基于ARM9嵌入式技术的滚筒式点样仪控制系统

齐建虹，蔡锦达，顾 豪

(上海理工大学机械工程学院，上海 200093)



基于ARM9嵌入式技术的滚筒式点样仪控制系统

齐建虹，蔡锦达，顾 豪

(上海理工大学机械工程学院，上海 200093)

为实现高精度、高速度的生物芯片制备，研发了一种新型滚筒式点样仪，着重描述了点样仪的机械结构设计、硬件系统以及软件系统的设计。以基于ARM9嵌入式微处理器带有触摸屏的控制器为控制核心，实现了点样仪的高精度双闭环控制。利用频闪观测系统和压电式微喷法使点样仪进行精确的微量喷射。采用C语言编写ARM9底层程序，研发了点样仪的软件系统，从而实现了全自动点样。最后通过微喷实验对不同驱动参数下的样点直径进行了测试，测试结果表明：微喷射稳定性好，样点平均直径较小，满足控制要求。

点样仪；滚筒；ARM9；触摸屏；控制系统；点样精度

0 引言

生物芯片是缩小了的生物化学分析仪器[1]，它利用微加工技术将DNA、RNA、多肽、蛋白质等生物样品以较大密度固定在玻璃、硅片或尼龙膜等载体上，形成生物样品微阵列，用于大规模地快速获取生物信息进行分析[2]。

作为生物芯片技术必不可少的一个环节，芯片制备要求高度的自动化[3]。为适应我国生物技术的发展需要，研发了一种滚筒式生物芯片点样仪，与目前国内外市场上的点样仪相比，该点样仪的设计具有很大的创新性。用铝质滚筒代替现有的平面生物芯片基质承载台，简化了点样仪机械结构，提高了空间利用率。采用基于ARM9 S3C2416带有触摸屏的控制器作为控制核心，结合其他关键设备研发了滚筒式点样仪控制系统，实现了点样仪的高精度控制，从而完成自动点样。硬件系统与软件系统巧妙结合，充分发挥了ARM9微处理器的硬件资源和触摸屏人机交互界面的强大功能，使滚筒式点样仪具有结构简单，精度高，效率高，操作方便，软件控制简单，是一台专用的生物芯片制备仪器。

1 滚筒式点样仪机械结构设计

该点样仪的机械结构主要有滚筒和二轴机械手两部分。为了尽量减小体积，首次采用铝质滚筒作为生物芯片基质膜的承载面，滚筒的外表面上设置有多个均匀分布的抽真空孔，通过真空吸附的方式使基质膜固定在滚筒的外圆周表面上。在滚筒外表面还开了若干个圆周槽，用于在点样过程中在此处对点样针进行吸干，从而提高点样效率。点样仪依靠安装有点样针架的机械手X-Y轴的移动和Z轴滚筒的旋转运动来实现点样针与基质膜之间的动作，从而把生物样品有序排列在芯片上。针架上一般安装多个点样针以提高点样效率，要求各根点样针安装准确，运动平稳，保证点样时喷射的样品点位置精确无误。滚筒式点样仪的机械结构如图1所示。

2 滚筒式点样仪硬件系统

2．1 硬件系统框架

根据对点样仪的性能要求，研发了基于ARM9的滚筒式点样仪硬件系统。利用ARM9 S3C2416嵌入式微处理器结合触摸屏组成一个工业计算机，并作为一个桥梁将其他硬件(如电机等)联系在一起，结合辅助设备组成了点样仪硬件系统。滚筒式点样仪硬件系统框架如图2所示。

由图2可看出：滚筒式点样仪硬件系统主要包括3部分：第一部分为X、Y、Z轴的运动控制设备，由于点样仪要求较高的控制精度，X轴和Z轴选用交流伺服电机驱动，采用步进电机控制Y轴的运动，控制器通过相应的驱动器控制这些电机。通过交流伺服(步进)电机驱动精密滚珠丝杠实现传动，伺服电机每接受10 000个脉冲转一圈，并通过自带的编码器反馈脉冲，滚珠丝杠的螺距为5 mm，由理论计算知，单个脉冲的传动距离为0．5 μm，完全能够达到精度要求。另外，为应对紧急事故，点样仪还设有急停按钮。第二部分是辅助设备，辅助设备包括真空泵、超声波清洗器、压电陶瓷微型泵、频闪仪、CCD镜头等。它们虽然不直接参与生物芯片的制备，但通过对它们的设置可使点样仪自动、可靠地完成点样工作，在芯片制备中起着不可或缺的作用[4]。第三部分为内嵌式环境控制模块，为避免空气中的灰尘、环境的湿度和温度对于样品盒和点样针中样品的影响，该点样仪加入内嵌式环境控制模块对点样空间内洁净度、相对湿度、温度和通风量大小进行调节和控制。

1-滚筒；2-Z轴滚筒伺服电机；3-清洗槽；4-样品盒；5-频闪液滴观测系统；6-X轴横向导轨；7-CCD镜头；8-针架；9-Y轴纵向导轨电机；10-Y轴纵向导轨；11-点样针；12-X轴横向导轨电机。图1 滚筒式点样仪机械结构图

2．2 双闭环伺服控制系统

伺服控制系统由控制器、伺服驱动装置和伺服电机3部分组成，其控制核心是ARM9 S3C2416微处理器。伺服驱动装置把低电压控制信号转变为高压脉宽调制信号，操作机械手各轴电机做相应运动[5]。采用双闭环控制策略兼顾点样仪控制系统的稳定性与精度。系统中包括由光栅尺组成的全闭环主回路和由伺服编码器组成的半闭环辅助回路。双编码器反馈功能可对机械间隙进行补偿，其中一个编码器是安装在伺服电机轴上的伺服编码器，另外一个是贴在导轨上的光栅尺，其定位精度为0．001 μm.基于ARM9的控制器能同时接受来自2个编码器的反馈信号，可获得较高的运动精度，从而保证点样仪的点样精度。双闭环伺服控制系统如图3所示。

图2 滚筒式点样仪硬件系统框架

图3 滚筒式点样仪双闭环伺服控制系统框图

2．3 频闪观测系统

由于喷射的液滴体积为nL甚至pL级，飞行速度快，无法用裸眼直接观测喷射效果，因此采用频闪液滴观测系统对液滴喷射效果进行观测，通过图像处理能够自动判断液滴是否合格。频闪液滴观测系统如图4所示，包括数字I/O卡、1394接口卡、摄像机、镜头、光源和相应的电源线和信号线。其中数字I/O卡的输出信号采用高速晶体管输出，并具有一个5V-500 mA电源接口。为了实现取像和喷样的同步，当点样针移动到取像位置后，通过数字I/O卡按字节同时输出两路信号：一路给摄像机的I/O口以实现取像的外触发；另一路给微型泵控制器的外触发接口，控制点样针喷样。微型泵用来完成连续向喷头供给样品，以及在点样针清洗过程中冲洗喷头腔体等动作。微型泵与ARM9工业计算机通过RS232协议进行通讯。微型泵的工作参数直接影响生物芯片的制备质量，包括压电陶瓷的脉冲电压、脉冲宽度和脉冲频率。脉冲频率决定单位时间喷点的次数，脉冲宽度和脉冲电压共同决定着液滴的大小[2]。

图4 滚筒式点样仪频闪观测系统示意图

2．4 压电式微喷驱动控制系统

采用压电陶瓷微型泵构建新型生物芯片点样系统，以实现芯片自动化点样功能。压电驱动具有响应速度快、控制精度高，可以实现流量的精确供给和易于控制喷射过程等特点[6]。对于每一次喷射的液滴体积只有nL甚至是pL级的微喷头来讲，较高的驱动脉冲的分辨率以及较高的精度，是能够让微喷头精确喷射的先决条件。所以，有必要设计比较可靠的驱动控制系统。

驱动控制系统的控制核心为ARM9 S3C2416，该微处理器具有16 KB的片上Flash以满足较大程序的要求以及IIC串行接口，可以进行在线编程，可接受来自触摸屏的参数设置，控制触摸屏的显示以完成人机交互；通过对获得的参数进行计算得到DAC和数字电位器的控制字用来控制DAC以及数字电位器，ARM9微处理器同时利用内部的计数器对驱动脉冲进行计数，以实现对喷射液滴数量的控制[7]。

3 滚筒式点样仪软件系统

3．1 软件系统结构

软件系统是点样仪控制系统的重要组成部分。点样仪软件系统采用结构化设计方法，采用C语言编写 ARM9底层程序，充分利用了面向对象的编程技术，将软件的功能模块化，在现有技术基础上实现了点样仪控制系统的基本模块。触摸屏人机交互界面友好，操作简单，具有用户管理、参数设置、位置校准、自动点样等操作。滚筒式点样仪软件系统结构如图5所示。

图5 滚筒式点样仪软件系统结构图

由图5可看出：点样仪的软件系统主要由两部分组成。第一部分是触摸屏人机界面，这为用户提供交互式数据输入界面，用户通过触摸屏人机界面把需要制备的生物芯片的有关参数输入系统，软件自动验证输入数据的合理性，然后计算机械手各种运动的工作参数，通过控制器底层程序中的运动控制算法自动完成点样仪的运动轨迹规划。此时可启动点样仪进行自动处理，完成清洗、点样、吸干、更换样品盒等任务，也可进行手动调试。第二部分是点样仪的自动点样模块，控制器按照规划好的运动轨迹控制机械手和滚筒的运动进行点样，点样的同时进行误差检测和点样位置的检测，以达到精确控制的目的。在运动控制的过程中实时检测各轴限位安全传感器的信号，以防止发生故障，导致事故产生，并且人机界面上实时显示工作情况，并能对各种情况进行及时响应，并做出相应的处理。

3．2 自动点样模块

自动点样模块是点样仪软件系统的核心，工作过程主要包括清洗、取样、预点样、频闪观测、吸干、点样、CCD镜头检测。自动点样模块软件流程如图6所示。

图6 自动点样模块软件流程图

4 点样精度测试及分析

为了通过驱动参数控制样品点直径，需进行液体微喷射实验[8]。滚筒式点样仪微喷射点样系统如图7所示。

图7 滚筒式点样仪微喷射点样系统

实验选用乙二醇为喷射液体，选用相同内径的微喷头，在不同驱动参数下进行喷射实验，通过计算样点直径的变异系数，来对点样仪的点样精度进行测试，进而选择一组稳定的喷射参数，以便进行后续自动化点样。样点直径的变异系数CV的计算公式为：

实验条件：温度为12 ℃；压电陶瓷驱动参数：电压为30～80 V，频率为1 Hz和2 Hz，波形为正弦上升波；微喷射距离(微喷头与基质膜之间距离)h=3 mm；微喷嘴内径为80 μm.

在每一组驱动参数下进行5次喷射实验，并通过CCD摄像系统和图像处理技术检测样品直径，实验数据如表1所示。

表1 不同驱动参数下微喷射样品直径测量数据

从表1中可以得出：驱动电压为70 V，驱动频率为1 Hz时，样点直径的变异系数最小，微喷射的稳定性也最好，并且在该驱动参数下，样点的平均直径为96 μm，与其他非接触喷点技术相比，样点直径较小，可提高生物芯片点样密度。

5 结束语

研发高可靠性、操作简单、高精度，并拥有自主知识产权的点样仪对促进我国生物芯片的研究与推广十分有意义。采用基于ARM9嵌入式微处理器作为控制核心，设计了完整的滚筒式点样仪控制系统，采用C语言编写ARM9底层控制程序，并设计了友好的触摸屏人机界面，使系统操作灵活，实时性高、稳定性好，控制精度高。精度测试结果表明：在70 V，1 Hz的驱动参数下样点直径变异系数小，平均样点直径为96 μm，能满足点样精度要求。在上海某生物科研企业的实践证明：该点样仪运行稳定、可靠性高，可以满足大多数生物科研机构或公司的精度要求。基于ARM9嵌入式技术的滚筒式点样仪控制系统集参数设置、自动点样、实时检测、环境控制等多种功能于一体，它的出现为众多生物研究单位提供了一个不错的选择，能够满足科研环境下的微阵列生物芯片的制备，也能够适应批产的要求，对生物芯片自动化制备技术的发展有重要意义。

[1] 李志明，王东，宋立滨，等．生物芯片微阵列分配机器人系统的研制和开发．机器人，2002，24(4)：229-334．

[2] 周律，严怀钰，蔡锦达．点样仪液滴频闪观测系统研制．计算机应用，2010，30(12)：3410-3415．

[3] 王勇．生物芯片点样微喷头数控驱动系统的研制：[学位论文].北京：中国科学院电子学研究所，2007．

[4] ALLAIN L R，STRATIS-CULLUM D N，VO-DINH T．Investigation of microfabrication of biological sample arrays using piezoelectric and bubble-jet printing technologies.Analytica Chimica Acta，2004，518(1)：77-86．

[5] 李麟，叶春生．基于Qt /ARM 的伺服电机控制系统．仪表技术与传感器，2013(6)：62-65．

[6] 杨雪锋，李 威，王禹桥．压电陶瓷驱动电源的研究现状及进展．仪表技术与传感器，2008(11)：109-112．

[7] 王懿．微流体脉冲驱动—控制的芯片点样系统设计及实验研究：[学位论文].南京：南京理工大学，2010．

[8] TIMOTHY R H，MAO M，ALLAN R J，et al．Expression profiling using microarrays fabricated by an ink-jet oligonucleotide synthesizer ．Nature Biotechnology，2001，19：342-347．

Roller Microarrayer Control System Based on ARM9 Embedded Technology

QI Jian-hong，CAI Jin-da，GU Hao

(College of Mechanical Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China)

To realize high accuracy and high Speed preparation of the biochip, a new roller microarrayer was researched and developed, focusing on the mechanical structure design, hardware system and software system design. The controller based on ARM9 embedded microprocessor with a touch screen was the control core, achieved a high accuracy double-loop control of the microarrayer. Strobe system and piezoelectric micro-jet method were used to make the microarrayer do precise micro-injection. Using C language writed ARM9 underlying program to develop software system of the microarrayer, then automatic spotting was realized. Finally, the sample spot diameters under different driving parameters were tested through micro-injection experiments. The test results show that the stability of micro-injection is well, and the sample spot average diameter is small, which both meet the control requirements.

microarrayer;roller;ARM9;touch screen;control system;accuracy

2012国家重大科学仪器设备开发专项资助项目(No．2011YQ150040)；2011年上海市重大技术装备研制专项资助项目(ZB-ZBYZ-03-11-2009)；上海市研究生创新基金资助项目(JWCXSL1302)。

2014-01-06 收修改稿日期：2014-11-07

TH788+．5

A

1002-1841(2015)01-0056-04