(xiàn)K氏溫度到攝氏溫度的變換。

本設(shè)計通過改變可控硅的導(dǎo)通角來實現(xiàn)對加熱絲的控制，進而達到控制目標(biāo)溫度的目的。其具體實現(xiàn)原理是：在半個交流電周期內(nèi)，通過零點檢測電路獲得交流電的零點，積分電路以該點作為積分起點，直到下一次零點到來，得到一個鋸齒波。

DAC模塊輸出值的大小與該鋸齒波比較（通過比較器），“比較點”（ 比較器輸出的翻轉(zhuǎn)點）就代表著可控硅不同的導(dǎo)通位置，即觸發(fā)角大小。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分主要包括溫度控制模塊應(yīng)用程序的編寫及上位機界面的設(shè)計。

4.1 溫控模塊程序流程圖

與傳統(tǒng)的單個MCU承擔(dān)全部任務(wù)的架構(gòu)相比，本設(shè)計的分布式架構(gòu)的每個子模塊MCU的任務(wù)相對地少了很多，也比較“單一”了。所以系統(tǒng)中就沒有必要再采用多線程來處理多任務(wù)了。編程時直接采用前臺主循環(huán)查詢配合后臺中斷處理的模式來完成幾個任務(wù)的實時處理即可。兩個中斷分別是USB中斷和CAN中斷。由于USB承擔(dān)著傳遞上位機命令的任務(wù)，因此將USB和CAN中斷配置成嵌套式中斷，USB具有更高的中斷優(yōu)先級。如圖4所示。

4.2 上位機設(shè)計以及實驗結(jié)果

在目前的生命科學(xué)儀器領(lǐng)域中，以計算機為核心的硬件平臺上，由用戶自定義、具有虛擬面板、測試功能的虛擬儀器越來越受到用戶的認可。在本課題中利用NI公司的LabWindows軟件[5]設(shè)計了相關(guān)的上位機用戶界面，具體包括有：操作界面、曲線繪制顯示界面、溫度數(shù)顯等。

圖4 主節(jié)點程序流圖

用戶配置好相關(guān)參數(shù)后（主要有：目標(biāo)溫度點參數(shù)、循環(huán)次數(shù)、PID參數(shù)等），點擊Start按鈕開始運行，系統(tǒng)就開始按照預(yù)定參數(shù)開始運行。運行時，下位機不斷上傳溫度數(shù)據(jù)到上位機，一旦監(jiān)控到異常情況，也可以通過Stop按鈕來暫停機器。當(dāng)本次試驗結(jié)束，點擊Quit按鈕退出試驗。

由于該溫度控制目標(biāo)是一個多階的系統(tǒng)，普通的PID程序并不能滿足該系統(tǒng)的需求，本文通過對多種算法的實驗和比較，主要有微分先行PID、積分分離PID、雙重積分分離PID、專家PID等多種算法。通過實際效果比對，最后選擇了積分分離PID算法。該算法應(yīng)用于本系統(tǒng)的優(yōu)勢有：系統(tǒng)階躍響應(yīng)超調(diào)小，升降溫段的溫度跟隨速度快，恒溫段的溫控精度高、波動小。

實際控制曲線由一系列升降溫線段和恒溫線段組成，設(shè)定溫度曲線和實際溫度曲線以及運行效果如圖5所示。

5 總結(jié)

與傳統(tǒng)架構(gòu)相比，群控式架構(gòu)的應(yīng)用為儀器功能的發(fā)揮和使用帶來了很多改進（通過增加子模塊可方便地提高通量；模塊間的獨立性使得各個模塊之間即可單獨配置運行，又可以整體統(tǒng)一配置運行；溫度控制具有靈活性和個性化）。突破了制約傳統(tǒng)生命科學(xué)儀器關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展的瓶頸，這是一次嶄新的和成功的嘗試，為未來儀器發(fā)展探索出了一個新的方向。

圖5 溫度控制效果圖

[1]張文超, 劉曉光, 吳勤勤. 基因擴增分析（PCR）儀溫控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J]. 華東理工大學(xué)學(xué)報.2004,30(2):205.

[2]饒運濤, 鄒繼軍, 王進宏等. 現(xiàn)場總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)[M]. 2版. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社,2007.8.

[3]張文超. CAN總線技術(shù)研究與基于CAN總線的生命科學(xué)儀器硬件系統(tǒng)設(shè)計（上篇）[J]. 醫(yī)療衛(wèi)生設(shè)備. 2005, 26(2):8-10.

[4]張文超. CAN總線技術(shù)研究與基于CAN總線的生命科學(xué)儀器硬件系統(tǒng)設(shè)計（下篇）[J]. 醫(yī)療衛(wèi)生設(shè)計

[5]孫曉云. 基于LabWindows/CVI的虛擬儀器設(shè)計與應(yīng)用[M].2版. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2010.2.