實(shí)時(shí)PCR儀中溫度控制系統(tǒng)的研制

張新磊 馮繼宏 孔晶晶 袁玉強(qiáng)

（北京工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與生物工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程中心，北京 100124）

引言

聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（polymerase chain reaction，PCR）由克里穆利斯（Kary B.Mullis）博士于1983年發(fā)明。PCR能夠準(zhǔn)確篩選出特定的基因序列，并將其復(fù)制100萬倍以上，使生物醫(yī)學(xué)研究從宏觀水平和細(xì)胞水平發(fā)展到分子水平［1］。

傳統(tǒng)的PCR反應(yīng)由3個(gè)步驟組成—變性、退火以及延伸，分別在95、55和75℃這3個(gè)不同的溫度條件下進(jìn)行。實(shí)時(shí)PCR（real-time PCR），是指在PCR指數(shù)擴(kuò)增期間，通過連續(xù)監(jiān)測熒光信號強(qiáng)弱的變化來即時(shí)分析目的基因的拷貝數(shù)目，通過與加入已知量的標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定量［2］。

目前，市場上主流的實(shí)時(shí)PCR儀溫度變化速率為3.5℃/s，其控溫方式主要有兩種：一種是采用電熱絲進(jìn)行加熱，并采用大功率風(fēng)扇進(jìn)行制冷，如Agilent-Stragene公司的SureCycler 8800；另一種則采用半導(dǎo)體加熱制冷片來完成加熱制冷，如Eppendorf公司的RealPlex-4。在閉環(huán)控制方面，采用PID算法進(jìn)行溫度調(diào)控，具體可分為常規(guī)PID算法、增量型PID算法與模糊PID算法3種。

本研究設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套適用于實(shí)時(shí)PCR儀的溫度控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以DSP為核心，采用半導(dǎo)體加熱制冷片進(jìn)行加熱制冷，采取常規(guī)PID算法進(jìn)行溫度控制。整體設(shè)計(jì)方案原理簡單，功耗較低，實(shí)用性強(qiáng)，為研制商品化的實(shí)時(shí)PCR儀奠定了基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 硬件結(jié)構(gòu)

整體溫度控制系統(tǒng)如圖1所示，包括數(shù)字信號處理器（digital signal processor，DSP）主控電路、驅(qū)動(dòng)電路、半導(dǎo)體加熱制冷片和溫度傳感電路。該系統(tǒng)的工作原理如下：首先，DSP主控電路產(chǎn)生控制信號脈沖寬度調(diào)節(jié)（pulse width modulation，PWM）方波；此信號經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后，進(jìn)行光電隔離和功率放大，作用至半導(dǎo)體加熱制冷片，完成加熱制冷。當(dāng)前溫度值則由溫度傳感電路轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)DSP內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（analog to digital converter，ADC）轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。之后，DSP調(diào)用常規(guī) PID（proportion integration differentiation）算法對當(dāng)前的溫度進(jìn)行分析，調(diào)節(jié)控制信號PWM方波的占空比，進(jìn)而達(dá)到控制溫度的目的。溫度數(shù)據(jù)經(jīng)串行通信接口（serial communication interface，SCI）發(fā)送至上位機(jī)，由軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

圖1 整體溫度控制系統(tǒng)Fig.1 The block diagram of the temperature control system

1.2 DSP主控電路

原理樣機(jī)的主控電路采用32位DSP芯片TMS320F2812作為主控芯片，其最高主頻可達(dá)150MHz；內(nèi)部有兩個(gè)事件管理器（event manager，EV），可以輸出6組互補(bǔ)的PWM波和4路獨(dú)立的PWM波。片內(nèi)有1個(gè)12位、16通道的ADC模塊和多達(dá)45個(gè)外部擴(kuò)展中斷，另外還有多種數(shù)據(jù)傳輸接口，如SCI、串行外圍設(shè)備接口（serialperipheral interface，SPI）和控制器局域網(wǎng)絡(luò)（controller area network，CAN）等［3］。

1.3 PWM波驅(qū)動(dòng)電路

采用兩路控制信號，其中一路為頻率固定、占空比可調(diào)的PWM波，另外一路為低電平。由于DSP輸出的PWM波最大值僅為3.3V，而半導(dǎo)體加熱制冷片的額定電壓為12V，因此采用驅(qū)動(dòng)電路對其進(jìn)行功率放大。為了防止后級功率放大電路中的大電流反灌燒毀DSP芯片，設(shè)計(jì)了光電隔離電路對PWM波進(jìn)行光電隔離。隔離后的信號經(jīng)過H橋功率放大電路進(jìn)行功率放大，并調(diào)節(jié)電流的流向，進(jìn)而控制半導(dǎo)體加熱制冷片的狀態(tài)［4］。

H橋功率放大電路的原理如下：整體電路由4個(gè)MOSFET組成，通過改變輸入信號的邏輯關(guān)系，即可調(diào)整MOSFET的開關(guān)狀態(tài)，進(jìn)而調(diào)整通過負(fù)載上的電流流向（如圖2所示）。

在圖2（a）中，控制輸入信號，使1號與4號MOSFET閉合，2號與3號MOSFET斷開，電流從Vcc流向GND，此時(shí)通過負(fù)載的電流為正向。

在圖2（b）中，調(diào)節(jié)輸入信號，使2號與3號MOSFET閉合，1號與4號MOSFET斷開，電流從Vcc流向GND，通過負(fù)載的電流為反向。這樣就可以控制電流的流向，并且進(jìn)行功率放大［5］。

圖2 H橋功率放大電路的電流輸出。（a）正向；（b）反向Fig.2 Current supplied of H-bridge.（a）Forward；（b）Reverse

基于H橋功率放大電路的原理，PWM波驅(qū)動(dòng)電路采用橋式驅(qū)動(dòng)芯片IR2101和N溝道MOSFET IRFU024N構(gòu)建了功率放大電路，可以使PWM波的電壓放大至12V，電流放大至5A，從而達(dá)到驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體加熱制冷片的目的。

1.4 半導(dǎo)體加熱制冷片

原理樣機(jī)的加熱制冷元件采用半導(dǎo)體加熱制冷片，由N型和P型兩種碲化鉍（Bi2Te3）材料組成。當(dāng)電流從P→N時(shí)進(jìn)行加熱，從N→P時(shí)進(jìn)行制冷。通過改變直流電流的方向即可控制半導(dǎo)體加熱制冷片的工作狀態(tài)，從而達(dá)到加熱制冷的目的［6］，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.5 溫度傳感電路

在溫度傳感電路中，采用高精度鉑電阻傳感器Pt100作為溫度傳感器，其電阻變化率為0.385 1Ω/℃，是一種正溫度系數(shù)的熱敏電阻傳感器，特別是溫度在0～100℃變化時(shí)，最大非線性偏差小于0.5％，具有穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。為提高測溫精度，采用惠斯通電橋構(gòu)建溫度傳感電路［7］。同時(shí)，為了減少噪聲，并對輸出端電壓進(jìn)行放大，在惠斯通電橋的輸出端連接了一個(gè)差分放大器，以達(dá)到電壓放大的目的［8］。

圖3 半導(dǎo)體加熱制冷片結(jié)構(gòu)Fig.3 The schematic diagram of the Peltier

由于TMS320F2812的內(nèi)置ADC模塊最大輸入為3V，因此將溫度傳感電路的測溫范圍設(shè)定為0～100℃；輸出電壓范圍設(shè)定為0～3V［9］，且隨溫度線性變化。

在加熱元件半導(dǎo)體加熱制冷片（40mm×40mm×2mm）與16孔鋁制反應(yīng)池（20mm×20mm×10mm）之間放置了1個(gè)Pt100，以探測中心點(diǎn)的溫度，這個(gè)點(diǎn)的溫度與整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部的溫度近似相等［10］。在半導(dǎo)體加熱制冷片下方，配有鋁制散熱片和風(fēng)扇（85mm×70mm×40mm），從而確保系統(tǒng)的散熱。加熱制冷單元的如圖4所示。

圖4 加熱制冷單元Fig.4 The schematic diagram of heating and cooling unit

2 軟件的開發(fā)

2.1 軟件系統(tǒng)的構(gòu)建

軟件部分采用Windows XP操作系統(tǒng)和CCS3.3作為編程開發(fā)平臺，整體軟件的開發(fā)包括系統(tǒng)初始化、通用輸入輸出（general purpose input output，GPIO）的初始化、ADC轉(zhuǎn)換子程、常規(guī)PID算法子程、PWM輸出子程、SCI通信等幾個(gè)部分［11］，其流程如圖5所示。

2.2 常規(guī)PID算法

原理樣機(jī)采用常規(guī)PID算法對溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)控，是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器，具有原理簡單、易于實(shí)現(xiàn)、適用面廣、控制參數(shù)相互獨(dú)立、參數(shù)選定比較簡單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于溫度控制、流速測量等領(lǐng)域［12］。

在時(shí)間變量連續(xù)的情況下，常規(guī)PID算法為

式中，u（t）為控制信號，e（t）為差值信號，t為連續(xù)時(shí)域內(nèi)的時(shí)間變量，τ為積分項(xiàng)的變量，Kp為比例模式控制的增益，Ki為積分模式控制的增益，Kd為微分模式控制的增益。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于程序無法計(jì)算連續(xù)變量，因此需要將時(shí)間變量離散化。

對第一項(xiàng)，有

對第二項(xiàng)，需要用求和代替積分，則有

對第三項(xiàng)，需要用差分代替微分，則有

其中

式中，h為采樣周期（k=0，1，2…）。

為了簡化計(jì)算，令

則常規(guī)PID算法可在離散時(shí)域表示為

最終采用式（6）作為離散時(shí)域的常規(guī)PID算法，計(jì)算出控制信號u（t）；將其取絕對值之后，賦予事件管理器的比較寄存器，從而控制PWM波的占空比，達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的［13］。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 占空比可調(diào)的PWM波輸出

圖5 整體程序流程Fig.5 The flow chart of the program

通過配置EV模塊中的EVA，DSP主控電路產(chǎn)生兩路PWM波：其中一路頻率固定、占空比可調(diào)，另外一路為低電平。在實(shí)驗(yàn)中，采用國產(chǎn)RIGOL牌DS1102E型示波器進(jìn)行波形測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠產(chǎn)生上述的控制信號。其中，PWM波的頻率為1.818kHz，電壓值為3.3V，如圖6所示。

3.2 溫度傳感電路輸出曲線

在不同的溫度下，對溫度傳感電路的輸出電壓進(jìn)行了測量。將溫度傳感器Pt100固定在水中，對其進(jìn)行預(yù)熱，在水溫從96℃下降到12℃的過程中，每隔2℃測量一次，測量工具采用國產(chǎn)優(yōu)利德牌UT56型4位半萬用表，并將測試結(jié)果繪制成曲線，如圖7所示。

根據(jù)曲線，可以計(jì)算溫度傳感電路的輸出電壓隨溫度變化的回歸方程為

式中，x為溫度，y為輸出電壓。

圖6 不同占空比的PWM波輸出。（a）占空比為33％；（b）占空比為88％Fig.6 The PWM wave at different duty cycle.（a）33％duty cycle；（b）88％duty cycle

圖7 溫度測量曲線Fig.7 The temperature measurement curve

分析圖7和式（7），得曲線的線性度為0.996 3，標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.004 19V，即0.1℃。

3.3 ADC模塊的測試

按照圖4構(gòu)建了加熱制冷單元，通過設(shè)定溫度來控制系統(tǒng)的溫度變化，使其滿足實(shí)時(shí)PCR的反應(yīng)需求。溫度設(shè)定如下3個(gè)步驟：從室溫升溫至95℃，并且保持95℃恒溫；從95℃降溫至55℃，并且保持55℃恒溫；從55℃升溫至75℃，并且保持75℃恒溫；這3個(gè)步驟各持續(xù)30s，并且進(jìn)行循環(huán)。

采用ADC模塊對溫度傳感電路的輸出電壓進(jìn)行采樣。采樣模式設(shè)定為順序采樣模式，頻率為156Hz，通道為單通道，通過CCS軟件繪制輸出曲線，如圖8所示。結(jié)果表明，溫度傳感電路的輸出電壓誤差為0.001V。

圖8 ADC模塊輸出Fig.8 The output of the ADC module

3.4 SCI通信的測試

原理樣機(jī)采用串口模塊中的SCI-A來完成與PC機(jī)的實(shí)時(shí)通信，其主要作用是將經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換之后的溫度數(shù)據(jù)傳輸至PC機(jī)。通信模式采用全雙工模式，通信端口配置為COM1，比特率設(shè)置為9 600b/s，數(shù)據(jù)發(fā)送方式采用中斷方式。在通信過程中，采用上位機(jī)軟件對經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換之后的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，并代入式（7）中，推算出實(shí)際溫度值，將其繪制成曲線，如圖9所示。將溫度數(shù)據(jù)存儲并進(jìn)行分析，計(jì)算升/降溫過程中平均的溫度變化速率，如表1所示。

圖9 上位機(jī)軟件繪制的溫度循環(huán)曲線Fig.9 The temperature cycling curve drawn by the PC software

［9］張志勇，辛長宇，朱玉龍，等.Pt100溫度傳感器非線性的補(bǔ)償方法與電路實(shí)現(xiàn)［J］.電子器件，2007，30：2188-2191.

表1 溫度變化速率的測試數(shù)據(jù)Tab1 The test data of temperature change rate

從圖9和表1中可以看出，溫度數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)傳輸至PC機(jī)，并繪制溫度曲線，系統(tǒng)能夠在95、55和75℃的3個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行溫度循環(huán)，且保持恒溫，系統(tǒng)的溫度變化速率為3℃/s。

4 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于DSP式的實(shí)時(shí)PCR儀溫度控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用惠斯通電橋作為溫度傳感電路，并采用ADC模塊進(jìn)行溫度采樣；同時(shí)，采用常規(guī)PID算法實(shí)現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制，并采用串行通信接口與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這套系統(tǒng)溫度曲線的線性度為0.996 3，標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.1℃。系統(tǒng)能夠在95、55和75℃這3個(gè)區(qū)間內(nèi)進(jìn)行溫度循環(huán)，溫度變化速率為3℃/s。溫度數(shù)據(jù)經(jīng)ADC模塊、以156Hz的頻率進(jìn)行采樣后，由SCI模塊傳輸至上位機(jī)，并通過上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)繪制溫度曲線。整體設(shè)計(jì)方案原理簡單，實(shí)用性強(qiáng)，成本較低，為研制商品化的實(shí)時(shí)PCR儀奠定了基礎(chǔ)。

［1］Watkins-Riedela T，Woegerbauerb M，Hollemanna D，et al.Rapid diagnosis of enterovirus infections by real-time PCR on the Light Cycler using the Taq Man format［J］.Diagnostic Microbiology and Infectious Disease.2002，42：99-105.

［2］Gunson RN，Bennett S，Maclean A，et al.Using multiplex real time PCR in order to streamline a routine diagnostic service［J］.Journal of Clinical Virology，2008，43：372-375.

［3］田凱.基于雙調(diào)制波載波PWM策略的中點(diǎn)電位平衡問題研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

［4］高志剛，李永東.一種改進(jìn)型級聯(lián)H橋型變流器的調(diào)制策略研究［J］.電力電子技術(shù).2010，44：8-10.

［5］向莉.H橋功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)及其BCD工藝平臺開發(fā)［D］.成都：電子科技大學(xué)，2011.

［6］趙暢，張嶸.小型溫控系統(tǒng)的研究［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2008，24：8-10.

［7］陳振林，孫中泉.高精度溫度測量電路非線性補(bǔ)償研究［J］.測量與設(shè)備，2006，6：17-19.

［8］張修太，胡雪惠，翟亞芳，等.基于PT100的高精度溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，23：812-815.

［10］劉長波，馮繼宏.實(shí)時(shí)PCR儀中溫度控制的計(jì)算與模擬［J］.中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)，2007，26：195-198.

［11］蘇奎峰，呂強(qiáng)，常天慶，等.TMS320X281x DSP原理及C程序開發(fā)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［12］王朝寧.基于ARM7參數(shù)自整定模糊PID控制器設(shè)計(jì)及其應(yīng)用［D］.北京：北京交通大學(xué)，2010.

［13］David M.Alter.Thermoelectric Cooler Control Using a TMS320F2812 DSP and a DRV592 Power Amplifier［R］.SPRA873，2003.