張 帥，胡志剛，2，杜 喆，祖向陽，王新征，馬蓓蓓

（1.河南科技大學 醫(yī)學技術與工程學院，河南 洛陽 471023；2.河南省智能康復醫(yī)療機器人工程研究中心，河南 洛陽 471023）

0 引 言

微流控（microfluidics）是指在微米（μm）級結(jié)構(gòu)中操縱微量流體的系統(tǒng)所涉及的科學和技術［1］，集成化的微流控芯片可將采樣、稀釋、反應、分離、檢測等多個步驟融為一體。聚合酶鏈式反應（polymerase chain reaction，PCR）為一種用于放大擴增特定DNA片段的分子生物學技術，依據(jù)體內(nèi)細胞分裂中DNA半保留復制的原理，可實現(xiàn)微量病毒的定性或定量檢測［2］。傳統(tǒng)PCR存在反應時間長、能量消耗大、不便于集成等缺陷，將微流控技術與PCR 結(jié)合可以有效縮小反應體系，提高反應效率，且易于集成化與微型化［3］，在生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)測等方面具有重要意義。

目前市場上已有的微流控芯片檢測系統(tǒng)大都采用電腦作為控制終端，其體積相對較大，不便攜帶，且硬件成本高，阻礙了微流控芯片檢測儀的普及［4］。少部分使用單片機作為主控單元，存在集成性、交互性不足，缺少數(shù)據(jù)庫存儲功能等問題［5～7］。針對以上問題本文提出基于嵌入式ARM的微流控PCR 檢測系統(tǒng)，構(gòu)建便攜、低成本、功能集成、可操作性強的微流控PCR檢測系統(tǒng)。

1 硬件系統(tǒng)設計

1.1 總體設計

檢測系統(tǒng)需錄入用戶檢測信息、試劑與樣本的條碼或二維碼信息，檢測時對微流控PCR的流路運動、溫度控制、熒光信號采集過程進行控制并實時顯示檢測數(shù)據(jù)，檢測完成后存儲數(shù)據(jù)、打印檢測報告。針對以上需求，檢測系統(tǒng)由上、下位機2個中心控制單元和多個執(zhí)行單元組成，上、下位機之間通過UART 接口通信，硬件系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)總體框架

上位機中心控制單元選用ARM A35 系列的國產(chǎn)瑞芯微四核64位低功耗處理器PX30。顯示屏與觸摸屏是人機交互界面的入口，實現(xiàn)軟件系統(tǒng)的顯示與控制；掃碼模塊與打印模塊接入PX30，實現(xiàn)檢測過程中條碼與二維碼的信息識別，以及檢測報告的打??；RTC模塊為系統(tǒng)運行提供硬件基準時間。下位機采用模塊化設計，主控制器選用ST公司的STM32F103系列芯片。路由站是下位機中心控制單元，負責協(xié)調(diào)上位機系統(tǒng)與功能模塊之間的通信控制、檢測進出倉和急停功能按鍵、控制光源以及采集PCR擴增過程中光源激發(fā)的熒光信號。

溫度控制模塊實現(xiàn)PCR 擴增過程中溫度信號的采集與控制，溫度信號經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換電路、濾波電路、放大電路接入到AD采集芯片中，主控芯片通過溫度信號調(diào)節(jié)加熱制冷模塊輸出。微閥和微泵是微流控芯片的重要組成部分，通過微泵推動流體、微閥控制微管道的通斷，實現(xiàn)液體樣品在芯片流道中的不同流向［8］。流路控制模塊主控制器獲取并處理來自路由站的指令后，通過可變靜態(tài)存儲控制器（flexible static memory controller，F(xiàn)SMC）并行接口與現(xiàn)場可編程門陣列（field programmable gate array，F(xiàn)PGA）芯片SPARTAN-6通信，SPATRTAN-6 內(nèi)部軟核控制I／O口與外圍電機和開關量驅(qū)動工作，驅(qū)動微泵和微閥實現(xiàn)微流控PCR芯片中液體流路運動的控制。

各執(zhí)行單元掛載在RS-422 通信總線上，通過唯一的ID來識別端對端的通信。通信時，路由站通過UART端口獲取并處理上位機發(fā)送的指令，再由通信總線轉(zhuǎn)發(fā)至其他功能模塊。可擴展的通信方式，在增加執(zhí)行單元時，將其掛載在總線上即可實現(xiàn)通信控制，增強了系統(tǒng)的可擴展性。

1.2 通信電路設計

為實現(xiàn)功能模塊之間的數(shù)據(jù)通信與控制，采用RS-422轉(zhuǎn)RJ45網(wǎng)絡端口、RJ45 網(wǎng)絡端口轉(zhuǎn)RS-422 的方式進行數(shù)據(jù)傳輸。通信模塊電路如圖2 所示。RS-422 隔離芯片選用ADM2484E，引腳RxD、TxD分別與主控芯片串口的接收和發(fā)送端連接，RE和DE用于控制數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。位于路由站的通信單元設置為主機模式，其他模塊為從機模式，從機模式下A、B與Z、Y信號線與主機端交叉連接，實現(xiàn)全雙工通信。

圖2 RS-422 通信模塊電路

1.3 熒光信號采集電路設計

光電二極管能夠?qū)⑽⑷豕庑盘栟D(zhuǎn)換成電流信號［9］，PCR反應過程中使用激光二極管作為光源模塊激發(fā)熒光信號，通過光電二極管捕獲熒光信號，由于待測信號十分微弱且為電流信號，需通過I／V轉(zhuǎn)換電路將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。轉(zhuǎn)換電壓經(jīng)過濾波電路、調(diào)零電路、放大電路處理，將信號調(diào)整為AD采集范圍內(nèi)的電壓信號，主控芯片通過AD采集模塊獲取熒光信號數(shù)據(jù)。

1.4 溫度采集與控制電路設計

在集成控制系統(tǒng)中，為準確測量實時溫度，溫度傳感器和加熱制冷器通常制作在同一硅片上［10］。溫度傳感器選擇Pt100高精度鉑（Pt）電阻，溫度采集電路如圖3所示。

圖3 溫度采集電路

調(diào)節(jié)電位器RV1 與TL431 產(chǎn)生電橋的參考電壓。Pt100通過電橋輸出電壓信號，當電橋處于非平衡狀態(tài)時，采集端形成電壓差。其電壓增益為

半導體加熱制冷模塊為電流驅(qū)動型元件，選用DRV8871驅(qū)動器，通過兩路脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）波信號控制驅(qū)動器內(nèi)部H 橋的電流方向、調(diào)節(jié)PWM波占空比，實現(xiàn)加熱制冷極性的轉(zhuǎn)換和功率調(diào)節(jié)，以控制模塊溫度。

1.5 微泵驅(qū)動電路設計

為精確控制微泵中步進電機運動、減少發(fā)熱和功耗，采用CD74HC123 半流鎖定芯片與TB67S109AFNAG 電機驅(qū)動芯片實現(xiàn)對步進電機的運動控制，驅(qū)動電路如圖4所示。

圖4 微泵驅(qū)動電路

時鐘（CLK）信號為PWM 波脈沖信號，同時與CD74HC123的1A引腳和TB67S109AFNAG的CLK引腳連接，CD74HC123 的參考電壓輸出Vref作為TB67S109AFNAG芯片的參考電壓輸入，驅(qū)動電流與參考電壓的關系為

式中 Gain為內(nèi)部放大器增益。當CLK 信號有脈沖作用時，CD74HC123的Q1引腳輸出高電平，否則輸出低電平，參考電壓關系分別如式（3）、式（4）所示，調(diào)節(jié)R4阻值可設置不同狀態(tài)的參考電壓，進而調(diào)節(jié)工作電流

2 上位機軟件設計

上位機軟件設計基于Ubuntu16.04 操作系統(tǒng)和Qt5.12 ＋Qt Creator開發(fā)環(huán)境，采用C ＋＋和QML 語言結(jié)合SQLite數(shù)據(jù)庫進行開發(fā)。底層控制與邏輯交互使用C ＋＋，QML主要負責數(shù)據(jù)顯示與用戶交互，C ＋＋與QML之間通過信號和槽機制來實現(xiàn)交互。上位機軟件根據(jù)功能分為7個模塊，如圖5所示。各模塊采用相互獨立的設計，根據(jù)不同功能封裝成類，滿足微流控PCR系統(tǒng)的檢測控制需求。

圖5 上位機軟件功能框圖

2.1 多線程通信框架設計

為提高系統(tǒng)運行的效率和穩(wěn)定性，將占用資源的模塊通過多線程的方式來運行，交互方式如圖6 所示。線程交互數(shù)據(jù)是主線程與多線程之間交互的接口，保存線程的工作狀態(tài)、執(zhí)行隊列等信息。使用互斥鎖確保線程數(shù)據(jù)的有序讀寫訪問，通過對線程數(shù)據(jù)的讀寫控制，實現(xiàn)多線程運行狀態(tài)的控制和執(zhí)行信息獲取。子線程判斷線程交互數(shù)據(jù)決定執(zhí)行狀態(tài)，執(zhí)行結(jié)束后，將執(zhí)行信息更新至交互數(shù)據(jù)中。

圖6 線程交互流程

2.2 設備節(jié)點映射

系統(tǒng)控制模塊較為分散，為協(xié)調(diào)統(tǒng)一底層控制單元，將硬件資源與軟件功能模塊整合，映射為對應的設備節(jié)點，軟件系統(tǒng)通過訪問設備節(jié)點來實現(xiàn)對資源模塊的協(xié)調(diào)與控制，映射關系如圖7所示。設備節(jié)點繼承自同一基類，包括節(jié)點狀態(tài)、詳細信息、事件記錄等屬性和控制接口。系統(tǒng)啟動時初始化硬件資源，將設備節(jié)點添加至隊列中，設備節(jié)點記錄本節(jié)點所用資源的狀態(tài)及詳細信息。

圖7 設備節(jié)點映射關系

2.3 路由通信設計

軟件系統(tǒng)通過路由通信線程與底層路由站通信實現(xiàn)對執(zhí)行單元的控制與數(shù)據(jù)訪問。通信采用一應一答的方式進行，應用層協(xié)議采用定長的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)進行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)定義如表1所示。

表1 應用層數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)定義

站號表示數(shù)據(jù)幀的目標通信站，用于區(qū)分RS-422通信總線上的通信站；設備類型定義為通信站中的執(zhí)行設備；控制字表示對目標設備進行的操作，分為設置指令、查詢指令兩大類；數(shù)據(jù)位用于傳遞對目標設備的設置參數(shù)和查詢信息。路由通信線程采用指令條目保存待發(fā)的數(shù)據(jù)幀信息，操作設備節(jié)點時，將事件分為1 個或多個指令條目添加至設置指令列表中，當線程檢測到有設置指令，優(yōu)先添加至發(fā)送條目中。查詢指令列表保存需要輪詢的指令條目。發(fā)送時，將指令條目按照鏈路層協(xié)議以字節(jié)為單元拆分至數(shù)組中發(fā)送。

3 實驗測試與結(jié)果分析

3.1 系統(tǒng)運行測試

將基于嵌入式ARM的微流控PCR檢測系統(tǒng)應用于自主研發(fā)的微流控PCR 檢測設備中進行測試，運行實物如圖8（a）所示。主界面右上角顯示設備運行的狀態(tài)，點擊設備圖標，可查看設備各節(jié)點的狀態(tài)信息；主界面有6個功能按鈕，點擊后進入不同的功能界面。點擊“檢測分析”按鈕，錄入信息后開始檢測，檢測界面如圖8（b）所示，實時顯示反應過程中的溫度、熒光數(shù)值曲線、當前PCR 循環(huán)等信息。篇幅所限，只列舉部分界面。測試表明：上位機軟件實現(xiàn)了微流控PCR檢測過程的控制、實時數(shù)據(jù)顯示、信息存儲等功能的集成，界面簡潔，人機交互效果好。

圖8 系統(tǒng)運行測試

3.2 熒光信號采集測試

將待測熒光微球分別稀釋4，8，16，128，256 倍，對不同濃度的待測熒光微球進行檢測，記錄各個濃度待測樣本的峰值電壓。將電壓數(shù)據(jù)與稀釋倍數(shù)擬合，如圖9所示，其乘冪趨勢較好，相關系數(shù)為0.996，表明該熒光信號采集模塊靈敏度高。

3.3 微泵流路測試

將3種不同類別微泵進行流速測試，通過設置步進電機驅(qū)動的PWM波頻率和步進分辨率來調(diào)節(jié)微泵流速，其中氣泵（50 μL）流速范圍0 ～42 μL／s、洗脫泵（50 μL）流速范圍0 ～36 μL／s、試劑泵（25 μL）流速范圍0 ～18 μL／s，流速范圍符合系統(tǒng)需求。

3.4 溫控測試

將溫控模塊依據(jù)PCR反應三溫區(qū)（55，72，93 ℃）擴增流程進行40個循環(huán)的恒溫測試和升降溫測試。起始溫度為室溫（25 ℃），以93，72，55 ℃的循環(huán)順序進行實驗，每個設定溫度點持續(xù)30 s后進行升溫或降溫，直至溫度到達下一個設定值，數(shù)據(jù)如表2和表3所示。

表2 恒溫測試數(shù)據(jù) ℃

表3 升／降溫測試數(shù)據(jù)

通過測試數(shù)據(jù)可知恒溫控制精度的標準偏差小于0.1 ℃，平均升溫速率7 ℃／s 以上，平均降溫速率4.8 ℃／s以上，滿足PCR反應溫度控制的精度和升降溫要求。

4 結(jié)束語

本文提出基于嵌入式ARM 的微流控PCR 檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以ARM 處理器為控制核心，硬件執(zhí)行單元采用模塊化設計，通過可擴展的通信機制，實現(xiàn)對各功能模塊的控制。并使用Qt結(jié)合SQLite數(shù)據(jù)庫設計了上位機軟件，界面設計與邏輯控制代碼分離，通過多線程和節(jié)點映射實現(xiàn)對硬件執(zhí)行單元的控制。實驗表明：檢測系統(tǒng)界面簡潔，人機交互效果較好，可操作性高，具有功能集成、占用體積較小、成本低的優(yōu)點，各項控制參數(shù)均符合要求，為微流控PCR檢測系統(tǒng)的構(gòu)建提供了解決方案。