生物芯片噴印機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李曉全， 蔡錦達(dá)

(上海理工大學(xué) 出版印刷與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院， 上海 200093)

生物芯片[1-3]是一種將微量的生物樣品(如蛋白質(zhì)、DNA等活性生物液)有序排列在固相載體(如硅片、玻璃片等)所形成的微陣列，以其高通量、微型化和自動(dòng)化的特點(diǎn)，能夠在很短時(shí)間內(nèi)分析微陣列中承載的大量生物分子，獲取其中的生物信息；相比于傳統(tǒng)生物檢測(cè)模式，采用生物芯片的檢測(cè)效率更加快速、方便。作為生物芯片技術(shù)的第一環(huán)，制備生物芯片的點(diǎn)樣系統(tǒng)顯得尤為重要。

基于具有ARM與DSP雙核心的OMAPL138控制器，課題組設(shè)計(jì)了一套生物芯片噴印機(jī)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的工作任務(wù)根據(jù)任務(wù)特點(diǎn)分配到2個(gè)核心上。其中ARM核心主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)業(yè)務(wù)級(jí)別及硬件報(bào)警信號(hào)檢測(cè)等具有交互特性的任務(wù)；DSP核心則負(fù)責(zé)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、噴頭控制、編碼器反饋信號(hào)等對(duì)時(shí)序和運(yùn)算要求較高的硬件驅(qū)動(dòng)任務(wù)。并采用SYS/BIOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及SYSLINK組件，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)與數(shù)據(jù)同步，最大效率地利用處理器性能。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

生物芯片噴印機(jī)的機(jī)械部分主要由滾筒和噴頭移動(dòng)架組成，如圖1所示[4-5]，噴頭移動(dòng)架是X-Z軸的移動(dòng)，滾筒是W軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，兩者相互配合，完成生物芯片的制作。生物芯片噴印機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。滾筒用于生物芯片基質(zhì)的固定，它的表面有多條圓周槽，這些圓周槽可以用來(lái)擦干噴頭上的殘余樣品試劑，其次圓周槽上還有抽真空孔，用于真空吸附；噴頭移動(dòng)架用于點(diǎn)樣噴頭的安裝。

1—滾筒；2—W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—Z軸縱向?qū)к夒姍C(jī)；10—Z軸縱向?qū)к墸?1—點(diǎn)樣噴頭；12—X軸橫向?qū)к夒姍C(jī)。圖1 生物芯片噴印機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)Figure 1 Mechanical structure of biochip printer

1.2 工作原理

一張生物芯片基質(zhì)上應(yīng)盡可能增多生物芯片的排列，保證其工作的效率。每一個(gè)生物芯片是由6×8個(gè)檢測(cè)單元所組成，其中每個(gè)檢測(cè)單元的尺寸為7 mm×7 mm，每個(gè)檢測(cè)單元中都包含著5×5個(gè)樣點(diǎn)，在所有的樣點(diǎn)中，左上角的那一個(gè)樣點(diǎn)為Mark標(biāo)記點(diǎn)，剩下的才是用于檢測(cè)的樣點(diǎn)。生物芯片各級(jí)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 生物芯片各級(jí)結(jié)構(gòu)Figure 2 Biochip level structure

生物芯片噴印機(jī)采用的是非接觸式的點(diǎn)樣方法，它是利用點(diǎn)樣針X-Z軸的移動(dòng)和滾筒W軸的轉(zhuǎn)動(dòng)相配合完成的。首先將生物芯片基質(zhì)真空吸附在滾筒表面，然后對(duì)點(diǎn)樣針進(jìn)行清潔干燥，接著用點(diǎn)樣針預(yù)先吸附的樣品試劑，進(jìn)行預(yù)點(diǎn)樣測(cè)試，最后按照生物芯片所需要的排列順序噴印在基質(zhì)上。

生物芯片制作一般都是多種樣品試劑的組合排列，所以要把各種樣品試劑的點(diǎn)樣分隔開(kāi)，1次只進(jìn)行1種樣品試劑的點(diǎn)樣，然后再用相同的方法重新加載其他樣品，直至點(diǎn)樣結(jié)束，進(jìn)而完成整塊生物芯片的制作。針對(duì)同一種試劑的點(diǎn)樣，由于生物芯片分布在不同的圓周上，為了實(shí)現(xiàn)上述要求，通常情況下噴頭移動(dòng)架橫向移動(dòng)1個(gè)樣品間距滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)1圈，使得滾筒頻繁啟停引起轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化，從而產(chǎn)生振蕩，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生一定影響，為了避免點(diǎn)樣過(guò)程中滾筒頻繁啟動(dòng)停止，將生物芯片按照螺旋式排列在滾筒上，對(duì)于同一樣品試劑，滾筒僅需啟停1次就可以完成點(diǎn)樣，大大增加了點(diǎn)樣的工作效率，同時(shí)也提高了滾筒的使用壽命。生物芯片排列部分展開(kāi)圖如圖3所示。

圖3 生物芯片排列部分展開(kāi)圖Figure 3 Biochip array section expansion diagram

1.3 工作參數(shù)設(shè)計(jì)

本研究的點(diǎn)樣工作采用的是X軸和W軸的聯(lián)動(dòng)配合，即X軸和W軸以一定的配合速度轉(zhuǎn)動(dòng)，使得當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)到1圈后，點(diǎn)樣裝置在X軸方向剛好移動(dòng)1個(gè)檢測(cè)單元的長(zhǎng)度，位置正好對(duì)向下一個(gè)檢測(cè)單元，這樣可以極大地提高點(diǎn)樣的工作效率。Z軸的運(yùn)動(dòng)速度和W軸滾筒的旋轉(zhuǎn)速度可通過(guò)人機(jī)界面進(jìn)行調(diào)整。

根據(jù)上述的排列，1張A4紙幅面排列4×4塊生物芯片，每塊生物芯片包括6×8個(gè)檢測(cè)單元，所以1次需要完成的檢測(cè)單元有24×32個(gè)，其中每一個(gè)檢測(cè)單元均為7 mm×7 mm。因此，滾筒每轉(zhuǎn)1圈，X軸需要移動(dòng)7 mm，所以選擇的絲杠導(dǎo)程為10 mm，X軸和W軸的脈沖輸出頻率比為10∶7。

點(diǎn)樣噴頭在滾筒按照螺旋線旋轉(zhuǎn)1周時(shí)需要完成24次噴印動(dòng)作，而且滾筒每旋轉(zhuǎn)7 mm，就需要噴印1次。因?yàn)闈L筒周長(zhǎng)為480 mm，伺服電機(jī)每2 048個(gè)脈沖轉(zhuǎn)1圈，由此計(jì)算出滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)7 mm需要30個(gè)脈沖，所以滾筒每發(fā)出30個(gè)脈沖時(shí)，點(diǎn)樣噴頭就需要噴印1次。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

課題組采用TI公司的OMAPL138作為系統(tǒng)主控芯片，該芯片基于ARM9226EJ-S和C674x DSP內(nèi)核，具有高擴(kuò)展性和高計(jì)算性能。在該控制器中，通過(guò)電源DC/DC實(shí)現(xiàn)1.3 V，1.8 V，3.3 V電壓?；鶞?zhǔn)時(shí)鐘頻率采用外部24 MHz的晶振產(chǎn)生，傳遞到處理器內(nèi)部后通過(guò)對(duì)時(shí)鐘及電源管理寄存器進(jìn)行配置，可將主頻提升至300 MHz，并配備256 MiB內(nèi)存和1 GiB的ROM，為程序的運(yùn)行預(yù)留足夠的空間。含有標(biāo)準(zhǔn)JTAG接口，方便對(duì)控制器進(jìn)行調(diào)試與程序下載。在數(shù)據(jù)傳輸接口方面，采用MAX485芯片、KSZ8001L芯片，控制器便可以通過(guò)局域網(wǎng)絡(luò)或者串行輸入輸出接口與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。通過(guò)觸摸顯示屏完成系統(tǒng)人機(jī)交互功能，顯示的畫(huà)面由自主開(kāi)發(fā)的觸摸屏組態(tài)軟件編寫(xiě)，通過(guò)串口下載到控制器中。輸入輸出接口通過(guò)光耦芯片進(jìn)行隔離[6]，保證處理器不會(huì)因?yàn)橥獠侩娐范搪范鴵p壞。圖4為控制器接口結(jié)構(gòu)示意圖[7]。

圖4 生物芯片噴印機(jī)控制器接口模塊示意圖Figure 4 Schematic diagram of controller interface module of biochip Printer

該系統(tǒng)主要由OMAPL138控制器、伺服電機(jī)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電阻式觸摸屏等部件組成?？刂破髫?fù)責(zé)與觸摸屏通信以及向執(zhí)行部件發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令。編碼器實(shí)時(shí)反饋速度、位置等信息，以脈沖信號(hào)的形式傳遞給控制器。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一套相對(duì)完整的生物芯片噴印機(jī)控制系統(tǒng)主要完成以下功能：各軸位置找零，包括噴頭移動(dòng)架X-Z軸、滾筒W軸的位置找零；按要求控制點(diǎn)樣裝置進(jìn)行正常點(diǎn)樣作業(yè)；對(duì)點(diǎn)樣噴頭進(jìn)行清洗烘干處理；對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制及速度檢測(cè)；使用觸摸顯示屏的人機(jī)交互界面及通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和串口與上位機(jī)的通信功能。綜合以上的功能，課題組設(shè)計(jì)的軟件控制系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 軟件控制系統(tǒng)模塊Figure 5 Software control system module

控制軟件主要分為2部分：一部分是運(yùn)行在ARM核心上的系統(tǒng)支持任務(wù)；另一部分為運(yùn)行在DSP核心上的設(shè)備控制任務(wù)。ARM核心由于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力沒(méi)有DSP核心高，但是其擴(kuò)展性高，支持指令多，故在功能分配規(guī)劃時(shí)，將多數(shù)系統(tǒng)自身管理及與外界交互功能任務(wù)交于ARM核心處理。這樣規(guī)劃能充分發(fā)揮芯片優(yōu)勢(shì)，最大效率地利用芯片效能。整個(gè)軟件系統(tǒng)的流程示意如圖6所示。

圖6 軟件系統(tǒng)流程圖Figure 6 Software system flow chart

OMAPL138采用ARM核心為主核心，DSP核心為從核心，上電后首先執(zhí)行ARM核心程序，然后由ARM核心啟動(dòng)DSP核心，所以將ARM核心作為系統(tǒng)管理核心更為合理。ARM與DSP核心間的數(shù)據(jù)通訊可以通過(guò)SYSLINK模塊與DSP核心共享內(nèi)存，完成核心間的數(shù)據(jù)共享。

3.2 SYSLINK組件

SYSLINK為T(mén)I公司研發(fā)出的多核心處理器之間的通訊工具套件，由處理器管理模塊、系統(tǒng)管理模塊、處理器內(nèi)部通信協(xié)議(IPC)等組成[8]，其程序模塊架構(gòu)如圖7所示。

圖7 SYSLINK模塊構(gòu)架Figure 7 SYSLINK module architecture

其中內(nèi)部通訊協(xié)議又包括Notify，MessageQ，SharedRegion等主要模塊。其中Notify的功能是通過(guò)硬件中斷來(lái)完成處理器核之間的信息傳遞，用這種方法傳遞32 bit數(shù)據(jù)非常簡(jiǎn)易而且速度很快[9-10]；MessageQ功能是通過(guò)隊(duì)列來(lái)進(jìn)行消息傳遞，在隊(duì)列中，讀者讀取消息，寫(xiě)者寫(xiě)入消息，需要接收消息的處理器核才建立消息隊(duì)列；SharedRegion可以提供一種處理器之間動(dòng)態(tài)或靜態(tài)配置共享內(nèi)存區(qū)域的方法。在使用SYSLINK工具之前需要對(duì)其進(jìn)行初始化，調(diào)用Syslink_setup()函數(shù)初始化SYSLINK程序，然后使用MultiProc_getId(remote)得到DSP核心的代號(hào)，接下來(lái)運(yùn)行函數(shù)Ipc_control()加載DSP核心的IPC模塊，連接DSP核心，在連接成功后，即可使用Notify，MessageQ等模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)共享使用，可以通過(guò)Notify實(shí)現(xiàn)核間共享數(shù)據(jù)的同步訪問(wèn)控制。當(dāng)程序結(jié)束時(shí)，首先運(yùn)行Ipc_control()函數(shù)斷開(kāi)與DSP核心的連接，然后使用SysLink_destroy()函數(shù)注銷(xiāo)SYSLINK服務(wù)。

3.3 顯示交互模塊

課題組設(shè)計(jì)的生物芯片噴印機(jī)控制器通過(guò)彩色LCD屏與電阻式觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互界面，采用基于MFC編寫(xiě)的畫(huà)面組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)并編譯，同過(guò)串口將畫(huà)面數(shù)據(jù)下載至噴墨印刷控制器。軟件系統(tǒng)的顯示交互模塊界面可以分為以下幾個(gè)功能塊：系統(tǒng)初始化界面，點(diǎn)樣基質(zhì)參數(shù)設(shè)置界面，芯片參數(shù)設(shè)置界面，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面，系統(tǒng)狀態(tài)界面。用戶可以通過(guò)顯示屏了解設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)及報(bào)警信號(hào)等信息，亦能夠通過(guò)觸摸操作對(duì)系統(tǒng)的各軸工作速度、芯片參數(shù)等參數(shù)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置。圖8顯示了部分人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)圖。

該控制系統(tǒng)的使用界面采用上海理工大學(xué)自主研發(fā)的組態(tài)軟件編寫(xiě)[11]。

圖8 觸摸屏人機(jī)界面Figure 8 Touch screen man-machine interface

3.4 DSP內(nèi)核從控制系統(tǒng)

在ARM主控制系統(tǒng)啟動(dòng)并完成控制器初始化后，DSP從控制系統(tǒng)就被喚醒，課題組設(shè)計(jì)的DSP內(nèi)系統(tǒng)仍采用SYS/BIOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，將功能劃分為多個(gè)線程和模塊。在接收到ARM核心傳輸?shù)膯拘研盘?hào)后，DSP從控制器啟動(dòng)，對(duì)儀器X-Z軸以及W軸進(jìn)行位置找零，完成各種初始化操作，同時(shí)對(duì)點(diǎn)樣裝置進(jìn)行清洗干燥；當(dāng)收到開(kāi)始信號(hào)后，各軸伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)樣裝置完成點(diǎn)樣工作。

DSP核心主要完成系統(tǒng)中時(shí)序要求嚴(yán)格、計(jì)算量大的關(guān)鍵性任務(wù)，并且通過(guò)DSP核心對(duì)設(shè)備硬件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，這樣的好處是能夠充分利用處理器效率并且提高整體系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性及穩(wěn)定性，課題組將DSP的任務(wù)模塊劃分為噴頭清洗模塊、供液控制模塊、編碼器反饋模塊和電機(jī)控制模塊，噴頭清洗模塊利用超聲波清洗點(diǎn)樣噴頭的內(nèi)壁和外壁，可以有效避免樣品溶液相互污染或質(zhì)量分?jǐn)?shù)改變，以確保生物芯片的制備質(zhì)量[12]；供液控制模塊完成對(duì)點(diǎn)樣頭樣品試劑的補(bǔ)給，保證點(diǎn)樣工作連續(xù)完成；編碼器反饋模塊的主要任務(wù)是對(duì)編碼器位置信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)，對(duì)機(jī)械間隙進(jìn)行補(bǔ)償，以獲得更高的運(yùn)動(dòng)精度，從而保證點(diǎn)樣儀的點(diǎn)樣精度[13]；電機(jī)控制模塊則向X-Z軸伺服電機(jī)和W軸伺服電機(jī)發(fā)送頻率脈沖，并且通過(guò)對(duì)脈沖個(gè)數(shù)及脈沖頻率的相應(yīng)控制實(shí)現(xiàn)點(diǎn)樣裝置和滾筒的配合點(diǎn)樣[14]。

4 加減速算法

由于噴印機(jī)的滾筒運(yùn)行速度高、動(dòng)作頻繁，為合理控制其速度，可以采用加減速算法進(jìn)行逐漸變速。目前加減速算法主要有梯型、指數(shù)型和S型加減速算法。課題組采用適合伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的S型加減速算法[15-16]。其中S型加減速算法包括分段函數(shù)式和多項(xiàng)函數(shù)式，常見(jiàn)的有7段式S型加減速，實(shí)現(xiàn)過(guò)程比較復(fù)雜，計(jì)算量相對(duì)較大，加減速效率不高。Sigmoid函數(shù)具有S型曲線的特征，柔性控制效果較好，計(jì)算也相對(duì)簡(jiǎn)單。因此，針對(duì)滾筒加減速過(guò)程中容易發(fā)生振動(dòng)的問(wèn)題，課題組提出了基于Sigmoid函數(shù)的S型加減速算法，Sigmoid函數(shù)原型為：

(1)

對(duì)函數(shù)進(jìn)行平移可以得到：

(2)

其中，A的取值大小決定S函數(shù)曲線的平滑情況。

文中驅(qū)動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)的伺服電機(jī)采用位置模式，主控制器發(fā)出的脈沖頻率可以直接決定伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，將函數(shù)應(yīng)用到伺服電機(jī)速度控制中，對(duì)函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)變化，使其符合伺服電機(jī)控制規(guī)律，變化后的曲線函數(shù)如下：

(3)

式中：Fx為伺服電機(jī)運(yùn)行的當(dāng)前頻率，F(xiàn)H為伺服電機(jī)運(yùn)行的最高頻率，F(xiàn)L為伺服電機(jī)運(yùn)行的最低頻率，x為伺服電機(jī)發(fā)出脈沖數(shù)，F(xiàn)為曲線系數(shù)，N為時(shí)間常數(shù)，F(xiàn)和N的取值決定加減速曲線的平緩程度和時(shí)間。

滾筒結(jié)構(gòu)近似于一個(gè)空心圓柱體，則滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

(4)

式中：Jg為滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；m為滾筒的質(zhì)量；r1和r2分別為滾筒的內(nèi)徑和外徑。

伺服電機(jī)控制滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，滾筒在加減速過(guò)程中獲得的最大角速度為：

(5)

式中：P為伺服電機(jī)的額定功率；n為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。加減速曲線中，滾筒先加加速至最大角加速度，然后減加速至最大轉(zhuǎn)速，最后以最大轉(zhuǎn)速平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)，則由最大角加速度αm可以得出加減速曲線的平緩程度和時(shí)間，即式(3)中F和N可以通過(guò)最大角加速度αm得出。

5 仿真

實(shí)際應(yīng)用中，選取的伺服電機(jī)額定功率為1 kW，轉(zhuǎn)速1 500 r/min；滾筒內(nèi)徑r1為50 mm，外徑r2為76 mm，質(zhì)量為10 kg。將數(shù)據(jù)代入式(4)、式(5)得出：αm=4.0 rad/s2。經(jīng)過(guò)滾筒多次啟停實(shí)驗(yàn)，得出最佳最大角加速度為2.8 rad/s2，最佳加速時(shí)間為0.1 s，則取N為128，F(xiàn)為3.5；根據(jù)實(shí)際要求，取最高頻率為 1 280 Hz，最低頻率為0 Hz。通過(guò)MATLAB仿真,結(jié)果如圖9所示。

圖9 伺服電機(jī)加減速仿真曲線Figure 9 Servo motor acceleration and deceleration simulation curve

圖9表明：采用S型加減速算法可以有效避免速度以及加速度的突變并改善加減速時(shí)的振動(dòng)，從而保證伺服電機(jī)從啟動(dòng)到穩(wěn)定過(guò)程中保持光滑過(guò)渡，使運(yùn)動(dòng)過(guò)程具有更小的機(jī)械沖擊和磨損，提高設(shè)備壽命。

6 結(jié)語(yǔ)

生物芯片噴印機(jī)的研究發(fā)展是生物芯片技術(shù)發(fā)展不可缺少的組成部分。課題組設(shè)計(jì)了一套基于OMAPL138控制器的控制系統(tǒng)，它具有ARM和DSP雙核心，取代了傳統(tǒng)的單核心控制器，并采用SYS/BIOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及SYSLINK組件，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)與數(shù)據(jù)同步，高效利用處理器性能；采用S型加減速算法能有效的增加滾筒速度變化時(shí)的平穩(wěn)性，減少振動(dòng)。經(jīng)測(cè)試表明該系統(tǒng)控制功能穩(wěn)定、效率高，可以滿足大多數(shù)科研機(jī)構(gòu)和生物芯片制造公司的精度要求。