基因扩增仪温度控制系统

石明霞，江小霞，谢志武

(1.集美大学轮机工程学院，福建厦门361021;2.厦门安普利生物工程有限公司，福建厦门361021)

0 引言

聚合酶链反应 (Polymerase Chain Reaction)简称PCR，是一项在短时间内体外大量扩增特定的DNA片段的分子生物学技术，它可将极微量的靶DNA特异地扩增上百万倍，大大提高了对DNA分子的分析和检测能力.完成聚合酶链反应的仪器称为PCR仪器［1］，PCR仪器被广泛应用于生命科学研究、生化分析、临床诊断、药物分析、法医鉴定和疫情快速检验等领域.作为PCR基因扩增仪中核心部分之一的温度控制系统，是决定扩增后基因的数量和质量的重要环节.

半导体制冷是一种直接利用电热转化达到制冷目的的固体制冷技术［2］，半导体制冷基于帕尔帖原理，当两种不同的导体A和B组成的电路且通有直流电时，在一个接头处释放热量，而另一个接头处则吸收热量，且帕尔帖效应所引起的这种现象是可逆的，改变电流方向时，放热和吸热的接头也随之改变，吸收和放出的热量与电流强度成正比，且与两种导体的性质及热端的温度有关.半导体制冷片在应用技术上具有不需要任何致冷剂，可连续工作，没有污染源，工作时没有振动和噪音，寿命长，安装简便等优点［2-3］.

现有的PCR仪主要采用单片机作为主控芯片［1，3-4］，随着电子技术的迅速发展，嵌入式处理器的性能不断提高、功能不断增强、价格不断下降［5］，以及基于嵌入式系统的软件不断被开发，嵌入式处理器越来越多地被应用于各种仪器仪表系统中.本系统以mini2440开发板为硬件平台，采用热敏电阻为温度传感器，半导体制冷片作为温度控制的执行元件，构建一套基因扩增仪温度控制系统.

1 硬件系统设计

1.1 总体设计

系统总体结构如图1所示，采用mini2440开发板为主控器，PC作为开发调试设备，也可作为监控级的计算机.用主控器自带的10位A/D转换器采集温度，根据当前温度发出PWM波，通过驱动电路对加热制冷装置进行控制，GPF3作为加热/制冷控制端，控制系统加热或制冷.

本系统配以带触摸屏的液晶显示屏，提供良好的人机交互界面，可实现载台高低温设置、温度保持时间设置和重复次数设置等.

图1 系统总体框图Fig.1 Diagram of the system overall structure

1.2 传感器

热敏电阻具有灵敏度高、热响应快、结构简单且价格低廉等特点.系统选热敏电阻作为温度传感器，其变送器电路如图2a所示，其中R2用于限流，保护A/D转换器的输入;电容C1和C2用于滤波，抑制高频干扰对系统的影响;二极管D1、D2具有限幅作用，将输出电压Vout限制在0～3.3V范围之内，RT为热敏电阻.输出电压Vout由式 (1)计算:

由于热敏电阻的温度变化与电阻变化呈非线性，使温度变化与变送器的输出电压Vout呈非线性，为了提高检测环节的精度，首先对热敏电阻及变送器通过实验的方式建立温度与电阻的关系表.在温度检测环节中采样当前电压Vout，并通过式 (1)计算出RT电阻值，在此基础上通过查表和线性插值的方式确定当前温度.图2b为通过实验得到的温度与RT电阻值的对应关系曲线.由于一般基因扩增仪控制温度高温在95℃左右，低温在55℃左右，因此实验范围为0～100°C.

图2 热敏电阻Fig.2 Thermistor

1.3 加热制冷

本系统的加热制冷装置采用半导体制冷片，它既可制冷又可加热，通过改变直流电流的方向来控制.工作原理是:当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对时，接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端，电流由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端.吸热和放热的大小是通过电流的大小以及半导体材料N、P的元件对数来决定的.

TEC1-12706T125制冷片额定电压为12 V，最大电流6 A，最大温差为67℃.由于半导体制冷片工作时电流较大，设计适当的驱动电路是系统稳定工作的基础.

系统利用继电器控制半导体制冷片的加热与制冷，用场效应管RF1404 MOSFET来驱动半导体制冷片.为了提高系统抗干扰能力，保证系统的稳定性，驱动部分采用光电耦合器隔离.驱动部分电路如图3所示，其中GPB/PWM、GPF3/EINT3为开发板GPIO端口;U1、U2为光电耦合器、Q1、Q2为MOSFET管，RLI为继电器，J1、J2为接管端子.

图3 驱动电路Fig.3 Driver circuit

控制电源VCC由mini2440开发板提供 (mini2440开发板可提供5V电压)，驱动电源POWER通过J1由功率电源供电.S3C2440开发板GPBO/PWM控制端产生PWM波送入电路的PWM控制端，PWM波经过光电耦合器控制MOSFET的开关状态，以此来控制半导体制冷器，其中C1为滤波电容.图3中的J2接至半导体制冷片，当PWM为0时，MOSFET导通，12V的功率电源电压加在半导体制冷片上，以最大功率加热/制冷;当PWM为100%时，MOSFET关断，半导体制冷片电压为0，不加热也不制冷;PWM从0～100%分别对应该半导体制冷片的工作功率从0到最大值.H/C端信号由S3C2440的GPF3/EINT3产生，控制输出电源的极性，使半导体制冷器正向或反向导通，改变电流的方向，从而控制半导体制冷片的加热与制冷状态.

2 系统软件设计

系统采用WinCE5.0操作系统，主要是以Microsoft公司的Platform Builder 5.0及Embedded Visual C++4.0(sp4)为软件开发平台.

在软件设计方面主要完成WinCE系统平台的开发与搭建、WinCE操作系统的定制、WinCE驱动程序的开发、应用程序的开发和加载.

2.1 建立开发环境与内核定制

2.2 驱动程序的开发

WINCE提供了四种设备驱动程序模型:本机设备驱动程序、流接口驱动程序、NDIS驱动程序、USB驱动程序.

A/D驱动程序、PWM驱动程序、GPIO驱动均属于流接口驱动程序.这类型的驱动具有定制的接口，是一般类型的设备驱动程序，其驱动程序文件一般表现为“*.dll”文件.这种驱动程序的函数实现一组固定的系统调用函数，这些函数称为流接口函数，这些接口函数使得应用程序可以通过文件系统访问这些驱动程序.驱动程序开发流程如图4b所示.

2.3 应用程序开发与加载

对于半导体制冷片的温度采用模糊PID控制算法达到控制要求［2，4］，为了提高系统的响应时间，本设计采用时间最优PID控制，即Bang-Bang PID控制，该控制算法的控制量为:

其中:e(k)为系统偏差;Kp、Ki和Kd分别为PID控制器的比例、积分和微分参数;β为正实数，可根据系统要求调节.

应用程序流程如图5所示.为了加载应用程序，设备管理器完成系统启动时或收到用户添加外围设备的信息时加载并初始化驱动程序.应用程序运行时，进行初始化，并进行相关设置;温度控制开始时，调用驱动程序，并创建线程，实现温度控制.

图4 开发环境和驱动程序开发流程Fig.4 Development process of the development environment and driver program

图5 程序流程图Fig.5 Program flow chart

3 系统测试

图6为基于ARM的基因扩增仪实体图.

图7为系统在当前温度为46℃的情况下加热到95℃，保持30 s后再下降到55℃，这样连续做3个循环的时域响应图.

由测试温度曲线可知，在设定高温为95℃，低温为55℃时，保持时间为30s时，系统最快的升温速度可以达到2℃/s，降温速度达到2.5℃/s.从图7中可以看出半导体制冷片状态切换时 (制冷与加热)，会使温度出现短暂的振荡，但振荡的时间很短，最终温度稳态误差为±0.1℃，满足了系统要求.

图7 时域响应图Fig.7 The time response diagram

4 结论

本文设计的基于ARM的基因扩增仪具有以下特点:1)系统界面友好;2)采用半导体制冷片，使系统没有污染，工作时没有振动和噪音;3)采用Bang-Bang PID控制算法，使系统的响应时间比较快，升温速度达到2℃/s，降温速度达到2.5℃/s，稳态误差为±0.1℃;4)硬软件的可拓展性强.

［1］潘爱先，赵卫华 ，陈得增.基因扩增 (PCR)分析仪温度控制［J］.中国海洋大学学报，2008，38(5):823-827.

［2］王丹，李鑫，王晓光，等.基因型扩增仪的温度控制系统［J］.东北大学学报:自然科学版，2008，29(4):569-572.

［3］叶俊华，许雪梅，黄帅，等.基于ARM和WinCE的数据采集系统设计 ［J］.计算机工程与科学，2009，31(6):136-138，141.

［4］王太峰，欧阳新萍.一种新型便携式制冷保温容器的试验研究 ［J］.制冷与空调，2006，6(5):67-70.

［5］肖伟平，黄绍平.基于模糊PID控制的半导体制冷片温控系统的研制 ［J］.工业仪表与自动化装置，2008，6:54-56.