齊建虹，蔡錦達(dá)，顧 豪

(上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

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基于ARM9嵌入式技術(shù)的滾筒式點樣儀控制系統(tǒng)

齊建虹，蔡錦達(dá)，顧 豪

(上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

為實現(xiàn)高精度、高速度的生物芯片制備，研發(fā)了一種新型滾筒式點樣儀，著重描述了點樣儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、硬件系統(tǒng)以及軟件系統(tǒng)的設(shè)計。以基于ARM9嵌入式微處理器帶有觸摸屏的控制器為控制核心，實現(xiàn)了點樣儀的高精度雙閉環(huán)控制。利用頻閃觀測系統(tǒng)和壓電式微噴法使點樣儀進(jìn)行精確的微量噴射。采用C語言編寫ARM9底層程序，研發(fā)了點樣儀的軟件系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了全自動點樣。最后通過微噴實驗對不同驅(qū)動參數(shù)下的樣點直徑進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明：微噴射穩(wěn)定性好，樣點平均直徑較小，滿足控制要求。

點樣儀；滾筒；ARM9；觸摸屏；控制系統(tǒng)；點樣精度

0 引言

生物芯片是縮小了的生物化學(xué)分析儀器[1]，它利用微加工技術(shù)將DNA、RNA、多肽、蛋白質(zhì)等生物樣品以較大密度固定在玻璃、硅片或尼龍膜等載體上，形成生物樣品微陣列，用于大規(guī)模地快速獲取生物信息進(jìn)行分析[2]。

作為生物芯片技術(shù)必不可少的一個環(huán)節(jié)，芯片制備要求高度的自動化[3]。為適應(yīng)我國生物技術(shù)的發(fā)展需要，研發(fā)了一種滾筒式生物芯片點樣儀，與目前國內(nèi)外市場上的點樣儀相比，該點樣儀的設(shè)計具有很大的創(chuàng)新性。用鋁質(zhì)滾筒代替現(xiàn)有的平面生物芯片基質(zhì)承載臺，簡化了點樣儀機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高了空間利用率。采用基于ARM9 S3C2416帶有觸摸屏的控制器作為控制核心，結(jié)合其他關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)了滾筒式點樣儀控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了點樣儀的高精度控制，從而完成自動點樣。硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)巧妙結(jié)合，充分發(fā)揮了ARM9微處理器的硬件資源和觸摸屏人機(jī)交互界面的強(qiáng)大功能，使?jié)L筒式點樣儀具有結(jié)構(gòu)簡單，精度高，效率高，操作方便，軟件控制簡單，是一臺專用的生物芯片制備儀器。

1 滾筒式點樣儀機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

該點樣儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要有滾筒和二軸機(jī)械手兩部分。為了盡量減小體積，首次采用鋁質(zhì)滾筒作為生物芯片基質(zhì)膜的承載面，滾筒的外表面上設(shè)置有多個均勻分布的抽真空孔，通過真空吸附的方式使基質(zhì)膜固定在滾筒的外圓周表面上。在滾筒外表面還開了若干個圓周槽，用于在點樣過程中在此處對點樣針進(jìn)行吸干，從而提高點樣效率。點樣儀依靠安裝有點樣針架的機(jī)械手X-Y軸的移動和Z軸滾筒的旋轉(zhuǎn)運動來實現(xiàn)點樣針與基質(zhì)膜之間的動作，從而把生物樣品有序排列在芯片上。針架上一般安裝多個點樣針以提高點樣效率，要求各根點樣針安裝準(zhǔn)確，運動平穩(wěn)，保證點樣時噴射的樣品點位置精確無誤。滾筒式點樣儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 滾筒式點樣儀硬件系統(tǒng)

2．1 硬件系統(tǒng)框架

根據(jù)對點樣儀的性能要求，研發(fā)了基于ARM9的滾筒式點樣儀硬件系統(tǒng)。利用ARM9 S3C2416嵌入式微處理器結(jié)合觸摸屏組成一個工業(yè)計算機(jī)，并作為一個橋梁將其他硬件(如電機(jī)等)聯(lián)系在一起，結(jié)合輔助設(shè)備組成了點樣儀硬件系統(tǒng)。滾筒式點樣儀硬件系統(tǒng)框架如圖2所示。

由圖2可看出：滾筒式點樣儀硬件系統(tǒng)主要包括3部分：第一部分為X、Y、Z軸的運動控制設(shè)備，由于點樣儀要求較高的控制精度，X軸和Z軸選用交流伺服電機(jī)驅(qū)動，采用步進(jìn)電機(jī)控制Y軸的運動，控制器通過相應(yīng)的驅(qū)動器控制這些電機(jī)。通過交流伺服(步進(jìn))電機(jī)驅(qū)動精密滾珠絲杠實現(xiàn)傳動，伺服電機(jī)每接受10 000個脈沖轉(zhuǎn)一圈，并通過自帶的編碼器反饋脈沖，滾珠絲杠的螺距為5 mm，由理論計算知，單個脈沖的傳動距離為0．5 μm，完全能夠達(dá)到精度要求。另外，為應(yīng)對緊急事故，點樣儀還設(shè)有急停按鈕。第二部分是輔助設(shè)備，輔助設(shè)備包括真空泵、超聲波清洗器、壓電陶瓷微型泵、頻閃儀、CCD鏡頭等。它們雖然不直接參與生物芯片的制備，但通過對它們的設(shè)置可使點樣儀自動、可靠地完成點樣工作，在芯片制備中起著不可或缺的作用[4]。第三部分為內(nèi)嵌式環(huán)境控制模塊，為避免空氣中的灰塵、環(huán)境的濕度和溫度對于樣品盒和點樣針中樣品的影響，該點樣儀加入內(nèi)嵌式環(huán)境控制模塊對點樣空間內(nèi)潔凈度、相對濕度、溫度和通風(fēng)量大小進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。

1-滾筒；2-Z軸滾筒伺服電機(jī)；3-清洗槽；4-樣品盒；5-頻閃液滴觀測系統(tǒng)；6-X軸橫向?qū)к墸?-CCD鏡頭；8-針架；9-Y軸縱向?qū)к夒姍C(jī)；10-Y軸縱向?qū)к墸?1-點樣針；12-X軸橫向?qū)к夒姍C(jī)。圖1 滾筒式點樣儀機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

2．2 雙閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)

伺服控制系統(tǒng)由控制器、伺服驅(qū)動裝置和伺服電機(jī)3部分組成，其控制核心是ARM9 S3C2416微處理器。伺服驅(qū)動裝置把低電壓控制信號轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏好}寬調(diào)制信號，操作機(jī)械手各軸電機(jī)做相應(yīng)運動[5]。采用雙閉環(huán)控制策略兼顧點樣儀控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與精度。系統(tǒng)中包括由光柵尺組成的全閉環(huán)主回路和由伺服編碼器組成的半閉環(huán)輔助回路。雙編碼器反饋功能可對機(jī)械間隙進(jìn)行補(bǔ)償，其中一個編碼器是安裝在伺服電機(jī)軸上的伺服編碼器，另外一個是貼在導(dǎo)軌上的光柵尺，其定位精度為0．001 μm.基于ARM9的控制器能同時接受來自2個編碼器的反饋信號，可獲得較高的運動精度，從而保證點樣儀的點樣精度。雙閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖2 滾筒式點樣儀硬件系統(tǒng)框架

圖3 滾筒式點樣儀雙閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)框圖

2．3 頻閃觀測系統(tǒng)

由于噴射的液滴體積為nL甚至pL級，飛行速度快，無法用裸眼直接觀測噴射效果，因此采用頻閃液滴觀測系統(tǒng)對液滴噴射效果進(jìn)行觀測，通過圖像處理能夠自動判斷液滴是否合格。頻閃液滴觀測系統(tǒng)如圖4所示，包括數(shù)字I/O卡、1394接口卡、攝像機(jī)、鏡頭、光源和相應(yīng)的電源線和信號線。其中數(shù)字I/O卡的輸出信號采用高速晶體管輸出，并具有一個5V-500 mA電源接口。為了實現(xiàn)取像和噴樣的同步，當(dāng)點樣針移動到取像位置后，通過數(shù)字I/O卡按字節(jié)同時輸出兩路信號：一路給攝像機(jī)的I/O口以實現(xiàn)取像的外觸發(fā)；另一路給微型泵控制器的外觸發(fā)接口，控制點樣針噴樣。微型泵用來完成連續(xù)向噴頭供給樣品，以及在點樣針清洗過程中沖洗噴頭腔體等動作。微型泵與ARM9工業(yè)計算機(jī)通過RS232協(xié)議進(jìn)行通訊。微型泵的工作參數(shù)直接影響生物芯片的制備質(zhì)量，包括壓電陶瓷的脈沖電壓、脈沖寬度和脈沖頻率。脈沖頻率決定單位時間噴點的次數(shù)，脈沖寬度和脈沖電壓共同決定著液滴的大小[2]。

圖4 滾筒式點樣儀頻閃觀測系統(tǒng)示意圖

2．4 壓電式微噴驅(qū)動控制系統(tǒng)

采用壓電陶瓷微型泵構(gòu)建新型生物芯片點樣系統(tǒng)，以實現(xiàn)芯片自動化點樣功能。壓電驅(qū)動具有響應(yīng)速度快、控制精度高，可以實現(xiàn)流量的精確供給和易于控制噴射過程等特點[6]。對于每一次噴射的液滴體積只有nL甚至是pL級的微噴頭來講，較高的驅(qū)動脈沖的分辨率以及較高的精度，是能夠讓微噴頭精確噴射的先決條件。所以，有必要設(shè)計比較可靠的驅(qū)動控制系統(tǒng)。

驅(qū)動控制系統(tǒng)的控制核心為ARM9 S3C2416，該微處理器具有16 KB的片上Flash以滿足較大程序的要求以及IIC串行接口，可以進(jìn)行在線編程，可接受來自觸摸屏的參數(shù)設(shè)置，控制觸摸屏的顯示以完成人機(jī)交互；通過對獲得的參數(shù)進(jìn)行計算得到DAC和數(shù)字電位器的控制字用來控制DAC以及數(shù)字電位器，ARM9微處理器同時利用內(nèi)部的計數(shù)器對驅(qū)動脈沖進(jìn)行計數(shù)，以實現(xiàn)對噴射液滴數(shù)量的控制[7]。

3 滾筒式點樣儀軟件系統(tǒng)

3．1 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軟件系統(tǒng)是點樣儀控制系統(tǒng)的重要組成部分。點樣儀軟件系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法，采用C語言編寫 ARM9底層程序，充分利用了面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，將軟件的功能模塊化，在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上實現(xiàn)了點樣儀控制系統(tǒng)的基本模塊。觸摸屏人機(jī)交互界面友好，操作簡單，具有用戶管理、參數(shù)設(shè)置、位置校準(zhǔn)、自動點樣等操作。滾筒式點樣儀軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 滾筒式點樣儀軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由圖5可看出：點樣儀的軟件系統(tǒng)主要由兩部分組成。第一部分是觸摸屏人機(jī)界面，這為用戶提供交互式數(shù)據(jù)輸入界面，用戶通過觸摸屏人機(jī)界面把需要制備的生物芯片的有關(guān)參數(shù)輸入系統(tǒng)，軟件自動驗證輸入數(shù)據(jù)的合理性，然后計算機(jī)械手各種運動的工作參數(shù)，通過控制器底層程序中的運動控制算法自動完成點樣儀的運動軌跡規(guī)劃。此時可啟動點樣儀進(jìn)行自動處理，完成清洗、點樣、吸干、更換樣品盒等任務(wù)，也可進(jìn)行手動調(diào)試。第二部分是點樣儀的自動點樣模塊，控制器按照規(guī)劃好的運動軌跡控制機(jī)械手和滾筒的運動進(jìn)行點樣，點樣的同時進(jìn)行誤差檢測和點樣位置的檢測，以達(dá)到精確控制的目的。在運動控制的過程中實時檢測各軸限位安全傳感器的信號，以防止發(fā)生故障，導(dǎo)致事故產(chǎn)生，并且人機(jī)界面上實時顯示工作情況，并能對各種情況進(jìn)行及時響應(yīng)，并做出相應(yīng)的處理。

3．2 自動點樣模塊

自動點樣模塊是點樣儀軟件系統(tǒng)的核心，工作過程主要包括清洗、取樣、預(yù)點樣、頻閃觀測、吸干、點樣、CCD鏡頭檢測。自動點樣模塊軟件流程如圖6所示。

圖6 自動點樣模塊軟件流程圖

4 點樣精度測試及分析

為了通過驅(qū)動參數(shù)控制樣品點直徑，需進(jìn)行液體微噴射實驗[8]。滾筒式點樣儀微噴射點樣系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 滾筒式點樣儀微噴射點樣系統(tǒng)

實驗選用乙二醇為噴射液體，選用相同內(nèi)徑的微噴頭，在不同驅(qū)動參數(shù)下進(jìn)行噴射實驗，通過計算樣點直徑的變異系數(shù)，來對點樣儀的點樣精度進(jìn)行測試，進(jìn)而選擇一組穩(wěn)定的噴射參數(shù)，以便進(jìn)行后續(xù)自動化點樣。樣點直徑的變異系數(shù)CV的計算公式為：

實驗條件：溫度為12 ℃；壓電陶瓷驅(qū)動參數(shù)：電壓為30～80 V，頻率為1 Hz和2 Hz，波形為正弦上升波；微噴射距離(微噴頭與基質(zhì)膜之間距離)h=3 mm；微噴嘴內(nèi)徑為80 μm.

在每一組驅(qū)動參數(shù)下進(jìn)行5次噴射實驗，并通過CCD攝像系統(tǒng)和圖像處理技術(shù)檢測樣品直徑，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同驅(qū)動參數(shù)下微噴射樣品直徑測量數(shù)據(jù)

從表1中可以得出：驅(qū)動電壓為70 V，驅(qū)動頻率為1 Hz時，樣點直徑的變異系數(shù)最小，微噴射的穩(wěn)定性也最好，并且在該驅(qū)動參數(shù)下，樣點的平均直徑為96 μm，與其他非接觸噴點技術(shù)相比，樣點直徑較小，可提高生物芯片點樣密度。

5 結(jié)束語

研發(fā)高可靠性、操作簡單、高精度，并擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的點樣儀對促進(jìn)我國生物芯片的研究與推廣十分有意義。采用基于ARM9嵌入式微處理器作為控制核心，設(shè)計了完整的滾筒式點樣儀控制系統(tǒng)，采用C語言編寫ARM9底層控制程序，并設(shè)計了友好的觸摸屏人機(jī)界面，使系統(tǒng)操作靈活，實時性高、穩(wěn)定性好，控制精度高。精度測試結(jié)果表明：在70 V，1 Hz的驅(qū)動參數(shù)下樣點直徑變異系數(shù)小，平均樣點直徑為96 μm，能滿足點樣精度要求。在上海某生物科研企業(yè)的實踐證明：該點樣儀運行穩(wěn)定、可靠性高，可以滿足大多數(shù)生物科研機(jī)構(gòu)或公司的精度要求?；贏RM9嵌入式技術(shù)的滾筒式點樣儀控制系統(tǒng)集參數(shù)設(shè)置、自動點樣、實時檢測、環(huán)境控制等多種功能于一體，它的出現(xiàn)為眾多生物研究單位提供了一個不錯的選擇，能夠滿足科研環(huán)境下的微陣列生物芯片的制備，也能夠適應(yīng)批產(chǎn)的要求，對生物芯片自動化制備技術(shù)的發(fā)展有重要意義。

[1] 李志明，王東，宋立濱，等．生物芯片微陣列分配機(jī)器人系統(tǒng)的研制和開發(fā)．機(jī)器人，2002，24(4)：229-334．

[2] 周律，嚴(yán)懷鈺，蔡錦達(dá)．點樣儀液滴頻閃觀測系統(tǒng)研制．計算機(jī)應(yīng)用，2010，30(12)：3410-3415．

[3] 王勇．生物芯片點樣微噴頭數(shù)控驅(qū)動系統(tǒng)的研制：[學(xué)位論文].北京：中國科學(xué)院電子學(xué)研究所，2007．

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[5] 李麟，葉春生．基于Qt /ARM 的伺服電機(jī)控制系統(tǒng)．儀表技術(shù)與傳感器，2013(6)：62-65．

[6] 楊雪鋒，李 威，王禹橋．壓電陶瓷驅(qū)動電源的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展．儀表技術(shù)與傳感器，2008(11)：109-112．

[7] 王懿．微流體脈沖驅(qū)動—控制的芯片點樣系統(tǒng)設(shè)計及實驗研究：[學(xué)位論文].南京：南京理工大學(xué)，2010．

[8] TIMOTHY R H，MAO M，ALLAN R J，et al．Expression profiling using microarrays fabricated by an ink-jet oligonucleotide synthesizer ．Nature Biotechnology，2001，19：342-347．

Roller Microarrayer Control System Based on ARM9 Embedded Technology

QI Jian-hong，CAI Jin-da，GU Hao

(College of Mechanical Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China)

To realize high accuracy and high Speed preparation of the biochip, a new roller microarrayer was researched and developed, focusing on the mechanical structure design, hardware system and software system design. The controller based on ARM9 embedded microprocessor with a touch screen was the control core, achieved a high accuracy double-loop control of the microarrayer. Strobe system and piezoelectric micro-jet method were used to make the microarrayer do precise micro-injection. Using C language writed ARM9 underlying program to develop software system of the microarrayer, then automatic spotting was realized. Finally, the sample spot diameters under different driving parameters were tested through micro-injection experiments. The test results show that the stability of micro-injection is well, and the sample spot average diameter is small, which both meet the control requirements.

microarrayer;roller;ARM9;touch screen;control system;accuracy

2012國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項資助項目(No．2011YQ150040)；2011年上海市重大技術(shù)裝備研制專項資助項目(ZB-ZBYZ-03-11-2009)；上海市研究生創(chuàng)新基金資助項目(JWCXSL1302)。

2014-01-06 收修改稿日期：2014-11-07

TH788+．5

A

1002-1841(2015)01-0056-04