王曉娜，閆衛(wèi)平，郭 玲

(大連理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧大連 116024)

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基于CF-PCR生物芯片的集成控制系統(tǒng)

王曉娜，閆衛(wèi)平，郭 玲

(大連理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧大連 116024)

針對(duì)微流控生物芯片集成化趨勢(shì)，設(shè)計(jì)了基于STM32F4的CF-PCR生物芯片集成控制系統(tǒng)。硬件電路主要包括信號(hào)采集電路、加熱電路及液晶顯示。利用增量式PID算法和PWM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)PCR反應(yīng)過(guò)程中3個(gè)恒溫區(qū)及熱驅(qū)動(dòng)式微閥的控制。

CF-PCR芯片；增量式PID；STM32

0 引言

PCR ( Polymerase Chain Reaction )是聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的簡(jiǎn)稱，是依據(jù)體內(nèi)細(xì)胞分裂中DNA半保留復(fù)制原理,在DNA聚合酶的作用下，通過(guò)變性、退火、延伸3個(gè)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)指定基因片段體外快速?gòu)?fù)制，被廣泛應(yīng)用于基因分析及醫(yī)學(xué)鑒定等生物科學(xué)領(lǐng)域[1]。CF-PCR(Continuous-Flow PCR)生物芯片是通過(guò)控制生化樣品在片式微通道中連續(xù)流過(guò)每個(gè)恒溫區(qū)的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)3個(gè)過(guò)程的往復(fù)循環(huán)，完成擴(kuò)增反應(yīng)。

微閥是微流控芯片的重要組成部分，通過(guò)控制與各通道相聯(lián)接微閥的開(kāi)啟與關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)液體樣品在生物芯片中的不同流向。熱驅(qū)動(dòng)式微閥依據(jù)氣體或液體熱脹冷縮的原理驅(qū)動(dòng)閥片往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)關(guān)閉與開(kāi)啟功能。它具有工作原理簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)力較大，易于控制，與生物芯片工藝兼容性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2]。

將CF-PCR芯片與熱驅(qū)動(dòng)式微閥集成在一起，可實(shí)現(xiàn)樣品擴(kuò)增和樣品定向流動(dòng)及其檢測(cè)分析的一體化。對(duì)于這樣一個(gè)功能強(qiáng)大的集成生物芯片，溫度控制至關(guān)重要，它既是保證擴(kuò)增反應(yīng)順利進(jìn)行的關(guān)鍵因素，也決定熱驅(qū)動(dòng)式微閥的功能實(shí)現(xiàn)。文中研究的集成熱驅(qū)動(dòng)式微閥的CF-PCR生物芯片結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 集成熱驅(qū)動(dòng)式微閥的CF-PCR生物芯片結(jié)構(gòu)示意圖

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

CF-PCR集成控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由CF-PCR生物芯片、測(cè)溫電路、加熱電路、STM32控制單元及LCD觸摸屏5部分構(gòu)成。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)啟動(dòng)后，通過(guò)觸摸LCD液晶顯示屏選定開(kāi)啟閥，該信息通過(guò)SPI接口送至STM32控制器，控制器根據(jù)指令對(duì)CF-PCR芯片的3個(gè)溫區(qū)及其他未選定的微閥所對(duì)應(yīng)的加熱器進(jìn)行加熱，溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各溫區(qū)的溫度，并將測(cè)量值發(fā)送至控制器?？刂破魍ㄟ^(guò)比較溫度設(shè)定值與測(cè)量值，調(diào)用增量式PID算法計(jì)算出新的PWM信號(hào)的占空比，調(diào)整加熱時(shí)間，實(shí)現(xiàn)恒溫控制，系統(tǒng)工作過(guò)程中的溫度值實(shí)時(shí)更新在LCD液晶屏上。

2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

CF-PCR集成控制系統(tǒng)選用基于ARM?CortexTM-M內(nèi)核的STM32F407控制器。該微控制器的CPU最高頻率達(dá)168 MHz；有3個(gè)12位的ADC；2個(gè)高級(jí)定時(shí)器，10個(gè)通用定時(shí)器，2個(gè)基本定時(shí)器；3個(gè)SPI通信接口；集成LCD-TFT控制器；ST-Link Debug支持在線調(diào)試；多個(gè)I/O接口能滿足控制系統(tǒng)快速處理多通道數(shù)據(jù)及進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示的要求。

2.1 溫度信號(hào)采集模塊

集成控制系統(tǒng)選取Pt電阻作為溫度傳感器。在0～100 ℃范圍內(nèi)，Pt電阻的阻值與溫度具有良好的線性度。溫度測(cè)量模塊如圖3所示。

圖3 溫度測(cè)量模塊

其中：

式中：UIN為AD623的凈輸入電壓；RS為Pt電阻的阻值。

當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，Pt電阻的阻值發(fā)生變化，引起輸入電壓的改變。在實(shí)際測(cè)量中UIN為mV量級(jí)，經(jīng)過(guò)儀表放大器AD623放大后送至STM32控制器的ADC通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算，得到Pt電阻兩端電壓值，利用已經(jīng)標(biāo)定的Pt電阻兩端電壓值與溫度的關(guān)系，即可計(jì)算出溫度值。

2.2 加熱控制電路

在集成控制系統(tǒng)中，為準(zhǔn)確測(cè)量實(shí)時(shí)溫度，溫度傳感器和加熱器制作在同一硅片上，為簡(jiǎn)化制作工藝，系統(tǒng)也采用Pt電阻作為加熱器[3]，通過(guò)PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)加熱控制，加熱控制電路如圖4所示，Rh為Pt電阻。

圖4 加熱控制電路

加熱控制電路是由N-MOS管和P-MOS管組成的開(kāi)關(guān)電路，STM32控制器的I/O口輸出方波信號(hào)。

當(dāng)方波信號(hào)為低電平時(shí)，Q1和Q2管截止，加熱器兩端電壓差為0，相當(dāng)于OFF，加熱器不工作。當(dāng)方波信號(hào)為高電平時(shí)，Q1及Q2管導(dǎo)通，50 V加熱電壓加載到加熱器兩端，相當(dāng)于ON，加熱器工作。

不同占空比的方波信號(hào)表明在一個(gè)加熱周期內(nèi)加熱開(kāi)關(guān)的通斷時(shí)長(zhǎng)比不同，即加熱電壓的有效加熱時(shí)間不同，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同溫度的控制。

3 控制系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

溫度控制算法是集成控制系統(tǒng)軟件部分的核心，系統(tǒng)選用增量式PID算法進(jìn)行恒溫控制。在Keil uVsion4集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中使用C語(yǔ)言，結(jié)合ST-Link Debug在線調(diào)試技術(shù)完成程序的編寫、修改與調(diào)試。

3.1 增量式PID溫度控制算法設(shè)計(jì)

增量式PID算法相對(duì)于其他復(fù)雜的PID優(yōu)化算法[4-5]來(lái)說(shuō)，在精度滿足的條件下，簡(jiǎn)單易行[6]。它與位置式PID算法本質(zhì)上是一致的，但增量式PID算法不是直接計(jì)算控制器的輸出，而是計(jì)算出與前一次輸出之間的增量：

ΔU(k) =U(k)-U(k-1)

=Kp·[e(k)-e(k-1)]+Ki·e(k)+

Kd·[e(k)-2×e(k-1)+e(k-2)]

=Kp·Δe(k)+Ki·e(k)+K·Δe(k)

式中：U(k)、U(k-1)分別表示當(dāng)前和前一次輸出；e(k)、e(k-1)、e(k-2)分別表示當(dāng)前誤差、前一次誤差和前兩次誤差。

將計(jì)算得到的增量結(jié)果與前一次的輸出進(jìn)行疊加，得到當(dāng)前的控制輸出：

U(k)=U(k-1)+ΔU(k)

增量式PID算法的輸出只與e(k) 、e(k-1)和e(k-2)有關(guān)，進(jìn)而可以避免位置式PID算法的積分飽和問(wèn)題[7]。

3.2 定時(shí)器模塊配置

定時(shí)器模塊在集成控制系統(tǒng)中有2個(gè)作用，確定PID算法采樣周期T和輸出加熱控制信號(hào)。采樣周期T對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)至關(guān)重要，它要根據(jù)控制信號(hào)性質(zhì)、外界擾動(dòng)、執(zhí)行器件要求、計(jì)算機(jī)精度及系統(tǒng)成本等各因素綜合考慮，過(guò)大或者過(guò)小的采樣周期都會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)輸出的不穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，集成控制系統(tǒng)配置TIM7的采樣周期為500 ms,部分程序代碼如下：

void Timer7_Init(void)

{

NVCI_InitStructure.NVIC_IRQChannel=TIM7_IRQn;

//配置TIM7嵌套中斷向量

NVCI_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;

//打開(kāi)TIM7的中斷通道

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=42000-1;

//預(yù)分頻值為42000-1，使計(jì)數(shù)頻率為2 kHz

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=1000-1;

//計(jì)數(shù)周期為1000-1,確定采樣周期500 ms

}

本文的集成控制系統(tǒng)設(shè)置了6路PWM信號(hào)對(duì)6個(gè)加熱器進(jìn)行控制，配置TIM3的3個(gè)通道和TIM4的3個(gè)通道為PWM1模式，在中斷程序中通過(guò)調(diào)用TIM_SetCompareX(TIM3,pwmX)函數(shù)，不斷重置定時(shí)器各路計(jì)數(shù)上限值，實(shí)現(xiàn)不同占空比的PWM信號(hào)輸出。

3.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊配置

微控制器STM32內(nèi)部集成了16路通道的ADC1，控制系統(tǒng)選用了其中的6路，通過(guò)編程以連續(xù)掃描模式對(duì)各溫度測(cè)量電路的采樣值進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在溫度測(cè)量模塊中，為避免電路噪聲和環(huán)境的干擾導(dǎo)致測(cè)量值與實(shí)際值不一致的問(wèn)題，軟件設(shè)計(jì)中加入了中值濾波算法。

3.4 系統(tǒng)程序流程

系統(tǒng)主程序要完成外設(shè)的配置、管理系統(tǒng)消息及調(diào)度任務(wù)，系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示。系統(tǒng)的初始化主要進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)鐘、ADC、定時(shí)器、LCD等及PID結(jié)構(gòu)體參數(shù)初始化。系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，CF-PCR芯片中的3個(gè)加熱器和多個(gè)微閥的加熱器可同時(shí)工作，也可對(duì)某個(gè)或某幾個(gè)微閥進(jìn)行選擇性控制。

圖5 系統(tǒng)程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 CF-PCR生物芯片的三溫區(qū)控制

在室溫下，對(duì)CF-PCR生物芯片的3個(gè)溫區(qū)進(jìn)行加熱控制，實(shí)時(shí)檢測(cè)得到的溫度值通過(guò)USART傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，繪制的溫度控制曲線如圖6所示。

圖6 CF-PCR生物芯片的溫控曲線

為減少控制器工作量，PID調(diào)整6次后輸出1次，圖中橫軸單位為3 s。由圖6可以看出，退火區(qū)(55 ℃)經(jīng)過(guò)50 s進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)；延伸區(qū)(72 ℃)80 s時(shí)的加熱溫度是70 ℃，在100 s達(dá)到穩(wěn)定；變性區(qū)(93 ℃)屬于高溫區(qū)，120 s時(shí)加熱溫度為90 ℃，160 s后逐漸穩(wěn)定。系統(tǒng)穩(wěn)定后，溫度測(cè)量值在設(shè)定值的℃范圍內(nèi)波動(dòng)。PCR反應(yīng)中對(duì)溫度的要求是：變性區(qū)在90～95 ℃，延伸區(qū)是70～75 ℃，退火區(qū)為50～60 ℃，所以本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)完全可以滿足上述要求。

4.2 熱驅(qū)動(dòng)式微閥的控制

本課題組研究的熱驅(qū)動(dòng)式微閥以玻璃為基底，利用MEMS技術(shù)腐蝕出直徑為2 mm、深度為200 μm的圓柱腔體，將其與PDMS薄膜鍵合形成密封腔。當(dāng)微閥下部的加熱器對(duì)腔體進(jìn)行加熱時(shí)，腔內(nèi)空氣受熱膨脹，驅(qū)動(dòng)PDMS薄膜發(fā)生形變，實(shí)現(xiàn)對(duì)微通道的封堵。微閥的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 熱驅(qū)動(dòng)式微閥結(jié)構(gòu)

在室溫下啟動(dòng)微閥的加熱器，經(jīng)試驗(yàn)確定其溫度值為100 ℃。由于微閥的加熱器尺寸小，加熱腔體內(nèi)的空氣有限，微閥加熱后的溫度響應(yīng)速度快于CF-PCR生物芯片3個(gè)恒溫區(qū)的響應(yīng)速度，所以PID調(diào)整2次輸出1次。微閥的溫度控制曲線如圖8所示?？梢钥闯觯? s左右腔體溫度達(dá)到90 ℃，在20 s達(dá)到設(shè)定值并趨于穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定后誤差為±0.5 ℃，可以滿足系統(tǒng)要求。

圖8 熱驅(qū)動(dòng)式微閥的溫控曲線

利用該加熱器控制熱驅(qū)動(dòng)式微閥，結(jié)果如圖9所示。

圖9 熱驅(qū)動(dòng)式微閥實(shí)現(xiàn)截流

由于基底和蓋片都是透明的玻璃材質(zhì)，為方便觀察，用黑線勾勒出微流通道和微閥的輪廓?？梢钥闯觯㈤y的關(guān)閉對(duì)微流通道中的液體產(chǎn)生了很好的攔截效果，并且由于腔體內(nèi)空氣膨脹致使樣品在到達(dá)微閥之前停止移動(dòng)，說(shuō)明微閥得以正常驅(qū)動(dòng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于CF-PCR生物芯片的集成控制系統(tǒng)以ARM芯片為核心控制單元，采用Pt電阻作為溫度傳感器和加熱器，結(jié)合軟件增量式PID算法形成閉環(huán)恒溫控制，利用試湊法確定增量式PID算法中各項(xiàng)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)有較好的恒溫控制效果，可以滿足系統(tǒng)要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)CF-PCR生物芯片和熱驅(qū)動(dòng)式微閥的有效控制。

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Design of Integrated Control System Based on CF-PCR Bio-chip

WANG Xiao-na,YAN Wei-ping,GUO Ling

(School of Electronic Science and Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

According to the trency of integrated Micro-fluidic chip, an integrated control system of CF-PCR biochip based on STM32F4 was designed. The hardware circuit consisted of signal sampling circuits, heating circuits and LCD. Combining with incremental PID algorithm and PWM technology，the 3 thermal-actuated micro valves and 3 constant temperature zones in the process of PCR was realized.

CF-PCR chip; incremental PID algorithm;STM32

楊志軍(1989— )，碩士研究生,研究方向：智能檢測(cè)與控制技術(shù)。E-mail：yzj_njau@163.com 盧偉(1978— )，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事機(jī)器人傳感與控制、無(wú)損檢測(cè)及微弱信號(hào)處理研究。 E-mail：njaurobot@njau.edu.cn

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61376115)

2015-01-16 收修改稿日期：2015-07-14

TP216

A

1002-1841(2015)10-0098-03