溫 泉，莊 凌，馬 瑞

（北京航天長征飛行器研究所，北京 100000）

大氣壓冷等離子體射流以其射流溫度低、活性物種平均濃度高、操作效率高、本身對環(huán)境沒有污染和危害、可控性好、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等顯著優(yōu)點(diǎn)[1]，逐漸成為當(dāng)今國際應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，特別是在等離子體微生物誘變育種領(lǐng)域應(yīng)用較好。常壓室溫等離子體誘變育種儀能夠在常壓（1 atm）下產(chǎn)生溫度在25～40℃之間，具有高活性粒子（如處于激發(fā)態(tài)的氦原子、氧原子、氮原子、OH 等）濃度的射流[2]，適用于生物技術(shù)領(lǐng)域。對比另外幾種傳統(tǒng)誘變育種技術(shù)，ARTP 優(yōu)點(diǎn)為操作方式簡單、設(shè)備結(jié)構(gòu)不復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)條件較為安全、對操作人員沒有傷害、反應(yīng)速度快。一次實(shí)驗(yàn)（數(shù)分鐘以內(nèi)）就可以得到數(shù)量為4 萬個(gè)往上突變菌株，并且具有突變比例大、突變庫容較豐富的特點(diǎn)[3]。尤其ARTP 氣體源各種條件都可以控制，僅需改變誘變育種儀操作的條件，就可很大程度上增強(qiáng)操作物種突變強(qiáng)度與突變庫豐富性，為其余誘變育種所不存在優(yōu)點(diǎn)與可發(fā)展空間。而和新一代分子育種技術(shù)相比，作為一種物理誘變方法，其操作簡便性和誘變速度均高于DNA shuffling 和gTME等技術(shù)。相對IBIM 和ADBDM 兩種育種方法，ARTPM進(jìn)行微生物誘變具有生物學(xué)效應(yīng)明顯、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡易、造價(jià)低、使用簡單、反應(yīng)狀況平和、對操作人員沒有危害等諸多優(yōu)點(diǎn)，為極具潛力的研究方向。

1 常壓室溫等離子體射流發(fā)生裝置

本文中的誘變育種儀使用常壓室溫等離子體射流源，其采用的是雙介質(zhì)覆蓋型針—環(huán)電極結(jié)構(gòu)，其示意圖如圖1 所示。將惰性氣體通入管道后，接通交流電源，不斷增加電壓，當(dāng)針電極與環(huán)電極之間電壓超過擊穿電壓時(shí)，惰性氣體被擊穿，電子與正離子相分離，使得電流得以通過環(huán)電極與針電極形成回路，完成放電[4]。同時(shí)，惰性氣體對等離子體的噴射起到了推動(dòng)作用，讓等離子體在管道中成為射流而射出。并且通過查閱文獻(xiàn)，明確影響因素有兩類：一是射流發(fā)生因素，如氣壓、流速、成分、電功率一類因素[5]；二是誘變育種實(shí)驗(yàn)因素，比如操作時(shí)長[6]。所以，具體工作氣體、氣體流速以及操作時(shí)間還要根據(jù)操作目標(biāo)具體討論。

圖1 雙介質(zhì)覆蓋型針—環(huán)極型發(fā)生器Fig.1 Dual media covered needle-toroidal generator

采用雙介質(zhì)覆蓋型針—環(huán)極型發(fā)生器設(shè)計(jì)簡單，由于針電極外覆蓋有機(jī)玻璃介質(zhì)[7]，所以其工作電流降低為不會(huì)對操作人員造成危險(xiǎn)的安全電流，僅為1～10 mA，同時(shí)還能保證輸出的穩(wěn)定性。

本文設(shè)計(jì)的常壓室溫等離子體射流源的設(shè)計(jì)圖如圖2 所示。其中耗材包括銅、鎢針、石英玻璃、聚四氟乙烯、有機(jī)玻璃等。其中用銅來制作環(huán)電極；用鎢針來制作針電極；用有機(jī)玻璃來包裹放電電極，來達(dá)到操控電流強(qiáng)度的目的，以防溫度過高，提高射流的穩(wěn)定程度；用石英玻璃來制作進(jìn)氣管道；用聚四氟乙烯來制作外殼，并起到絕緣保護(hù)及方便于夾持?jǐn)y帶的作用。

圖2 發(fā)生器設(shè)計(jì)圖Fig.2 Generator design diagram

圖2 中的軟管接惰性氣體；紅色陽極內(nèi)部和針電極連接，外部和高頻高電壓電連接；黑色的陰極內(nèi)部與環(huán)電極相連；環(huán)電極接地。射流長度可達(dá)到40 mm，且射流強(qiáng)度穩(wěn)定，可以滿足本課題中對生物樣品進(jìn)行處理的要求。

2 運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)

本文由于需要用電機(jī)拖動(dòng)等離子體射流源及96 孔板，由于本系統(tǒng)負(fù)載質(zhì)量較小且對精度要求不高，所以用步進(jìn)電機(jī)作動(dòng)力源。步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)具有最大轉(zhuǎn)矩，同時(shí)有優(yōu)秀起停反轉(zhuǎn)響應(yīng)、簡易電機(jī)結(jié)構(gòu)以及完善的驅(qū)動(dòng)模塊等優(yōu)點(diǎn)。要應(yīng)用適配的驅(qū)動(dòng)器來啟動(dòng)電機(jī)，以及24 V 的穩(wěn)壓電源。工業(yè)計(jì)算機(jī)將信號傳輸?shù)津?qū)動(dòng)器，再經(jīng)由其放大后來帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作[8]，其接線如圖3 所示。

圖3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)接線圖Fig.3 Motion control system wiring diagram

本文以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與運(yùn)動(dòng)板卡為核心對電機(jī)進(jìn)行操控，以電機(jī)、與其適配的驅(qū)動(dòng)器和運(yùn)動(dòng)板卡形成平臺。經(jīng)過篩選對比，本文采用研華PCI-1245E 運(yùn)動(dòng)板卡，此板卡功能是運(yùn)動(dòng)操控4 軸通用步進(jìn)/脈沖型伺服電機(jī)PCI 卡，PCI-1245E 融合了DSP 與FPGA 設(shè)計(jì)，可以彈性添加各種先進(jìn)操作應(yīng)用，如多組路徑規(guī)劃表、點(diǎn)對點(diǎn)移動(dòng)、T/S 曲線、2 組2 軸直線插補(bǔ)、加/減速度等功能，使運(yùn)動(dòng)效能提高。PCI-1245E 運(yùn)動(dòng)控制卡在執(zhí)行各類運(yùn)動(dòng)控制功能的時(shí)侯，不因?yàn)楣I(yè)控制計(jì)算機(jī)處理器負(fù)載變化而受到引響，可提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上利用LabVIEW 軟件更改參數(shù)。運(yùn)動(dòng)控制卡內(nèi)部存有豐富完善的運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫，下載驅(qū)動(dòng)后可以供用戶隨意調(diào)用，進(jìn)而改變輸出的脈沖信號以及方向信號，進(jìn)而完成對步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。此軟件利用LabVIEW 軟件內(nèi)置ActiveX 應(yīng)用PCI-1245E 內(nèi)部函數(shù)庫，然后再對這些函數(shù)進(jìn)調(diào)整來實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能。

用調(diào)整輸入信號頻率系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)改變電機(jī)運(yùn)動(dòng)快慢，用調(diào)整脈沖多少來操控電機(jī)運(yùn)行距離，用調(diào)整方向信號正負(fù)來操控電機(jī)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)控制射流源與生物樣品托盤相對位置。

3 電信號采集及處理子系統(tǒng)

等離子體電學(xué)特征量采集系統(tǒng)對常壓室溫等離子體射流源在放電過程中電源的電信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與處理，完成了電壓波形的實(shí)時(shí)顯示，使得實(shí)驗(yàn)人員可以實(shí)時(shí)、便捷地對放電狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。下面將重點(diǎn)講解電學(xué)特征量采集硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

本模擬量采集卡使用研華公司PCI-1715U-AE多通道數(shù)據(jù)采集卡，基于PCI 上12 位32 通道模擬寫入，包含了32 模擬單端寫入通道和16 差分寫入通道，所有通道增益均可編程，并能提供通道/增益自動(dòng)掃描功能，采樣頻率可以達(dá)到500 kS/s，分辨率可以達(dá)到12 位，隔離保護(hù)電壓值為2500 V，并且提供了可存儲1024 個(gè)樣本的先入先出寄存器（FIFO），為高速采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了條件。

用PCL-10137H 雙絞線通訊電纜將32 路模擬量接至采集卡處；ADAM-3937 為接線板，將連接待測量信號線連接。另外，此平臺為通用電信號的采集平臺，直流交流以及電壓電流的值均可測量，如需采集電流信號，則在接地端串入恰當(dāng)大小電阻元件通過測量電壓的大小來得到電流的大小。阻值的選擇應(yīng)以保證轉(zhuǎn)換后的電壓信號幅值在±10 V 或0～10 V 之內(nèi)為宜。在板卡最大耐壓±15 V 之內(nèi)，也可以通過電源主機(jī)輸出電流檢測的接口直接測量。

4 變育種儀軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

常壓室溫等離子體誘變育種儀的LabVIEW 軟件系統(tǒng)分為2 個(gè)子系統(tǒng)，即電學(xué)特征量采集子系統(tǒng)以及運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)。本軟件通過模擬量采集卡PCI-1715U 進(jìn)行電壓和電流數(shù)據(jù)的采集處理，此外，在用戶窗口中收集的電壓和電流波形監(jiān)視放電。同時(shí)，LabVIEW 軟件還可以調(diào)用PCI-1245E 板卡內(nèi)部函數(shù)庫，由端子板將脈沖信號和方向信號遞送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來達(dá)到目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。軟件總體設(shè)計(jì)流程如圖4 所示。

圖4 軟件總體流程Fig.4 Overall software flow chart

4.1 射流源電源遠(yuǎn)程控制

采集到的電信號，經(jīng)過分析對比后，需要控制產(chǎn)生等離子體的電源，然后采用RS232 串口通訊方式實(shí)現(xiàn)電路板對電源的調(diào)控。

這里簡要介紹使用RS232 串口通訊方法。具體方案如下：

（1）開射頻指令：01 05 00 00 FF 00 8C 3A

解讀：01（地址）05（命令）00 00（起始數(shù)據(jù)地址）FF 00（數(shù)據(jù)：1）8C 3A（校驗(yàn)）

返回：01 05 00 00 FF 00 8C 3A（同上）

（2）設(shè)定功率（舉例設(shè)定350 W）：01 06 00 00 01 5E 09 A2

解讀：01（地址）06（命令）00 00（起始數(shù)據(jù)地址）01 5E（設(shè)定功率值350）09 A2（校驗(yàn)）

返回?cái)?shù)據(jù)：01 06 00 00 01 5E 09 A2（同上）

（3）讀出設(shè)定功率指令：01 03 00 00 00 01 84 0A

返回：01 03 02 01 5E（讀出設(shè)定功率350 W）38 2C

（4）關(guān)射頻指令：01 05 00 00 00 00 CD CA

返回：01 05 00 00 00 00 CD CA

該方法較為繁瑣，設(shè)計(jì)時(shí)間周期較長。最終設(shè)計(jì)出的射流控制軟件前面板及程序框圖，如圖5 所示。

圖5 射流電源控制系統(tǒng)用戶界面Fig.5 Jet power control system user interface

4.2 電學(xué)特征量采集及處理子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了了解常壓室溫射流源工作實(shí)時(shí)狀態(tài)，本文對常壓室溫射流源放電電壓、電流信號達(dá)到實(shí)時(shí)采樣、記錄并顯示其波形在用戶界面。PCI-1715U 模擬量采集卡對交流信號采用快速采集方式，1 s 內(nèi)可采集最高達(dá)500 k 個(gè)采樣點(diǎn)。具體軟件設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 電學(xué)特征量采集框圖Fig.6 Block diagram of electrical feature quantity acquisition

與本子系統(tǒng)功能相對應(yīng)圖形界面及程序框圖，如圖7 所示。

圖7 電學(xué)特征量采集及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)用戶圖形界面Fig.7 User graphic interface of electrical feature quantity acquisition and data processing system

用戶可以由圖7 中的停止按鍵控制軟件關(guān)閉。當(dāng)軟件處于開啟狀態(tài)時(shí)，電壓、電流波形就會(huì)實(shí)時(shí)的顯示在虛擬儀器的示波器的窗口當(dāng)中。另外，在電學(xué)特征量采集的基礎(chǔ)上添加了通道設(shè)置、采樣設(shè)置、實(shí)時(shí)保存功能，用戶可以改變面板左側(cè)的控制面板參數(shù)來進(jìn)行配置，方便波形的顯示和保存。同時(shí)用戶還可以調(diào)整XY 標(biāo)尺最大值最小值使波形顯示更加完整。

5 測試驗(yàn)證

5.1 運(yùn)動(dòng)控制測試驗(yàn)證

本文根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制軟件的工作原理，設(shè)計(jì)了運(yùn)動(dòng)控制軟件，設(shè)計(jì)了符合子系統(tǒng)功能的用戶圖形界面和程序，如圖8 所示。

圖8 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)用戶界面Fig.8 Motion system user interface

用戶可以通過圖8 中的運(yùn)動(dòng)控制卡選擇裝載于工業(yè)計(jì)算機(jī)上的運(yùn)動(dòng)控制卡，選擇好之后按下啟動(dòng)按鈕即可啟動(dòng)程序。軟件處于開啟狀態(tài)后，選擇要控制的電機(jī)，輸入運(yùn)行距離數(shù)值（這里的數(shù)值指輸出的脈沖個(gè)數(shù)，對于本系統(tǒng)，640 個(gè)脈沖輸出對應(yīng)步進(jìn)電機(jī)1 mm 的行程），按下Move 鍵即可控制指定電機(jī)運(yùn)動(dòng)。右側(cè)標(biāo)識可表達(dá)步進(jìn)電機(jī)當(dāng)前情況以及位置改變是否成功。

5.2 電學(xué)特征量采集及處理驗(yàn)證

實(shí)際操作環(huán)境內(nèi)采集到電學(xué)信號往往與多樣的雜波混合，并非全部數(shù)據(jù)都是有用的。因此，電信號在采集時(shí)需要預(yù)先處理。根據(jù)工程需要，系統(tǒng)需要通過濾波和信號2 種信號進(jìn)行預(yù)處理。但它可以使編程高效，確保系統(tǒng)測量結(jié)果精確。添加噪聲的濾波效果比較如圖9 所示。

圖9 添加噪聲的濾波效果比較Fig.9 Comparison of filtering effects of added noise

通過對比可以得到，增加階數(shù)的時(shí)侯，波形被處理后很顯著的變平滑，然而處理后波形經(jīng)觀察也有缺點(diǎn)，即波形起點(diǎn)存在邊界效應(yīng)，并且去噪效果也存在極限。經(jīng)對比截止頻率為20 Hz 應(yīng)用3 階Butterworth 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)低通濾波對添加了高斯白噪聲電信號具有較好效果，以及可以滿足信號采集電路需求，可以應(yīng)用在電學(xué)特征量采集電路上，而過高階數(shù)可能導(dǎo)致信號失真過多，所以最終應(yīng)用3 階濾波結(jié)構(gòu)。

優(yōu)化電路后，添加NI 公司的PCI-6220 虛擬板卡進(jìn)行仿真調(diào)試，電流波形圖表XY 標(biāo)尺最大值最小值及調(diào)節(jié)采樣頻率前后電流、電壓信號及濾波后信號采集情況分別如圖10 所示。

6 結(jié)語

本文研制的常壓室溫等離子體誘變育種儀主要研究成果包括：設(shè)計(jì)了常壓室溫等離子體射流源。該雙介質(zhì)覆蓋針—環(huán)電極型常壓室溫等離子體射流源可穩(wěn)定、安全的進(jìn)行放電，有效長度最長可達(dá)40 mm；本文選取了步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、電源組建了運(yùn)動(dòng)控制平臺，該平臺實(shí)現(xiàn)了X 軸方向有效行程為130 mm，Y 軸方向有效行程為90 mm，運(yùn)行精度為1 mm 的預(yù)期指標(biāo)。能夠滿足本誘變育種儀對尺寸和精度的要求；利用本文設(shè)計(jì)的電學(xué)特征量采集系統(tǒng)對常壓室溫等離子體放電進(jìn)行檢測。

通過仿真結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠測得射流源電源的放電電壓與放電電流波形，可以應(yīng)用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集處理部分。