基于C#語言的全自動(dòng)移液工作站上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李肖溪，汪建曉※，李 晶，師偉展

（1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東佛山 528000；2.廣東順德工業(yè)設(shè)計(jì)研究院（廣東順德創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究院），廣東佛山 528000）

0 引言

隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)以預(yù)防為主的健康問題愈發(fā)重視，通過核酸檢測(cè)的前端檢查技術(shù)走進(jìn)了人們的生活中。通過人工操作核酸提取實(shí)驗(yàn)人工成本太高，后來出現(xiàn)了多通道移液器，如四通道、八通道、十二通道移液器，顯著地提高了移液的工作效率[1]，但仍舊不能滿足實(shí)際需求，針對(duì)這一實(shí)際需求設(shè)計(jì)與開發(fā)了全自動(dòng)移液工作站（以下簡(jiǎn)稱移液工作站）。國(guó)外雖已有此類產(chǎn)品的應(yīng)用，但由于單臺(tái)成本、耗材成本、維修成本無法控制，更因其程序設(shè)計(jì)復(fù)雜，無法滿足客戶的定制化需求服務(wù)，局限了類似儀器在國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。同時(shí)，隨著國(guó)內(nèi)生物、醫(yī)療、制藥等行業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)高效、快捷、可靠的自動(dòng)化液體處理平臺(tái)的需求日益興盛。本文提出設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于核酸檢驗(yàn)的全自動(dòng)液體處理工作站，并為移液工作站設(shè)計(jì)開發(fā)一款基于C#語言的應(yīng)用于PC端的上位機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用模塊定制化設(shè)計(jì)方案，操作簡(jiǎn)單，同時(shí)具有高可靠性，大幅提高核算檢驗(yàn)過程中的移液效率，節(jié)約時(shí)間與人工成本。

1 軟件設(shè)計(jì)

1.1 建模

本文選取被廣泛使用的統(tǒng)一建模語言UML（Unified Modeling Language）進(jìn)行軟件建模[2]，其特點(diǎn)如下。（1）統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。UML已經(jīng)被對(duì)象管理組織（Object Management Group，OMG）定為標(biāo)準(zhǔn)的建模語言，越來越多的開發(fā)人員使用UML語言進(jìn)行開發(fā)。（2）支持面向?qū)ο蠹夹g(shù)。（3）獨(dú)立于過程。UML不依賴于特定的軟件開發(fā)過程。（4）概念明確。建模表示法簡(jiǎn)潔，圖形結(jié)構(gòu)清晰，可視化表示能力強(qiáng)大，容易掌握和使用[3-4]。

UML從系統(tǒng)的不同角度出發(fā)，定義了用例圖、類圖、對(duì)象圖、狀態(tài)圖、活動(dòng)圖、序列圖、協(xié)作圖、構(gòu)件圖、部署圖等9種基本模型圖[5]。這些圖從不同的側(cè)面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行描述，便于設(shè)計(jì)人員對(duì)系統(tǒng)整體進(jìn)行分析和構(gòu)造。本文中主要討論本系統(tǒng)的用例圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)用例圖

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

工作站上位機(jī)軟件需要解決如下問題。

（1）界面層參數(shù)初始化。工作站工作前需要對(duì)系統(tǒng)對(duì)象的參數(shù)初始化，同時(shí)使工作站系統(tǒng)復(fù)位歸零。

（2）功能控制實(shí)現(xiàn)。工作站系統(tǒng)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)模塊化，擁有以下軟件功能：文件讀取和存儲(chǔ)、吸頭的識(shí)別與定位、組件電機(jī)的脈沖設(shè)置、吸頭的三維運(yùn)動(dòng)控制、控溫混勻儀的溫度控制與速度控制等。

（3）數(shù)據(jù)交換。移液工作站的上位機(jī)軟件系統(tǒng)通過RS-232接口轉(zhuǎn)RS-485接口與下位機(jī)stm32控制板連接通訊。電腦端直接提供有RS-232接口，在軟件系統(tǒng)中可以直接引用SerialPort[6]類，直接使用無需額外創(chuàng)建。控制板直接提供RS-485接口通訊，簡(jiǎn)單便捷。

移液工作站軟件平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)分為3個(gè)執(zhí)行層次實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。界面層是人機(jī)交互層，主要包括各個(gè)功能按鈕的設(shè)計(jì)；功能控制層是執(zhí)行界面層發(fā)布的命令，把復(fù)雜功能簡(jiǎn)化，還有把簡(jiǎn)單功能參數(shù)解析、命令調(diào)度；數(shù)據(jù)傳輸層主要是對(duì)各個(gè)控制板的幾個(gè)簡(jiǎn)單功能的數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 全自動(dòng)移液工作站上位機(jī)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

1.3 界面設(shè)計(jì)

軟件界面設(shè)計(jì)[7]也稱作UI（User Interface，UI）設(shè)計(jì)，是上位機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成部分。軟件界面是人機(jī)交互最直觀的部分，是用戶對(duì)軟件的第一印象，用戶體驗(yàn)的絕大部分就是指對(duì)軟件界面的體驗(yàn)。

圖3 程序主界面

工作站上位機(jī)軟件界面的設(shè)計(jì)原則：（1）按鈕通俗易懂，用詞準(zhǔn)確無異議，附帶簡(jiǎn)圖形象顯示；（2）同一個(gè)界面內(nèi)控件數(shù)量控制在10個(gè)以內(nèi)，如果實(shí)在過多，多余的分界面顯示；（3）操作過程中，對(duì)按鈕使用進(jìn)行限制，避免因重復(fù)操作造成機(jī)器出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。程序主界面如圖3所示。

1.4 功能模塊設(shè)計(jì)

移液工作站采用模塊定制化的設(shè)計(jì)方案，在保證完成基本功能的情況下，可以根據(jù)用戶實(shí)際需求加裝不同功能模塊。所以在功能模塊設(shè)計(jì)方面附加1個(gè)擴(kuò)展模塊，用于滿足用戶實(shí)際需求。工作站主要有以下6大功能模塊。

（1）三維運(yùn)動(dòng)控制。加裝有移液泵的機(jī)械臂在X、Y、Z三維中的運(yùn)動(dòng)方向、距離、速度、加速度控制。

（2）移液泵工作控制。正常工作中的吸液、噴液、自動(dòng)脫吸頭功能。

（3）移液泵吸頭識(shí)別與定位功能。在移液泵吸液之前用來識(shí)別是否加裝有吸頭，吸頭在X、Y、Z三維中的定位。

（4）脈寬控制功能。脈寬設(shè)置在3～7μs的范圍以內(nèi)，誤差為0.1μs，當(dāng)檢測(cè)脈寬超出設(shè)置范圍，上位機(jī)進(jìn)行錯(cuò)誤與異常報(bào)警處理。

（5）存儲(chǔ)與調(diào)用功能。工作站編輯的實(shí)驗(yàn)可進(jìn)行存儲(chǔ)，需要重復(fù)操作的時(shí)候可以直接調(diào)用。

（6）擴(kuò)展模塊（混勻儀模塊）。工作站的P16位置可以加裝混勻儀，混勻儀具有控溫、混勻的功能，混勻儀的溫度、轉(zhuǎn)速、加速度、混勻時(shí)間與加熱時(shí)間控制。

2 工作站結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

工作站是1個(gè)由多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)[8]的復(fù)雜機(jī)構(gòu)，主要有底座、移液臂與夾爪臂、混勻儀3大部分組成，如圖4所示。移液臂的主要功能就是用來轉(zhuǎn)移液體試劑，主要是靠移液臂末端安裝的微量泵來完成的。夾爪臂主要是為了代替人工來對(duì)深孔板進(jìn)行換位操作?；靹騼x是用來對(duì)液體試劑進(jìn)行混勻、加熱、保溫等前處理操作的，可以根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)要求設(shè)定轉(zhuǎn)速和溫度。

2.1 底座結(jié)構(gòu)

底座是整個(gè)工作站的支撐，底座上有1個(gè)工作臺(tái)，工作臺(tái)又被分為P1-P18這18個(gè)盤位，除去P16位置固定安裝了混勻儀，P3位置安裝廢物收集裝置之外，其余的16個(gè)盤位都可以根據(jù)自己的需求去放置相應(yīng)的深孔板、試劑盒與耗材盒。工作臺(tái)三維圖如圖5所示。

圖4 全自動(dòng)移液工作站

圖5 工作臺(tái)三維圖

2.2 移液臂與夾爪臂

本文移液臂與夾爪臂基本結(jié)構(gòu)相同，都是由3個(gè)無刷電機(jī)控制，區(qū)別在與臂末端安裝的末端執(zhí)行器有所區(qū)別。其中移液臂末端執(zhí)行器是由1個(gè)八通道移液泵（又稱微量泵）構(gòu)成，用來代替人工完成把試劑槽里面的試劑移到深孔板中的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)工作站的移液或滴定功能；夾爪臂末端執(zhí)行器是1個(gè)機(jī)械手，用于抓取擺放于底座上的深孔板，完成抓取深孔板在支架與混勻儀之間換位操作。

2.3 混勻儀

由于在大部分生物實(shí)驗(yàn)中需要對(duì)生物試劑進(jìn)行混勻或加熱，所以在工作臺(tái)預(yù)設(shè)位置可以加裝1個(gè)混勻模塊（也就是工作臺(tái)上的混勻儀）?；靹騼x可以對(duì)生物試劑進(jìn)行所需的前處理操作?；靹騼x有混勻與加熱2個(gè)功能，每個(gè)功能都能單獨(dú)使用或者并行使用?；靹騼x由震蕩模塊與加熱模塊2部分組成，其中震蕩模塊主要由1個(gè)凸輪結(jié)構(gòu)構(gòu)成，加熱模塊選用的是金屬浴的模式?；靹騼x的控制系統(tǒng)選用的是STM32F103RBT6單片機(jī)，控制方面主要分為溫度控制與速度控制2個(gè)部分（控制原理基本相同），兩部分均選用的模糊PID算法[9]控制。混勻儀是否加裝由客戶的需求決定的。

3 工作界面

文中所設(shè)計(jì)的上位機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能完成預(yù)定的基本功能，在實(shí)際工作中大大提高了核酸檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中的移液工作效率，滿足了設(shè)計(jì)預(yù)期的要求。軟件工作界面如圖6所示。

圖6 軟件工作界面圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的移液工作站上位機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了移液工作站對(duì)核酸檢測(cè)樣本及試劑的全自動(dòng)操作的目標(biāo)。同時(shí)，以高通量移液工作站進(jìn)行移液、滴定，取代人工操作，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，極大地提高了核酸檢測(cè)的效率。