尤方，倪原

（西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，西安 710032）

凝膠膠片被用在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行生化檢測(cè)，是一種特殊的材料。它可以分離不同物理性質(zhì)（如大小、形狀、等電點(diǎn)等）的分子，通常是用來(lái)分析樣品成分。梯度凝膠膠片是指膠片介質(zhì)物的濃度按照要求進(jìn)行梯度分布的，這可以解決電泳技術(shù)分辨能力不夠的問(wèn)題[1]，即在電泳時(shí)使質(zhì)量較小運(yùn)動(dòng)快的蛋白質(zhì)盡早遇到密度較高的支撐介質(zhì)而附著在該點(diǎn)，這樣，就可以使所要檢測(cè)的蛋白質(zhì)按照大小規(guī)格均勻地排列，即提高了電泳的分辨能力[2]。

目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有全自動(dòng)制作梯度凝膠膠片的設(shè)備，膠片制作需人工憑經(jīng)驗(yàn)和技巧操作，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且制作出的梯度凝膠膠片參數(shù)差別很大，直接影響應(yīng)用時(shí)的測(cè)試精度。因此，利用步進(jìn)電機(jī)控制灌膠過(guò)程替代人工操作，實(shí)現(xiàn)梯度膠片生產(chǎn)的自動(dòng)化、簡(jiǎn)單化、批量化，是很有必要的。這就需要一種能按一定濃度梯度全自動(dòng)灌膠的制膠設(shè)備。本文介紹了一套自行研制的全自動(dòng)梯度凝膠膠片制作系統(tǒng)。

1 梯度凝膠系統(tǒng)構(gòu)架

梯度凝膠膠片制作系統(tǒng)由上位機(jī)（計(jì)算機(jī)）、下位機(jī)（C8051F020）控制系統(tǒng)及附屬機(jī)械裝置組成[3],系統(tǒng)基本構(gòu)架如圖1所示。該系統(tǒng)的工作過(guò)程：先由上位機(jī)根據(jù)生產(chǎn)需求進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)擬合計(jì)算，然后將計(jì)算結(jié)果由通信電纜傳送給下位機(jī)，下位機(jī)將依據(jù)上位機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)來(lái)精確控制灌膠的制作過(guò)程。

本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)部分采用由Cygnal推出的C8051F020單片機(jī)作為主控單元，選用驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)的SLA7026M作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)制膠精度為步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)一步的位移量為0.005mm，同時(shí)產(chǎn)生膠液體積變化量為（3.5325e-3）ml;系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分主要使用曲線插補(bǔ)原理來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)作，采用C51技術(shù)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行編程。膠片濃度按照一定梯度要求均勻分布，灌膠器中膠和水的給進(jìn)量按照一定的濃 度和數(shù)量曲線進(jìn)行變化，這取決于控制灌膠器的步進(jìn)電機(jī)的精確可靠地運(yùn)作。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路主要包括以下幾個(gè)部分，即系統(tǒng)主控單元電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、膠液管路控制電路、系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控與檢測(cè)電路、系統(tǒng)電源電路，系統(tǒng)電路框圖如圖2所示。

2.1 主控單元電路設(shè)計(jì)

主控單元選用MCU芯片C8051F020，該芯片是高集成的系統(tǒng)級(jí)芯片(SOC)，采用Silabs公司的高速CIP-51內(nèi)核，它與8051兼容，且有與MCS-51兼容的指令集，CPU高速而穩(wěn)定，具有片內(nèi)調(diào)試電路，可以通過(guò)JTAG接口進(jìn)行非侵入式在系統(tǒng)調(diào)試。

系統(tǒng)液晶屏選用帶中文字庫(kù)的12864-15C, 接在單片機(jī)P4、P5口上，鍵盤(pán)模塊設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)能手動(dòng)控制，采用非編碼的4*4矩陣式線反轉(zhuǎn)法鍵盤(pán)，接單片機(jī)P6口，按鍵掃描功能可以方便的通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)與上位機(jī)之間的串行通信采用RS-232通信接口。

2.2 步進(jìn)電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

該制膠裝置采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)灌注器的運(yùn)行來(lái)控制膠與水的灌注，電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，液體管路中的膠液分別流回灌注器；電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，膠和水按設(shè)定的比例進(jìn)入膠片盒，形成一定梯度的凝膠膠片[4]。

本系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)軟硬件聯(lián)合控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)作，取代了傳統(tǒng)的步進(jìn)控制器。系統(tǒng)采用SLA7026對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，其電路連接如圖3所示。該驅(qū)動(dòng)芯片由Allegro Microsystems公司生產(chǎn)，它屬于大電流PWM單極性步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，具有集成低功率、高電壓大電流輸出、可對(duì)電流進(jìn)行檢測(cè)、可控制輸出相電流等優(yōu)點(diǎn)[5]。經(jīng)單片機(jī)P2端口輸出的控制信號(hào)被上拉5V電壓和74LS244緩沖以增加信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力后，進(jìn)入SLA7026的四個(gè)輸入端INA、IN/A、INB、IN/B,驅(qū)動(dòng)輸出口OUTA、OUT/A、OUTB、OUT/B接步進(jìn)電機(jī)兩相輸入輸出口來(lái)控制電機(jī)運(yùn)行，即通過(guò)控制電機(jī)各線圈通電順序和頻率來(lái)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)方向和運(yùn)行速度。

2.3 液體管路控制電路設(shè)計(jì)

液體管路控制電路設(shè)計(jì)由光電耦合器、繼電器、交流電磁閥構(gòu)成，能控制制膠過(guò)程中膠水灌注路徑閥門(mén)的開(kāi)啟與閉合。

光電耦合器、繼電器是隔離主控電路與220V交流電磁閥的必要部分，起抗干擾的作用，防止220V交流電對(duì)3.3V主控電路的串?dāng)_，達(dá)到增強(qiáng)系統(tǒng)工作穩(wěn)定性目的。電磁閥的開(kāi)啟與閉合決定于步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向，電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，控制水和膠的電磁閥開(kāi)啟，控制混合液通向膠片盒的電磁閥關(guān)閉；電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，電磁閥的作用與上面相反，從而使得膠和水依據(jù)膠片制作要求按一定比例合理灌注。

2.4 運(yùn)行監(jiān)控與位置檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行監(jiān)控電路的設(shè)計(jì)是為了防止電機(jī)在推動(dòng)或拉動(dòng)不力時(shí)出現(xiàn)注射器的活塞堵塞而難以運(yùn)動(dòng)進(jìn)而導(dǎo)致注射器損壞或破裂。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)監(jiān)控控電路系是在絲杠滑塊與注射器的活塞處夾一壓敏電阻，而該壓敏電阻處于電橋測(cè)量電路中，當(dāng)絲杠滑塊與注射器的活塞接觸時(shí)的壓力變化而改變壓敏電阻阻值時(shí)，就會(huì)在電橋輸出端檢測(cè)到一個(gè)弱信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大電路，再經(jīng)過(guò)二階有源濾波器后，與一基準(zhǔn)電壓值進(jìn)行比較，超過(guò)此值時(shí)輸出一個(gè)信號(hào)，作為警報(bào)信號(hào)，說(shuō)明運(yùn)行出現(xiàn)故障。兩路監(jiān)控電路信號(hào)再經(jīng)過(guò)一個(gè)或非門(mén)成一路信號(hào)送入單片機(jī)C8051F020的一個(gè)I/O端口，當(dāng)單片機(jī)此端口接收到一個(gè)報(bào)警信號(hào)時(shí)，就立即中斷系統(tǒng)工作。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)位置檢測(cè)電路設(shè)計(jì)由光電發(fā)射接收電路和反相器組成，安裝在電機(jī)外接絲杠末端固定位置，移動(dòng)滑塊一端接一金屬片，當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滑塊移動(dòng)使金屬片到光電發(fā)射接收器之間時(shí)，說(shuō)明滑塊移動(dòng)已到末端，就有一低電平輸出發(fā)送給C8051F020單片機(jī)端口，致使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)或反向轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.5 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

本梯度凝膠膠片制作控制系統(tǒng)電源部分的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，因?yàn)樵谠撓到y(tǒng)中要用到的部分元器件工作電壓不同。該系統(tǒng)主控制芯片（單片機(jī)C8051F020）工作需要3.3V模擬電源和3.3V數(shù)字電源，外圍器件電路需要5V電源、繼電器需要12V電源、步進(jìn)電機(jī)需要24V電源，而交流電磁閥需要220V交流電源。

在電源電路設(shè)計(jì)中，3.3V數(shù)字電源與3.3V、5V模擬電源和12V、24V高壓電源之間地線分離，只在電源處用一零歐姆電阻連接，以增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用C51技術(shù)編程以達(dá)自動(dòng)控制膠片制作的目的。該梯度凝膠膠片制作控制系統(tǒng)下位機(jī)程序設(shè)計(jì)采用模塊化編程方法，使各個(gè)功能程序模塊都可以完成各自的任務(wù)功能，如鍵盤(pán)掃描程序、液晶顯示程序、串口通信程序、步進(jìn)電機(jī)控制程序及其監(jiān)控程序等。系統(tǒng)軟件主程序工作流程圖如圖4所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試

本制膠系統(tǒng)上位機(jī)依據(jù)設(shè)置的制膠梯度濃度要求擬合步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行曲線，下位機(jī)依據(jù)從上位機(jī)得到的電機(jī)擬合曲線運(yùn)行。

當(dāng)凝膠濃度梯度分別為5%～20%、10%～25%、5%～25%時(shí)，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行曲線的擬合如圖5所示（圖中連續(xù)實(shí)線代表上位機(jī)對(duì)電機(jī)運(yùn)行的擬合曲線，星組合曲線代表電機(jī)實(shí)際運(yùn)行曲線）[6]。

當(dāng)膠片濃度梯度范圍不變，而膠片的數(shù)量m為改變時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行擬合曲線見(jiàn)圖6所示。

從圖5和圖6表明，步進(jìn)電機(jī)的擬合運(yùn)行曲線與實(shí)際運(yùn)行曲線基本吻合，通過(guò)誤差分析，該誤差不超過(guò)±2.5%，在誤差允許范圍內(nèi)，符合全自動(dòng)制作梯度凝膠膠片的要求。

5 結(jié)論

本梯度凝膠膠片全自動(dòng)制作系統(tǒng)可以由一臺(tái)上位機(jī)依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要控制多套灌膠裝置同時(shí)進(jìn)行制膠工作。全自動(dòng)生產(chǎn)，無(wú)需人工操作，經(jīng)測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試成功，該系統(tǒng)能很好的解決了制膠時(shí)質(zhì)量不易控制以及制作時(shí)一致性差的問(wèn)題，性能穩(wěn)定，可廣泛應(yīng)用于梯度凝膠膠片自動(dòng)生產(chǎn)。

[1] 張濤,吳剛,李麗娜,劉揚(yáng).電泳技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用.包頭：包頭醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，23(5):554.

[2] 馮海燕，景志忠，房永祥，等.雙向凝膠電詠技術(shù)及其應(yīng)用[J].生物技術(shù)通報(bào)，2009(1):59.

[3] 劉芳芳.二液自動(dòng)混合灌膠系統(tǒng)的研制[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院, 2003.

[4] 刁奉麗.二相混合式步進(jìn)電機(jī)微步驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].西安.西安理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，2006.

[5] 范正翹.單片機(jī)控制兩臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J ].武漢化工學(xué)院學(xué)報(bào)，1999(4).

[6] CHEN Jie-shi,ZHOU Xian-bin.A New Curve Fitting Method for Forming Limit Experimental Data[J].Journal of Materials Science & Technoiogy,2005,21(4):521.