生物分子相互作用分析儀的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張錦杰 鄧 焱 王大千 余興龍

(清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

0 引言

光學(xué)表面等離子共振(surface plasmon resonance，SPR)傳感可以靈敏地感應(yīng)出金膜表面的折射率變化［1］。只要在金膜表面固定探針(即受體分子)，一旦它與配體分子結(jié)合，就會(huì)引起折射率變化，即可進(jìn)行檢測(cè)。這種方法具有靈敏度高、實(shí)時(shí)且無需標(biāo)記等優(yōu)點(diǎn)［2］，為蛋白質(zhì)組學(xué)研究、藥物發(fā)現(xiàn)與開發(fā)以及臨床診斷所青睞［3］。

如果說SPR傳感是分析儀的靈魂，那么自動(dòng)控制就是其神經(jīng)系統(tǒng)。傳感器只能將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成可獲取的信號(hào)，如要保證檢測(cè)精度和儀器的協(xié)調(diào)運(yùn)行，則必須依靠自動(dòng)控制系統(tǒng)。本文針對(duì)所設(shè)計(jì)的分析儀具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度高、保障環(huán)節(jié)多、流程控制嚴(yán)格和樣本定量準(zhǔn)確等特點(diǎn)，利用CAN總線技術(shù)以及“反饋”和“強(qiáng)制”命令方式，將VC2008作為控制軟件開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，采用等步和等時(shí)間離散加速度曲線法，分別控制盤庫(kù)和波片機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并運(yùn)用數(shù)字PID穩(wěn)定控制流體池的溫度和對(duì)CCD可靠制冷。試驗(yàn)表明，這些設(shè)計(jì)保證了分析儀的性能指標(biāo)和功能的實(shí)現(xiàn)。

1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

分析儀由SPR傳感、微流體和自動(dòng)進(jìn)樣3個(gè)系統(tǒng)組成，各系統(tǒng)還可按功能分為不同的模塊。控制系統(tǒng)的總體硬件設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)Fig.1 Architecture of the control system

SPR傳感系統(tǒng)是分析儀的核心，檢測(cè)信號(hào)源于該系統(tǒng)，其指標(biāo)直接決定儀器的性能。在此，必須保證激光器控溫模塊控溫精度在0.1 K，伺服控制模塊的角度重復(fù)定位精度達(dá)到10″，且需要由制冷模塊對(duì)CCD進(jìn)行可靠制冷，以降低讀出噪聲。自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)的功能是按設(shè)計(jì)流程，將試劑和樣品等依次、定量地注入到微流體系統(tǒng)中，且要求具有時(shí)序和微量控制能力。微流體系統(tǒng)不僅要保證按時(shí)序控制不同的樣本或試劑流過傳感面，而且要確保流速一致。為了實(shí)現(xiàn)分析儀的全自動(dòng)操作，還需在各系統(tǒng)、各模塊之間按照一定的時(shí)序進(jìn)行動(dòng)作協(xié)調(diào)。這就要求控制系統(tǒng)具有協(xié)調(diào)控制各個(gè)模塊的能力。

計(jì)算機(jī)既需要檢測(cè)各個(gè)模塊硬件的狀態(tài)，又要根據(jù)試驗(yàn)流程對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。為了便于根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行模塊擴(kuò)展，控制系統(tǒng)采用了現(xiàn)場(chǎng)總線的CAN總線技術(shù)。這是一種多主方式的串行通信總線，采用報(bào)文標(biāo)志符濾波和非破壞的總線仲裁技術(shù)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和全局廣播的通信［4］，以減輕上位機(jī)控制軟件的負(fù)擔(dān)，并易于進(jìn)行節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展。同時(shí)，它還具有出錯(cuò)自動(dòng)重發(fā)和高抗電磁干擾特性，能抑制使用交流伺服電機(jī)后可能產(chǎn)生的干擾。圖2所示為控制系統(tǒng)的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，儀器的每個(gè)控制模塊都是一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)，它通過總線與USB轉(zhuǎn)CAN通信模塊同上位機(jī)連接。上位機(jī)通過USB總線將數(shù)據(jù)命令傳遞給通信模塊，通信模塊負(fù)責(zé)把USB格式命令轉(zhuǎn)換成CAN報(bào)文格式，再傳遞給底層的各個(gè)模塊。此外，上位機(jī)的控制軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)底層各個(gè)模塊硬件狀態(tài)的檢測(cè)和控制，并按照生物試驗(yàn)流程對(duì)儀器進(jìn)行自動(dòng)控制。

圖2 控制系統(tǒng)的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware toplogy of the control system

1.1 OSB轉(zhuǎn)CAN通信模塊

通信模塊采用LPC2368單片機(jī)，內(nèi)含2個(gè)CAN口和1個(gè)USB口。它與TI公司的SN65HVD230CAN收發(fā)器一起，組成CAN通信節(jié)點(diǎn)［5］，程序框架如圖3所示。程序?qū)HB1總線上的8 kB SRAM分成2個(gè)4 kB的循環(huán)FIFO。其中一個(gè)用作USB的輸入緩沖區(qū)，用IN_START_ADDR和IN_END_ADDR分別標(biāo)志緩沖區(qū)的頭和尾;另一個(gè)用作USB的輸出緩沖區(qū)，用OUT_START_ADDR和OUT_END_ADDR分別標(biāo)志此緩沖區(qū)的頭和尾。整個(gè)程序由中斷來驅(qū)動(dòng)，當(dāng)CAN的“接收中斷”產(chǎn)生時(shí)，先將CAN數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換，再存入輸入緩沖區(qū)。當(dāng)USB產(chǎn)生“輸入中斷”時(shí)，從輸入緩沖區(qū)提取數(shù)據(jù)并發(fā)送給上位機(jī);輸出緩沖區(qū)的操作過程與之相反。交替執(zhí)行這一過程，便完成了USB與CAN的通信。

圖3 USB轉(zhuǎn)CAN通信模塊程序框圖Fig.3 Program flowchart of USB to CAN communication module

1.2 進(jìn)樣機(jī)構(gòu)與伺服控制模塊

自動(dòng)進(jìn)樣機(jī)構(gòu)控制模塊主要是對(duì)盤庫(kù)和固定進(jìn)樣針懸臂的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，尤其是控制盤庫(kù)的精確定位。盤庫(kù)中存儲(chǔ)了多種樣本，要保證進(jìn)樣針能正確地吸取所需樣本，必須控制盤庫(kù)準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的位置上。伺服系統(tǒng)控制模塊控制波片機(jī)構(gòu)中的兩塊波片交替出現(xiàn)在光路中，實(shí)現(xiàn)光的時(shí)域相位調(diào)制。

執(zhí)行元件選用松下交流伺服電機(jī)MSMD5AZS1U，其備有17位編碼器，重復(fù)定位精度為±1位，即10″，需在0.2 s內(nèi)完成定位。步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)都采用“控制卡+驅(qū)動(dòng)器+電機(jī)”的控制方式，需對(duì)步進(jìn)脈沖進(jìn)行控制［6－7］。脈沖輸出采用 STM32F103C6單片機(jī)加三極管集電極輸出，與SN65HVD-230CAN收發(fā)器一起，組成CAN通信節(jié)點(diǎn)與總線相連。

盤庫(kù)轉(zhuǎn)動(dòng)較慢，小于15 r/min時(shí)，其加減速控制方式采用如圖4(a)所示的等步離散加速度曲線法，加減速過程按等步距計(jì)算脈沖發(fā)送頻率，保證啟停平穩(wěn)準(zhǔn)確。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度較高，達(dá)到120 r/min時(shí)，采用如圖4(b)所示的等時(shí)間離散加速曲線法，加速過程按等時(shí)間分成若干個(gè)階段，每階段計(jì)算脈沖發(fā)送頻率，獲得較粗劃分，提高效率。

圖4 線性加減速離散化曲線Fig.4 Discrete curves of the linear acceleration and deceleration

伺服控制模塊定位控制結(jié)果如圖5所示。

圖5 定位控制的實(shí)測(cè)圖Fig.5 Measured diagram for positioning control

伺服電機(jī)控制固定在玻片承載機(jī)構(gòu)上的兩塊波片交替定位在光路中，實(shí)現(xiàn)光的時(shí)域調(diào)制。具體執(zhí)行過程是先正轉(zhuǎn)33°，再正轉(zhuǎn)33°，然后反轉(zhuǎn)66°回到原位，這就完成1個(gè)周期。根據(jù)檢測(cè)需要，可連續(xù)運(yùn)行。從圖5中可知:①控制模塊實(shí)現(xiàn)了脈沖輸出的線性加減速控制;②正轉(zhuǎn)33°所需定位時(shí)間(位置偏差小于1個(gè)脈沖，相當(dāng)于只用10″)不大于 0.12 s;反轉(zhuǎn) 66°所需定位時(shí)間不大于0.18 s，滿足控制要求。自動(dòng)進(jìn)樣機(jī)構(gòu)控制模塊步進(jìn)脈沖控制方式與此類似，不再贅述。

1.3 控溫模塊

系統(tǒng)涉及的控溫模塊有激光器、流體池的控溫模塊和CCD制冷溫控模塊，其控溫原理如圖6所示。

圖6 控溫模塊原理圖Fig.6 Principle of temperature control module

系統(tǒng)采用熱敏電阻、標(biāo)準(zhǔn)電阻和數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC1提供的參考電壓構(gòu)成電橋。熱敏電阻將溫度變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，與參考電壓比較后經(jīng)差分放大、信號(hào)調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)進(jìn)行PID運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果經(jīng)DAC2數(shù)模轉(zhuǎn)換和功率放大后驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷器TEC，對(duì)激光器與微流體池進(jìn)行控溫。為了減小系統(tǒng)的電壓漂移，用基準(zhǔn)電壓源芯片來提供電橋和數(shù)模轉(zhuǎn)換器的參考電壓。采用的主要芯片為ADμC7026和MAX1968。實(shí)測(cè)達(dá)到的控溫精度為0.1 K，控溫范圍為15～37℃，滿足了系統(tǒng)要求。

2 通信協(xié)議

計(jì)算機(jī)通過發(fā)送各種“命令”，對(duì)底層各個(gè)模塊的硬件狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和控制。命令格式如圖7所示。每條命令包含1個(gè)字節(jié)的標(biāo)志碼、1個(gè)字節(jié)的指令碼和最多8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)段，標(biāo)志碼中有4 bit的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度碼和4 bit的地址碼，指令碼中只有3 bit的指令類型碼和4 bit的功能碼。命令格式與11 bit的CAN報(bào)文標(biāo)識(shí)符的轉(zhuǎn)換如圖7(d)所示。

圖7 命令格式Fig.7 Command format

3 時(shí)序控制

為實(shí)現(xiàn)按動(dòng)作時(shí)序?qū)Ω鱾€(gè)模塊進(jìn)行控制，將命令分為“反饋命令”和“強(qiáng)制命令”。命令總是由上位機(jī)發(fā)出“請(qǐng)求”，模塊接收到命令后，執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。如果是“反饋命令”，則在動(dòng)作完成后，向計(jì)算機(jī)發(fā)送“響應(yīng)”;如果是“強(qiáng)制命令”則無需通知上位機(jī)，即沒有“響應(yīng)”。

以包含開機(jī)自檢、儀器初始化、試驗(yàn)和試驗(yàn)結(jié)束等4個(gè)部分的典型試驗(yàn)流程為例，介紹如何實(shí)現(xiàn)動(dòng)作時(shí)序控制。

模塊遇到反饋命令或相應(yīng)的“響應(yīng)”時(shí)，直接向總線發(fā)送相應(yīng)命令;遇到強(qiáng)制命令時(shí)，等待硬件設(shè)備發(fā)送響應(yīng)命令，確認(rèn)收到后，再處理下一條命令。只要合理地設(shè)置命令流，便可按照試驗(yàn)流程對(duì)儀器進(jìn)行控制。命令流需遵守一條原則:屬于同一硬件設(shè)備的“反饋命令”，只能在上一條“反饋命令”處理結(jié)束后才能被發(fā)送。

4 計(jì)算機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)

控制軟件采用VC2008作為開發(fā)平臺(tái)，其程序流程如圖8所示。

圖8 計(jì)算機(jī)控制軟件流程圖Fig.8 Flowchart of the computer control software

程序啟動(dòng)后，儀器自檢，檢查底層各個(gè)模塊的工作狀態(tài)，若無異常，則正常執(zhí)行程序。程序結(jié)構(gòu)分為用戶、自動(dòng)控制和圖像采集與處理3層。其中，用戶層是上層，可以通過手動(dòng)模式調(diào)用常用的溫度、進(jìn)樣和取樣設(shè)定等功能;同時(shí)，也可使用自動(dòng)模式，通過設(shè)定流速、溫度、進(jìn)樣方式、樣品和循環(huán)次數(shù)等，自動(dòng)生成儀器的控制命令流，進(jìn)行生物試驗(yàn)。自動(dòng)控制及圖像采集與處理層為下層，前者使用預(yù)設(shè)的命令流模板，根據(jù)用戶設(shè)定的參數(shù)自動(dòng)生成命令流，通過“命令發(fā)送邏輯”，實(shí)現(xiàn)對(duì)底層各個(gè)模塊的時(shí)序控制;后者則專門處理CCD采集的圖像數(shù)據(jù)，并提供顯示和后處理功能，解算出生物反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)等。

圖9展示了用于SPR傳感生物分子相互作用分析儀的控制軟件界面。主程序界面的工作區(qū)顯示CCD采集的數(shù)據(jù)圖像，下部的狀態(tài)面板顯示流速、溫度以及事件報(bào)告，應(yīng)用程序向?qū)峁┙o用戶自動(dòng)模式功能。自定義命令流用于生成命令流模板和自定義動(dòng)作時(shí)序，也可直接用于各個(gè)模塊之間的聯(lián)調(diào)。

圖9 計(jì)算機(jī)控制軟件界面Fig.9 Interface of the computer control software

5 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了基于時(shí)間相位調(diào)制SPR生物分子相互作用分析儀的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括主要硬件模塊和計(jì)算機(jī)控制軟件的設(shè)計(jì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，利用CAN總線技術(shù)對(duì)儀器底層各個(gè)模塊進(jìn)行分布式控制，靈活緊湊;采用等步距和等時(shí)間離散加速度曲線法，分別控制盤庫(kù)和波片機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，敏捷精密;采用數(shù)字PID控制SPR傳感單元的溫度和制冷CCD，穩(wěn)定可靠，精度達(dá)0.1 K;采用“反饋”和“強(qiáng)制”命令方式，實(shí)現(xiàn)按動(dòng)作時(shí)序?qū)Ω鱾€(gè)模塊進(jìn)行控制，協(xié)調(diào)準(zhǔn)確;采用VC2008作為控制軟件開發(fā)平臺(tái)，將程序結(jié)構(gòu)分為用戶、自動(dòng)控制以及圖像采集與處理3層，簡(jiǎn)單靈活。這些設(shè)計(jì)保證了分析儀的性能指標(biāo)和功能實(shí)現(xiàn)，滿足用戶的操作要求。

［1］Kretschmann E，Raether H.Radiative decay of non-radiative surface plasmons excited by light［J］.Z Naturforsch，1968，23A:2135 －2136.

［2］Miura N，Sasaki M，Gobi K V，et al.Highly sensitive and selective surface plasmon resonance sensor for detection of sub-ppb levels of benzo［a］pyrene by indirect competitive immunoreaction method［J］.Biosens Bioelectron，2003，18(7):953 －959.

［3］Robert K.SPR for molecular interaction analysis:a review of emerging application areas［J］.Journal of Molecular Recognition，2004，17(3):151－161.

［4］饒運(yùn)濤，鄒繼軍，鄭勇蕓.現(xiàn)場(chǎng)總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003:1－83.

［5］薛圓圓.USB應(yīng)用開發(fā)技術(shù)大全［M］.北京:人民郵電出版社，2006:1－181.

［6］Condit R，Jones D W.Stepping motors fundamentals［J］.Microchip Technology Inc.，AN907，2004:1 －22.

［7］王曉明.電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2002:181－208.