王志華

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)電潤濕器件的驅(qū)動(dòng)和控制，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含驅(qū)動(dòng)電路和上位機(jī)軟件兩部分。驅(qū)動(dòng)電路使用PIC單片機(jī)通過FT245組成的USB接口模塊接收上位機(jī)的控制命令，按照預(yù)定義的格式解析生成控制信號(hào)控制DA芯片AD5535輸出電壓信號(hào)，使用集成化的電壓芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換和升壓電路；上位機(jī)軟件基于Qt軟件開發(fā)框架在Windows平臺(tái)下采用C++語言編寫，實(shí)現(xiàn)對驅(qū)動(dòng)參數(shù)的各種操作和電潤濕器件電極的狀態(tài)顯示功能。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)工作性能良好，滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：電潤濕器件；驅(qū)動(dòng)電路；上位機(jī)軟件；Qt

中圖分類號(hào)：TH122.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）10-00-02

0 引 言

在傳統(tǒng)的以微量樣品為對象的生化分析實(shí)驗(yàn)中，一般使用較為昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，且需要專業(yè)的實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行操作。基于電潤濕器件的液滴操作技術(shù)可大大簡化生化樣品分析的實(shí)驗(yàn)操作步驟，降低生化實(shí)驗(yàn)對設(shè)備的依賴程度，且其需要的生化樣品更少、樣品實(shí)驗(yàn)時(shí)間更短[1]。

電潤濕器件利用微觀尺度下表面張力起主導(dǎo)作用的原理，通過改變液滴在固體接觸面的表面張力大小從而造成液滴的形變進(jìn)而改變液滴的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[2]。液滴與固體接觸時(shí)，液滴會(huì)沿著固體的表面延展，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)液滴形狀保持不變，此時(shí)固液界面在空氣、液滴和固體三種物質(zhì)交點(diǎn)的切線與固液接觸面形成接觸角；根據(jù)Lippmann-Young方程[3]，電潤濕器件按時(shí)序施加一定頻率和幅值的方波電壓后接觸角減小；接觸角減小使液滴發(fā)生形變，當(dāng)液滴左右曲率半徑變化導(dǎo)致的液滴內(nèi)部壓力差大于其受到的阻力時(shí)，液滴開始運(yùn)動(dòng)[4]。因此，通過對電潤濕器件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制就可以實(shí)現(xiàn)液滴的基本操作。

1 系統(tǒng)總體方案

電潤濕器件驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)電路和上位機(jī)軟件兩部分。上位機(jī)軟件將驅(qū)動(dòng)參數(shù)按照一定的控制命令格式發(fā)送，通過USB接口模塊傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，單片機(jī)將控制命令按照預(yù)定義的控制命令格式進(jìn)行解析，解析后利用SPI通信接口發(fā)送控制信號(hào)給DA芯片，DA芯片輸出控制命令指定的電壓信號(hào)；上位機(jī)對用戶提供一種可視化的電潤濕器件操作界面，用戶選擇驅(qū)動(dòng)電路與PC的連接端口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸測試，測試成功后即可在驅(qū)動(dòng)參數(shù)輸入表格輸入驅(qū)動(dòng)參數(shù)，本設(shè)計(jì)提供驅(qū)動(dòng)參數(shù)的文件打開和文件保存功能，方便用戶打開預(yù)定義的驅(qū)動(dòng)參數(shù)文件和保存已調(diào)試完畢的控制命令，同時(shí)設(shè)計(jì)了電極模擬顯示區(qū)域，方便用戶更加直觀地觀察電極狀態(tài)變化?；赒t的電潤濕器件驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路采用模塊化設(shè)計(jì)方案，分為單片機(jī)控制模塊、USB接口模塊、DA輸出模塊和電壓轉(zhuǎn)換模塊，每個(gè)模塊完成其對應(yīng)的功能。

2.1 單片機(jī)控制模塊

在本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)上位機(jī)軟件控制命令的接收、解析和DA輸出模塊控制信號(hào)的發(fā)送，是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理和控制中心。本設(shè)計(jì)采用PIC24系列單片機(jī)的PIC24 HJ256 GP206芯片，該芯片是16位采用RISC指令集單片機(jī)，擁有改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，工作頻率在32 MHz時(shí)指令速度可達(dá)16 MIPS，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求[5]。單片機(jī)控制流程圖如圖2所示。

2.2 USB接口模塊

USB接口模塊實(shí)現(xiàn)單片機(jī)I/O口與USB接口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能。本設(shè)計(jì)采用并行FIFO雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢SB接口芯片F(xiàn)T245實(shí)現(xiàn)USB接口模塊的功能，該芯片集成微控制器和USB通信協(xié)議，同時(shí)提供PC端的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，一般用戶只需進(jìn)行簡單的硬件設(shè)計(jì)和軟件編程即可實(shí)現(xiàn)USB通信[6]。PIC24單片機(jī)與FT245的管腳連接如圖3所示。

2.3 DA輸出模塊

本設(shè)計(jì)選用具有多通道高電壓輸出的高精度DA芯片AD5535完成電壓信號(hào)的輸出，AD5535擁有32通道、14位DAC，內(nèi)置高壓輸出放大器，其輸出電壓范圍通過REFIN引腳編程設(shè)置。AD5535通過三線通信接口SPI與PIC24單片機(jī)連接，接收單片機(jī)傳輸?shù)碾妷簲?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，并根據(jù)該數(shù)據(jù)輸出對應(yīng)的電壓信號(hào)。

2.4 電壓轉(zhuǎn)換模塊

電壓轉(zhuǎn)換模塊將5 V電源轉(zhuǎn)換成單片機(jī)控制模塊、USB接口模塊和DA輸出模塊需要的電平，使用集成化的電壓芯片不僅縮小了電壓誤差，還大大減小了升壓電路的體積。其中使用LM2611、5SVV200S實(shí)現(xiàn)5 V到-5 V和200 V的轉(zhuǎn)換，使用ISL60002實(shí)現(xiàn)5 V到2.048 V的轉(zhuǎn)換，再放大到4.096 V。

3 上位機(jī)軟件

本設(shè)計(jì)中的上位機(jī)軟件開發(fā)基于跨平臺(tái)的C++圖形用戶界面和應(yīng)用軟件開發(fā)框架Qt，在跨平臺(tái)集成開發(fā)環(huán)境Qt Creator中使用C++語言進(jìn)行編寫和編譯[7，8]，運(yùn)行在Windows平臺(tái)上。上位機(jī)軟件由端口、測試、發(fā)送、驅(qū)動(dòng)參數(shù)和顯示5部分組成，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)參數(shù)的輸入、打開、保存、清除、執(zhí)行、郵件發(fā)送和電極模擬陣列的動(dòng)態(tài)生成、狀態(tài)顯示等功能。

3.1 端口

端口部分包含搜索、選擇、打開和關(guān)閉功能。USB接口模塊與PC連接后，在PC主機(jī)上該USB接口顯示為標(biāo)準(zhǔn)串行總線，在PC主機(jī)的設(shè)備管理器中可以查看對應(yīng)的端口號(hào)。通過搜索功能將計(jì)算機(jī)上可用端口更新在可選列表中，選擇使用的端口打開即可，使用完畢后可以關(guān)閉端口。默認(rèn)使用的端口通信參數(shù)為波特率9 600 b/s、數(shù)據(jù)位8 b、停止位1 b、無校驗(yàn)位。

3.2 測試

下位機(jī)與上位機(jī)連接之后，要想二者正常通信必須保證通信通路正常連通，測試部分用來測試上下通信是否正常連通。在打開使用的端口之后，需要先進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸測試。

3.3 發(fā)送

發(fā)送部分包含一個(gè)E-mail按鈕，該按鈕用來調(diào)用計(jì)算機(jī)上默認(rèn)的郵件客戶端。用戶在調(diào)試完畢驅(qū)動(dòng)參數(shù)之后，可以以TXT文件的形式保存驅(qū)動(dòng)參數(shù)到計(jì)算機(jī)內(nèi)，當(dāng)需要以郵件的形式發(fā)送參數(shù)文件時(shí)只需點(diǎn)擊按鈕即可。