基于ARM9嵌入式技術(shù)的滾筒式點(diǎn)樣儀控制系統(tǒng)

齊建虹，蔡錦達(dá)，顧 豪

(上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

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基于ARM9嵌入式技術(shù)的滾筒式點(diǎn)樣儀控制系統(tǒng)

齊建虹，蔡錦達(dá)，顧 豪

(上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

為實(shí)現(xiàn)高精度、高速度的生物芯片制備，研發(fā)了一種新型滾筒式點(diǎn)樣儀，著重描述了點(diǎn)樣儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件系統(tǒng)以及軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。以基于ARM9嵌入式微處理器帶有觸摸屏的控制器為控制核心，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)樣儀的高精度雙閉環(huán)控制。利用頻閃觀測(cè)系統(tǒng)和壓電式微噴法使點(diǎn)樣儀進(jìn)行精確的微量噴射。采用C語言編寫ARM9底層程序，研發(fā)了點(diǎn)樣儀的軟件系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)點(diǎn)樣。最后通過微噴實(shí)驗(yàn)對(duì)不同驅(qū)動(dòng)參數(shù)下的樣點(diǎn)直徑進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：微噴射穩(wěn)定性好，樣點(diǎn)平均直徑較小，滿足控制要求。

點(diǎn)樣儀；滾筒；ARM9；觸摸屏；控制系統(tǒng)；點(diǎn)樣精度

0 引言

生物芯片是縮小了的生物化學(xué)分析儀器[1]，它利用微加工技術(shù)將DNA、RNA、多肽、蛋白質(zhì)等生物樣品以較大密度固定在玻璃、硅片或尼龍膜等載體上，形成生物樣品微陣列，用于大規(guī)模地快速獲取生物信息進(jìn)行分析[2]。

作為生物芯片技術(shù)必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，芯片制備要求高度的自動(dòng)化[3]。為適應(yīng)我國生物技術(shù)的發(fā)展需要，研發(fā)了一種滾筒式生物芯片點(diǎn)樣儀，與目前國內(nèi)外市場上的點(diǎn)樣儀相比，該點(diǎn)樣儀的設(shè)計(jì)具有很大的創(chuàng)新性。用鋁質(zhì)滾筒代替現(xiàn)有的平面生物芯片基質(zhì)承載臺(tái)，簡化了點(diǎn)樣儀機(jī)械結(jié)構(gòu)，提高了空間利用率。采用基于ARM9 S3C2416帶有觸摸屏的控制器作為控制核心，結(jié)合其他關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)了滾筒式點(diǎn)樣儀控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)樣儀的高精度控制，從而完成自動(dòng)點(diǎn)樣。硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)巧妙結(jié)合，充分發(fā)揮了ARM9微處理器的硬件資源和觸摸屏人機(jī)交互界面的強(qiáng)大功能，使?jié)L筒式點(diǎn)樣儀具有結(jié)構(gòu)簡單，精度高，效率高，操作方便，軟件控制簡單，是一臺(tái)專用的生物芯片制備儀器。

1 滾筒式點(diǎn)樣儀機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該點(diǎn)樣儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要有滾筒和二軸機(jī)械手兩部分。為了盡量減小體積，首次采用鋁質(zhì)滾筒作為生物芯片基質(zhì)膜的承載面，滾筒的外表面上設(shè)置有多個(gè)均勻分布的抽真空孔，通過真空吸附的方式使基質(zhì)膜固定在滾筒的外圓周表面上。在滾筒外表面還開了若干個(gè)圓周槽，用于在點(diǎn)樣過程中在此處對(duì)點(diǎn)樣針進(jìn)行吸干，從而提高點(diǎn)樣效率。點(diǎn)樣儀依靠安裝有點(diǎn)樣針架的機(jī)械手X-Y軸的移動(dòng)和Z軸滾筒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)點(diǎn)樣針與基質(zhì)膜之間的動(dòng)作，從而把生物樣品有序排列在芯片上。針架上一般安裝多個(gè)點(diǎn)樣針以提高點(diǎn)樣效率，要求各根點(diǎn)樣針安裝準(zhǔn)確，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，保證點(diǎn)樣時(shí)噴射的樣品點(diǎn)位置精確無誤。滾筒式點(diǎn)樣儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 滾筒式點(diǎn)樣儀硬件系統(tǒng)

2．1 硬件系統(tǒng)框架

根據(jù)對(duì)點(diǎn)樣儀的性能要求，研發(fā)了基于ARM9的滾筒式點(diǎn)樣儀硬件系統(tǒng)。利用ARM9 S3C2416嵌入式微處理器結(jié)合觸摸屏組成一個(gè)工業(yè)計(jì)算機(jī)，并作為一個(gè)橋梁將其他硬件(如電機(jī)等)聯(lián)系在一起，結(jié)合輔助設(shè)備組成了點(diǎn)樣儀硬件系統(tǒng)。滾筒式點(diǎn)樣儀硬件系統(tǒng)框架如圖2所示。

由圖2可看出：滾筒式點(diǎn)樣儀硬件系統(tǒng)主要包括3部分：第一部分為X、Y、Z軸的運(yùn)動(dòng)控制設(shè)備，由于點(diǎn)樣儀要求較高的控制精度，X軸和Z軸選用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用步進(jìn)電機(jī)控制Y軸的運(yùn)動(dòng)，控制器通過相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器控制這些電機(jī)。通過交流伺服(步進(jìn))電機(jī)驅(qū)動(dòng)精密滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，伺服電機(jī)每接受10 000個(gè)脈沖轉(zhuǎn)一圈，并通過自帶的編碼器反饋脈沖，滾珠絲杠的螺距為5 mm，由理論計(jì)算知，單個(gè)脈沖的傳動(dòng)距離為0．5 μm，完全能夠達(dá)到精度要求。另外，為應(yīng)對(duì)緊急事故，點(diǎn)樣儀還設(shè)有急停按鈕。第二部分是輔助設(shè)備，輔助設(shè)備包括真空泵、超聲波清洗器、壓電陶瓷微型泵、頻閃儀、CCD鏡頭等。它們雖然不直接參與生物芯片的制備，但通過對(duì)它們的設(shè)置可使點(diǎn)樣儀自動(dòng)、可靠地完成點(diǎn)樣工作，在芯片制備中起著不可或缺的作用[4]。第三部分為內(nèi)嵌式環(huán)境控制模塊，為避免空氣中的灰塵、環(huán)境的濕度和溫度對(duì)于樣品盒和點(diǎn)樣針中樣品的影響，該點(diǎn)樣儀加入內(nèi)嵌式環(huán)境控制模塊對(duì)點(diǎn)樣空間內(nèi)潔凈度、相對(duì)濕度、溫度和通風(fēng)量大小進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。

1-滾筒；2-Z軸滾筒伺服電機(jī)；3-清洗槽；4-樣品盒；5-頻閃液滴觀測(cè)系統(tǒng)；6-X軸橫向?qū)к墸?-CCD鏡頭；8-針架；9-Y軸縱向?qū)к夒姍C(jī)；10-Y軸縱向?qū)к墸?1-點(diǎn)樣針；12-X軸橫向?qū)к夒姍C(jī)。圖1 滾筒式點(diǎn)樣儀機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

2．2 雙閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)

伺服控制系統(tǒng)由控制器、伺服驅(qū)動(dòng)裝置和伺服電機(jī)3部分組成，其控制核心是ARM9 S3C2416微處理器。伺服驅(qū)動(dòng)裝置把低電壓控制信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏好}寬調(diào)制信號(hào)，操作機(jī)械手各軸電機(jī)做相應(yīng)運(yùn)動(dòng)[5]。采用雙閉環(huán)控制策略兼顧點(diǎn)樣儀控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與精度。系統(tǒng)中包括由光柵尺組成的全閉環(huán)主回路和由伺服編碼器組成的半閉環(huán)輔助回路。雙編碼器反饋功能可對(duì)機(jī)械間隙進(jìn)行補(bǔ)償，其中一個(gè)編碼器是安裝在伺服電機(jī)軸上的伺服編碼器，另外一個(gè)是貼在導(dǎo)軌上的光柵尺，其定位精度為0．001 μm.基于ARM9的控制器能同時(shí)接受來自2個(gè)編碼器的反饋信號(hào)，可獲得較高的運(yùn)動(dòng)精度，從而保證點(diǎn)樣儀的點(diǎn)樣精度。雙閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖2 滾筒式點(diǎn)樣儀硬件系統(tǒng)框架

圖3 滾筒式點(diǎn)樣儀雙閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)框圖

2．3 頻閃觀測(cè)系統(tǒng)

由于噴射的液滴體積為nL甚至pL級(jí)，飛行速度快，無法用裸眼直接觀測(cè)噴射效果，因此采用頻閃液滴觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)液滴噴射效果進(jìn)行觀測(cè)，通過圖像處理能夠自動(dòng)判斷液滴是否合格。頻閃液滴觀測(cè)系統(tǒng)如圖4所示，包括數(shù)字I/O卡、1394接口卡、攝像機(jī)、鏡頭、光源和相應(yīng)的電源線和信號(hào)線。其中數(shù)字I/O卡的輸出信號(hào)采用高速晶體管輸出，并具有一個(gè)5V-500 mA電源接口。為了實(shí)現(xiàn)取像和噴樣的同步，當(dāng)點(diǎn)樣針移動(dòng)到取像位置后，通過數(shù)字I/O卡按字節(jié)同時(shí)輸出兩路信號(hào)：一路給攝像機(jī)的I/O口以實(shí)現(xiàn)取像的外觸發(fā)；另一路給微型泵控制器的外觸發(fā)接口，控制點(diǎn)樣針噴樣。微型泵用來完成連續(xù)向噴頭供給樣品，以及在點(diǎn)樣針清洗過程中沖洗噴頭腔體等動(dòng)作。微型泵與ARM9工業(yè)計(jì)算機(jī)通過RS232協(xié)議進(jìn)行通訊。微型泵的工作參數(shù)直接影響生物芯片的制備質(zhì)量，包括壓電陶瓷的脈沖電壓、脈沖寬度和脈沖頻率。脈沖頻率決定單位時(shí)間噴點(diǎn)的次數(shù)，脈沖寬度和脈沖電壓共同決定著液滴的大小[2]。

圖4 滾筒式點(diǎn)樣儀頻閃觀測(cè)系統(tǒng)示意圖

2．4 壓電式微噴驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

采用壓電陶瓷微型泵構(gòu)建新型生物芯片點(diǎn)樣系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)芯片自動(dòng)化點(diǎn)樣功能。壓電驅(qū)動(dòng)具有響應(yīng)速度快、控制精度高，可以實(shí)現(xiàn)流量的精確供給和易于控制噴射過程等特點(diǎn)[6]。對(duì)于每一次噴射的液滴體積只有nL甚至是pL級(jí)的微噴頭來講，較高的驅(qū)動(dòng)脈沖的分辨率以及較高的精度，是能夠讓微噴頭精確噴射的先決條件。所以，有必要設(shè)計(jì)比較可靠的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。

驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制核心為ARM9 S3C2416，該微處理器具有16 KB的片上Flash以滿足較大程序的要求以及IIC串行接口，可以進(jìn)行在線編程，可接受來自觸摸屏的參數(shù)設(shè)置，控制觸摸屏的顯示以完成人機(jī)交互；通過對(duì)獲得的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算得到DAC和數(shù)字電位器的控制字用來控制DAC以及數(shù)字電位器，ARM9微處理器同時(shí)利用內(nèi)部的計(jì)數(shù)器對(duì)驅(qū)動(dòng)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)噴射液滴數(shù)量的控制[7]。

3 滾筒式點(diǎn)樣儀軟件系統(tǒng)

3．1 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軟件系統(tǒng)是點(diǎn)樣儀控制系統(tǒng)的重要組成部分。點(diǎn)樣儀軟件系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法，采用C語言編寫 ARM9底層程序，充分利用了面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，將軟件的功能模塊化，在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)樣儀控制系統(tǒng)的基本模塊。觸摸屏人機(jī)交互界面友好，操作簡單，具有用戶管理、參數(shù)設(shè)置、位置校準(zhǔn)、自動(dòng)點(diǎn)樣等操作。滾筒式點(diǎn)樣儀軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 滾筒式點(diǎn)樣儀軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由圖5可看出：點(diǎn)樣儀的軟件系統(tǒng)主要由兩部分組成。第一部分是觸摸屏人機(jī)界面，這為用戶提供交互式數(shù)據(jù)輸入界面，用戶通過觸摸屏人機(jī)界面把需要制備的生物芯片的有關(guān)參數(shù)輸入系統(tǒng)，軟件自動(dòng)驗(yàn)證輸入數(shù)據(jù)的合理性，然后計(jì)算機(jī)械手各種運(yùn)動(dòng)的工作參數(shù)，通過控制器底層程序中的運(yùn)動(dòng)控制算法自動(dòng)完成點(diǎn)樣儀的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃。此時(shí)可啟動(dòng)點(diǎn)樣儀進(jìn)行自動(dòng)處理，完成清洗、點(diǎn)樣、吸干、更換樣品盒等任務(wù)，也可進(jìn)行手動(dòng)調(diào)試。第二部分是點(diǎn)樣儀的自動(dòng)點(diǎn)樣模塊，控制器按照規(guī)劃好的運(yùn)動(dòng)軌跡控制機(jī)械手和滾筒的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行點(diǎn)樣，點(diǎn)樣的同時(shí)進(jìn)行誤差檢測(cè)和點(diǎn)樣位置的檢測(cè)，以達(dá)到精確控制的目的。在運(yùn)動(dòng)控制的過程中實(shí)時(shí)檢測(cè)各軸限位安全傳感器的信號(hào)，以防止發(fā)生故障，導(dǎo)致事故產(chǎn)生，并且人機(jī)界面上實(shí)時(shí)顯示工作情況，并能對(duì)各種情況進(jìn)行及時(shí)響應(yīng)，并做出相應(yīng)的處理。

3．2 自動(dòng)點(diǎn)樣模塊

自動(dòng)點(diǎn)樣模塊是點(diǎn)樣儀軟件系統(tǒng)的核心，工作過程主要包括清洗、取樣、預(yù)點(diǎn)樣、頻閃觀測(cè)、吸干、點(diǎn)樣、CCD鏡頭檢測(cè)。自動(dòng)點(diǎn)樣模塊軟件流程如圖6所示。

圖6 自動(dòng)點(diǎn)樣模塊軟件流程圖

4 點(diǎn)樣精度測(cè)試及分析

為了通過驅(qū)動(dòng)參數(shù)控制樣品點(diǎn)直徑，需進(jìn)行液體微噴射實(shí)驗(yàn)[8]。滾筒式點(diǎn)樣儀微噴射點(diǎn)樣系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 滾筒式點(diǎn)樣儀微噴射點(diǎn)樣系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)選用乙二醇為噴射液體，選用相同內(nèi)徑的微噴頭，在不同驅(qū)動(dòng)參數(shù)下進(jìn)行噴射實(shí)驗(yàn)，通過計(jì)算樣點(diǎn)直徑的變異系數(shù)，來對(duì)點(diǎn)樣儀的點(diǎn)樣精度進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)而選擇一組穩(wěn)定的噴射參數(shù)，以便進(jìn)行后續(xù)自動(dòng)化點(diǎn)樣。樣點(diǎn)直徑的變異系數(shù)CV的計(jì)算公式為：

實(shí)驗(yàn)條件：溫度為12 ℃；壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)參數(shù)：電壓為30～80 V，頻率為1 Hz和2 Hz，波形為正弦上升波；微噴射距離(微噴頭與基質(zhì)膜之間距離)h=3 mm；微噴嘴內(nèi)徑為80 μm.

在每一組驅(qū)動(dòng)參數(shù)下進(jìn)行5次噴射實(shí)驗(yàn)，并通過CCD攝像系統(tǒng)和圖像處理技術(shù)檢測(cè)樣品直徑，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同驅(qū)動(dòng)參數(shù)下微噴射樣品直徑測(cè)量數(shù)據(jù)

從表1中可以得出：驅(qū)動(dòng)電壓為70 V，驅(qū)動(dòng)頻率為1 Hz時(shí)，樣點(diǎn)直徑的變異系數(shù)最小，微噴射的穩(wěn)定性也最好，并且在該驅(qū)動(dòng)參數(shù)下，樣點(diǎn)的平均直徑為96 μm，與其他非接觸噴點(diǎn)技術(shù)相比，樣點(diǎn)直徑較小，可提高生物芯片點(diǎn)樣密度。

5 結(jié)束語

研發(fā)高可靠性、操作簡單、高精度，并擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的點(diǎn)樣儀對(duì)促進(jìn)我國生物芯片的研究與推廣十分有意義。采用基于ARM9嵌入式微處理器作為控制核心，設(shè)計(jì)了完整的滾筒式點(diǎn)樣儀控制系統(tǒng)，采用C語言編寫ARM9底層控制程序，并設(shè)計(jì)了友好的觸摸屏人機(jī)界面，使系統(tǒng)操作靈活，實(shí)時(shí)性高、穩(wěn)定性好，控制精度高。精度測(cè)試結(jié)果表明：在70 V，1 Hz的驅(qū)動(dòng)參數(shù)下樣點(diǎn)直徑變異系數(shù)小，平均樣點(diǎn)直徑為96 μm，能滿足點(diǎn)樣精度要求。在上海某生物科研企業(yè)的實(shí)踐證明：該點(diǎn)樣儀運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高，可以滿足大多數(shù)生物科研機(jī)構(gòu)或公司的精度要求?；贏RM9嵌入式技術(shù)的滾筒式點(diǎn)樣儀控制系統(tǒng)集參數(shù)設(shè)置、自動(dòng)點(diǎn)樣、實(shí)時(shí)檢測(cè)、環(huán)境控制等多種功能于一體，它的出現(xiàn)為眾多生物研究單位提供了一個(gè)不錯(cuò)的選擇，能夠滿足科研環(huán)境下的微陣列生物芯片的制備，也能夠適應(yīng)批產(chǎn)的要求，對(duì)生物芯片自動(dòng)化制備技術(shù)的發(fā)展有重要意義。

[1] 李志明，王東，宋立濱，等．生物芯片微陣列分配機(jī)器人系統(tǒng)的研制和開發(fā)．機(jī)器人，2002，24(4)：229-334．

[2] 周律，嚴(yán)懷鈺，蔡錦達(dá)．點(diǎn)樣儀液滴頻閃觀測(cè)系統(tǒng)研制．計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2010，30(12)：3410-3415．

[3] 王勇．生物芯片點(diǎn)樣微噴頭數(shù)控驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研制：[學(xué)位論文].北京：中國科學(xué)院電子學(xué)研究所，2007．

[4] ALLAIN L R，STRATIS-CULLUM D N，VO-DINH T．Investigation of microfabrication of biological sample arrays using piezoelectric and bubble-jet printing technologies.Analytica Chimica Acta，2004，518(1)：77-86．

[5] 李麟，葉春生．基于Qt /ARM 的伺服電機(jī)控制系統(tǒng)．儀表技術(shù)與傳感器，2013(6)：62-65．

[6] 楊雪鋒，李 威，王禹橋．壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展．儀表技術(shù)與傳感器，2008(11)：109-112．

[7] 王懿．微流體脈沖驅(qū)動(dòng)—控制的芯片點(diǎn)樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究：[學(xué)位論文].南京：南京理工大學(xué)，2010．

[8] TIMOTHY R H，MAO M，ALLAN R J，et al．Expression profiling using microarrays fabricated by an ink-jet oligonucleotide synthesizer ．Nature Biotechnology，2001，19：342-347．

Roller Microarrayer Control System Based on ARM9 Embedded Technology

QI Jian-hong，CAI Jin-da，GU Hao

(College of Mechanical Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China)

To realize high accuracy and high Speed preparation of the biochip, a new roller microarrayer was researched and developed, focusing on the mechanical structure design, hardware system and software system design. The controller based on ARM9 embedded microprocessor with a touch screen was the control core, achieved a high accuracy double-loop control of the microarrayer. Strobe system and piezoelectric micro-jet method were used to make the microarrayer do precise micro-injection. Using C language writed ARM9 underlying program to develop software system of the microarrayer, then automatic spotting was realized. Finally, the sample spot diameters under different driving parameters were tested through micro-injection experiments. The test results show that the stability of micro-injection is well, and the sample spot average diameter is small, which both meet the control requirements.

microarrayer;roller;ARM9;touch screen;control system;accuracy

2012國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)資助項(xiàng)目(No．2011YQ150040)；2011年上海市重大技術(shù)裝備研制專項(xiàng)資助項(xiàng)目(ZB-ZBYZ-03-11-2009)；上海市研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(JWCXSL1302)。

2014-01-06 收修改稿日期：2014-11-07

TH788+．5

A

1002-1841(2015)01-0056-04