PCR儀溫度控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

趙鵬博

（鄭州工商學(xué)院信息工程學(xué)院，河南 鄭州 451400）

聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（Polymerase Chain Reaction，PCR）儀是一種可高效復(fù)制DNA 片段的生物醫(yī)學(xué)設(shè)備，廣泛應(yīng)用于生物基因、臨床檢測(cè)等領(lǐng)域，極大地提高了基因研究技術(shù)水平。在聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過(guò)程中，溫度對(duì)生物酶、反應(yīng)有很大的影響，要求溫度在55 ℃～94 ℃、55 ℃～72 ℃以及72 ℃～94 ℃循環(huán)變化，溫度控制系統(tǒng)是PCR 儀的關(guān)鍵組成部分，其性能關(guān)乎PCR 儀的總體運(yùn)行性能[1]。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的PCR儀的關(guān)鍵溫控性能參數(shù)（例如溫度變化速率、變化精度）均低于國(guó)外同類產(chǎn)品，因此，亟需對(duì)PCR 儀溫度控制系統(tǒng)開(kāi)展深入研究，探索更先進(jìn)的溫度檢測(cè)控制算法。該文設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)字信號(hào)控制器的PCR 儀溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)溫度變化速度為4 ℃/s，精度為±0.1 ℃，可滿足PCR 儀快速、精準(zhǔn)控制溫度的要求。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)主要由控制單元、變溫單元、溫度檢測(cè)轉(zhuǎn)換單元、通信單元、驅(qū)動(dòng)電路、PC 機(jī)以及電源等部分構(gòu)成，系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖1 所示。該系統(tǒng)控制單元采用STM32F407型DSP 作為主控制器，溫度檢測(cè)轉(zhuǎn)換單元采用半導(dǎo)體加熱制冷模塊，通過(guò)IR2102 芯片驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷片，通信單元采用USB驅(qū)動(dòng)模塊，數(shù)據(jù)顯示以及預(yù)警采用觸摸屏和蜂鳴器。

1.1 控制模塊設(shè)計(jì)

1.1.1 主控制器

由圖1 可知，主控制器是溫度控制系統(tǒng)的大腦，主要作用是處理溫度數(shù)據(jù)，控制變溫模塊的加熱或冷卻功率。目前，應(yīng)用較多的微控制器主要包括51 系列、PIC 系列、STM32 系列以及MPS430 系列[2]。該系統(tǒng)主控制器采用TI 公司的STM32F407型DSP，該控制器采用CMOS 工藝，最高頻率可達(dá)150 MHz。同時(shí)，該芯片包括128Kx16 bit flash memory、EVA、EVB、2 個(gè)可同時(shí)開(kāi)啟多組PWM 波的事件管理器、1 個(gè)12-bitADC 模塊、45 個(gè)外部擴(kuò)展中斷以及各種數(shù)據(jù)傳輸接口（例如SCI、SPI 以及CAN 等）[3]。

圖1 PCR 儀溫度控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

1.1.2 電源電路設(shè)計(jì)

電源是保證主控制器穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵部件，同時(shí)還要配合相應(yīng)的復(fù)位電路、時(shí)鐘電路[4]。根據(jù)該文選擇的STM32F407 型DSP 芯片設(shè)計(jì)最小系統(tǒng)，再設(shè)計(jì)電源電路（圖2）。C5和C7位于正向低壓降穩(wěn)壓器ASM1117-3.3 的輸入端，主要用于防止電路故障、反向電壓，而C7和C8位于正向低壓降穩(wěn)壓器ASM1117-3.3 的輸出端，主要用來(lái)穩(wěn)定輸出電壓。

圖2 電源電路

1.1.3 復(fù)位模塊

復(fù)位模塊的功能是在程序異常且DSP 崩潰時(shí)重新啟動(dòng)程序。常見(jiàn)的復(fù)位方法有以下2 種：1）在DSP 內(nèi)部寫(xiě)入復(fù)位程序，例如主程序出現(xiàn)問(wèn)題，直接跳轉(zhuǎn)到復(fù)位程序進(jìn)行重置。2）在DSP 外部連接復(fù)位電路。當(dāng)DSP 主程序崩潰時(shí)，可以手動(dòng)將程序重設(shè)為在初始狀態(tài)下運(yùn)行[5]。

1.1.4 時(shí)鐘電路

時(shí)鐘電路由晶振、電容組成，主要作用是為DSP 提供時(shí)鐘，保證DSP 程序的穩(wěn)定運(yùn)行，該文的設(shè)計(jì)選用STM32F407型DSP，相應(yīng)的晶振為8 MHz，電容為22 pF。

1.2 溫度檢測(cè)轉(zhuǎn)換單元

該單元PCR 儀是實(shí)現(xiàn)溫度循環(huán)控制的關(guān)鍵部分，主要用于實(shí)時(shí)檢測(cè)PCR 儀反應(yīng)溫度的變化情況，將溫度數(shù)據(jù)模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并傳輸給主控制器，為系統(tǒng)進(jìn)行模糊PID 溫度控制提供必要的輸入信號(hào)，對(duì)溫度進(jìn)行循環(huán)控制[6]，基本原理如圖3 所示。

圖3 溫度檢測(cè)轉(zhuǎn)換原理

溫度傳感器是溫度檢測(cè)轉(zhuǎn)換單元的關(guān)鍵器件。常規(guī)PCR儀使用的溫度傳感器測(cè)溫誤差較大，且采集速度慢，無(wú)法達(dá)到數(shù)字PCR 儀高精度、高效率的溫度控制要求。為了提高PCR 儀的運(yùn)行性能，確保PCR 儀的溫度控制精度，該系統(tǒng)采用精度更高的熱敏電阻作為溫度傳感器PT1000，其測(cè)溫精度為0.01 ℃，采用四線制運(yùn)行方式，4 根測(cè)溫導(dǎo)線長(zhǎng)度、截面積相等，避免導(dǎo)線電阻影響測(cè)量精度[7]。為了精準(zhǔn)測(cè)量PCR反應(yīng)室內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)，須盡量降低熱阻，為此，系統(tǒng)采用接觸測(cè)溫方式，即在待測(cè)件表面貼熱敏電阻，多個(gè)傳感器同時(shí)測(cè)量PCR 反應(yīng)室內(nèi)多個(gè)位置的溫度數(shù)據(jù)。STM32F407 自帶的3 個(gè)12 位、24 通道的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可以轉(zhuǎn)換多路溫度信號(hào)，并對(duì)多路溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。

1.3 A/D 轉(zhuǎn)換芯片

PT1000 溫度傳感器采集的溫度信號(hào)為模擬信號(hào)，輸入DSP前需要先將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便DSP 存儲(chǔ)和顯示溫度數(shù)據(jù)[8]。PCR 儀加熱槽的溫度采集范圍為0 ℃～105 ℃，轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)為0.0 V～3.3 V，因此A/D 分辨率應(yīng)不低于0.03，A/D 芯片需要滿足以下條件，如公式（1）所示。式中：n為A/D 轉(zhuǎn)換芯片位數(shù)。

通過(guò)計(jì)算可知，A/D 芯片不低于7 位。同時(shí)，溫度測(cè)量精度須滿足0.1 ℃，溫度采集范圍為0 ℃～105 ℃。因此，A/D 轉(zhuǎn)換芯片須滿足溫度測(cè)量精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換要求。A/D 轉(zhuǎn)換芯片的位數(shù)需要滿足以下條件，如公式（2）所示。

由計(jì)算可知，n≥10，即A/D 轉(zhuǎn)換芯片位數(shù)不低10 位，雖然STM32F407 集成了多路12 位ADC，但是其不夠穩(wěn)定，輸入時(shí)鐘過(guò)高時(shí)精度會(huì)下降。因此，該文的設(shè)計(jì)選用雙通道、16位高性能A/D 轉(zhuǎn)換芯片AD7705，總計(jì)12 個(gè)引腳，通過(guò)SPI 進(jìn)行通信，通信速度快，由DSP 電源供電。

1.4 變溫單元

變溫單元對(duì)溫度控制系統(tǒng)的溫度變化速率、溫控精度有較大的影響，傳統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)的變溫單元采用水熱風(fēng)冷方式，自動(dòng)化水平較低，且PCR 儀體積較大，使用不便。該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用半導(dǎo)體熱/冷片作為變溫單元的核心器件，可以同步進(jìn)行加熱、制冷，其基本原理是當(dāng)正向電流輸入時(shí)開(kāi)始制冷，當(dāng)負(fù)向電流輸入時(shí)開(kāi)始加熱，只需要在半導(dǎo)體熱/冷片兩端加直流電源就可以使其正常運(yùn)行，為了降低熱傳導(dǎo)效應(yīng)對(duì)制冷效果的影響，增設(shè)風(fēng)扇輔助降溫，采用半導(dǎo)體熱/冷片可以有效提高PCR 儀溫度變化效率，降低溫度控制成本[9]。該文的設(shè)計(jì)要求PCR 儀溫度上升速度大于或等于4.6 ℃/s，溫度下降速度大于或等于4.4 ℃/s，因此，選擇Tec-12715 型半導(dǎo)體熱/冷片，其主要性能參數(shù)如下：最大輸入電壓為15 V，最大輸入電流為20 A，冷熱端最大溫度差為65 ℃，冷熱端最大功率為200W，長(zhǎng)、寬和高分別為60.00 mm、60.00 mm 和3.85 mm，電阻值為1.8 Ω[10]。

兩端加正向電壓，半導(dǎo)體熱/冷片開(kāi)始制冷，兩端加反向電壓，半導(dǎo)體熱/冷片開(kāi)始制熱。因此，可以通過(guò)調(diào)控電流方向?qū)刂瓢雽?dǎo)體熱/冷片工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)控。實(shí)際應(yīng)用時(shí)往往搭配H 橋電路，應(yīng)用較多的H 橋電路驅(qū)動(dòng)方式包括集成H 橋驅(qū)動(dòng)、三級(jí)管驅(qū)動(dòng)H 橋驅(qū)動(dòng)。在此基礎(chǔ)上，該文的設(shè)計(jì)提出新的驅(qū)動(dòng)方案，即利用IR2102 芯片控制MOS 管構(gòu)成的H 橋電路，按照半導(dǎo)體熱/冷片的性能參數(shù)選用IRF540N 型MOS管，其性能參數(shù)超出實(shí)際參數(shù)，可以避免出現(xiàn)當(dāng)MOS 管運(yùn)行時(shí)因操作不正確而燒壞的情況。IR2102 驅(qū)動(dòng)芯片是一種集成MOSFET、IGBT 的專用柵極大功率驅(qū)動(dòng)電路，體積小巧、響應(yīng)速度快。通過(guò)外接自舉電容充電驅(qū)動(dòng)IR2102 驅(qū)動(dòng)芯片上管，可以有效減少驅(qū)動(dòng)電源的數(shù)量，該系統(tǒng)僅需要2 片IR2012 芯片、1 路10 V～20 V 電壓就可以驅(qū)動(dòng)MOS 管構(gòu)成的H 橋驅(qū)動(dòng)電路，從而有效降低設(shè)計(jì)成本。

如圖4 所示，IR2102 外圍電路輸出端通過(guò)自舉電容充放電特性構(gòu)成懸浮電源，據(jù)開(kāi)關(guān)頻率占空比、MOSFET 或IGBT柵極充電需要確定自舉電容C13、C15的型號(hào)，電容兩端電壓不低于欠電壓封鎖臨界值，D2、D3的耐壓值須大于給電容充電的最大電壓值。

圖4 IR2102 外圍電路

1.5 風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路

由于PCR 儀反應(yīng)室要求快速控制溫度的升降，因此只靠反應(yīng)室下方的散熱器以對(duì)流方式散熱無(wú)法滿足快速調(diào)節(jié)反應(yīng)室溫度升降的要求。該文的設(shè)計(jì)參考計(jì)算機(jī)風(fēng)冷方式，在原有散熱器上增設(shè)風(fēng)扇，以改進(jìn)散熱器散熱效率，從而滿足快速調(diào)節(jié)反應(yīng)室溫度的要求[11]。風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的基本原理是在風(fēng)扇回路中增加1 個(gè)IRFR120N 開(kāi)關(guān)管，門(mén)極由DSP 控制，借助開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)特性控制風(fēng)扇的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)需要降溫時(shí)，風(fēng)扇工作，溫度降至設(shè)定溫度點(diǎn)，三極管關(guān)閉，風(fēng)扇停止運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到自動(dòng)散熱的目的，風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖5 所示。

圖5 DGND 風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路

1.6 通信接口

通信接口電路是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互不可缺少的部分，為了實(shí)時(shí)顯示PCR 溫度變化曲線，需要通過(guò)通信接口電路將實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)（PC 機(jī)），再通過(guò)安裝在PC 機(jī)上的應(yīng)用軟件（例如LabVIEW）完成數(shù)據(jù)處理工作，最終得到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)曲線。STM32F 407 集成了串行USART，支持9 個(gè)數(shù)據(jù)位和1～2 個(gè)停止位，上位機(jī)通過(guò)USB 接口傳輸數(shù)據(jù)。RS232 轉(zhuǎn)USB數(shù)據(jù)線在短距離數(shù)據(jù)傳輸中的可靠性很高。但是STM32F407的TTL 電平與RS232 信號(hào)電平不匹配，需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。通過(guò)MAX232 芯片可以配置5 個(gè)高精度電容器，以完成電平轉(zhuǎn)換工作。轉(zhuǎn)換后的TX 和RX 串行信號(hào)直接連接到主機(jī)的串行接口，利用STM32F 407 串行端口、PC 機(jī)的計(jì)算和顯示功能實(shí)時(shí)采集、監(jiān)控、處理和顯示數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)高效人機(jī)交互的目標(biāo)。

1.7 顯示模塊

數(shù)碼管可以以較低的成本顯示溫度、時(shí)間等信息。該系統(tǒng)使用的液晶顯示器型號(hào)為點(diǎn)陣FM12864，采用COB 封裝，可顯示多個(gè)字符和數(shù)字，并且顯示器可以閃爍、反轉(zhuǎn)和滾動(dòng)。FM12864 屏幕的點(diǎn)陣數(shù)為128 列×64 行，顯示的字符數(shù)為8 行×4 行，共32 行[12]。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)輸入和顯示功能，減少了漢字建模過(guò)程。FM12864 具有接口設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、功耗低、顯示可靠性高以及顯示內(nèi)容豐富等優(yōu)點(diǎn)，數(shù)據(jù)通過(guò)8 路數(shù)據(jù)總線、5 路控制總線和控制芯片進(jìn)行傳輸。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件部分主要包括系統(tǒng)初始化程序、模擬/數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換程序、多模態(tài)模糊PID 算法控制程序、PWM 波輸出控制程序以及USB 通信控制程序。系統(tǒng)程序流程如圖6 所示。

圖6 溫度控制系統(tǒng)程序流程

初始化程序的主要作用是初始化STM32F407 的時(shí)鐘、通用輸入/輸出（General-purpose input/output，GPIO）接口的通信方式以及數(shù)字信號(hào)處理指令等配置。模擬/數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換程序的主要作用是選擇和配置模擬/數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換單元、模擬/數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換觸發(fā)方式以及采樣通道數(shù)等。模糊PID 算法控制程序主要作用是對(duì)溫度傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)和當(dāng)前溫度值進(jìn)行比較，配置PWM 波輸出及占空比。PWM 波輸出控制程序的主要作用是控制半導(dǎo)體熱/冷片的運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)多模態(tài)溫度控制功能。USB 通信程序的主要作用是使STM32F407 與PC 端通信，STM32F407 收到PC 端控制指令進(jìn)行指定操作，并通過(guò)USB 將溫度采集數(shù)據(jù)傳輸至PC 端進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

多模態(tài)模糊PID 控制算法具有魯棒性強(qiáng)、穩(wěn)定以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，最開(kāi)始被用于電機(jī)控制，實(shí)際應(yīng)用效果良好，尤其是對(duì)非線性系統(tǒng)的控制效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID 控制算法。該系統(tǒng)基于PCR 儀對(duì)溫度控制精度、反應(yīng)時(shí)間以及溫度變化速度的要求采取多模態(tài)模糊PID 控制，采用多種PID 控制參數(shù)，可以有效確保PCR 運(yùn)行正常，同時(shí)提高PCR 試驗(yàn)效率，實(shí)現(xiàn)多狀態(tài)、多模式控制功能。算法流程如圖7 所示。

圖7 多模態(tài)模糊PID 控制算法

PID 控制算法如公式（3）所示。

式中：y（t）為控制信號(hào)；e（t）為系統(tǒng)誤差；Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)；Kd為微分系數(shù)；t為時(shí)間。

實(shí)踐中往往將上述表達(dá)式轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以讀取的離散表達(dá)式，如公式（4）所示。

式中：y（n）為n時(shí)刻的輸出量；e（n）為n時(shí)刻的系統(tǒng)誤差。

根據(jù)公式（4）得到n-1 時(shí)刻對(duì)應(yīng)的控制器輸出表達(dá)式，如公式（5）所示。

用公式（4）減公式（5）得到增量PID 控制算法表達(dá)式，如公式（6）所示。

根據(jù)上述分析可知，誤差e、誤差變化率?e對(duì)控制器的輸出有直接影響。通過(guò)模糊化處理后的e、?e作為輸入變量，再根據(jù)事先確定的模糊控制規(guī)則經(jīng)模糊推理得到輸出量，經(jīng)反模糊化處理后得到增量?Kp，?Ki，?Kd輸出，Kp、Ki和Kd可基于增量參數(shù)調(diào)整，即多模態(tài)模糊PID 控制器的Kp、Ki和Kd值隨輸出量的變化。多模態(tài)模糊控制算法能靈活切換控制模式，按照PCR 儀的溫度測(cè)量精度、反應(yīng)時(shí)間、誤差以及誤差變化率確定合理的控制方式，采用多種PID 控制參數(shù)，確保PCR 儀各階段試驗(yàn)的正常開(kāi)展，還可以加快試驗(yàn)速度，提高試驗(yàn)效率。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，該文設(shè)計(jì)的PCR 儀溫度控制系統(tǒng)以STM32F407型DSP 作為主控制器，在整個(gè)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，變溫單元主要通過(guò)溫度傳感電路采集溫度數(shù)據(jù)，由模擬/數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通過(guò)多模態(tài)模糊PID 控制算法進(jìn)行溫度控制，同時(shí)溫控主體為半導(dǎo)體熱/冷片。該系統(tǒng)具有良好的控溫效果，可以在給定的溫度范圍內(nèi)循環(huán)，溫度變化率為5 ℃/s，精度為±0.1 ℃，其電路設(shè)計(jì)具有原理簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)以及成本低的特點(diǎn)，可以滿足PCR 儀的高精度溫度控制需求。