基于嵌入式的DPCR仪温度控制系统的研究与设计

张 峰，刘述喜

(重庆理工大学 电气与电子工程学院,重庆 400054)



基于嵌入式的DPCR仪温度控制系统的研究与设计

张 峰，刘述喜

(重庆理工大学 电气与电子工程学院,重庆 400054)

为了满足第三代PCR对于DNA检测高灵敏度、高精确度、高灵活度的需求，设计了一套基于嵌入式的数字PCR温度检测与控制系统。该系统的硬件部分主要由新一代高性能的数字信号控制器STM32F407芯片主控，由半导体加热制冷模块、温度检测与转换模块、USB高速数据传输模块等组成。软件部分主要包括上位机软件和高精度的温度控制程序，该温度控制程序基于多模态模糊PID控制算法，能得到比一般的PID控制算法更为精确的动态性能，避免一般PID算法升降温过程超调量较大、震荡时间长等问题。实验结果表明：系统的最高升温速率能达到4 ℃/s，最高降温速率能达到3 ℃/s，控温精度为 0.2 ℃，能满足数字PCR仪对升降温速率以及精度的要求。

数字PCR；嵌入式系统；温度控制；多模态模糊PID

PCR(polymerize chain reaction，聚合酶链式反应)是基因工程中的一个重要环节，又称为无细胞分子克隆或特异性DNA序列体外引物定向酶促扩增技术。PCR自问世以来，作为一种主要的核酸扩增复制手段，已经被广泛地应用到生命科学相关的各个学科领域中，并给基因相关研究带来了深刻的影响[1]。温度循环是所有PCR的基础，PCR热循环仪性能对于正常的研究具有至关重要的作用。数字PCR(digital PCR)技术是目前最先进的第三代PCR技术[2-3]。其通过高度稀释检测和概率统计反演计算实现核酸的绝对定量检测,关键技术就是实现温度的高精度控制。由于国内现有PCR仪的主要性能指标如升降温速率和控温精度都要低于国外相关技术指标，而购买外国的PCR仪需要支付高额的专利使用费用,为此，本文设计了一种基于数字信号控制器的数字PCR仪高精度温度控制系统。

1 系统的硬件设计

系统结构框图如图1所示。整个系统由高性能数字信号控制器STM32F407芯片主控，包括温度检测与转换模块、半导体加热制冷模块、USB高速数据传输模块、液晶触摸屏显示模块和温度提示和报警模块。

1.1 数字信号控制器STM32F407

STM32F407基于先进的Cortex-M4内核，浮点运算能力和DSP处理指令得到增强。STM32F407具有高达1 M字节以上的片上闪存和196 K字节的内嵌SRAM，CPU运行速度快，能处理大量复杂的数据。STM32F407新增2个USB高速OTG接口，方便大量数据的及时传输与转移。3个12位、24个通道的ADC模块和多达240个唤醒中断能满足高精度A/D转换要求。另外还具有如SPI、I2S、I2C、以太网、IEEE1588v2、CAN总线等多种通信接口。

图1 系统结构框图

1.2 温度检测与转换模块

温度检测与转换模块在PCR热循环仪的整个热循环周期中起着至关重要的作用，它是整个闭环系统的核心处理部分，用来对PCR仪反应室的温度变化情况进行实时在线检测。温度检测闭环系统的原理如图2所示。

图2 温度检测闭环系统的原理

该模块的核心元器件就是温度传感器。普通PCR仪由于采用的温度传感器精度较低且响应速度较慢，不能满足目前控温精度要求较高的第三代数字PCR仪的控温需求[5]。为了提高实验精度和实验准确度，本研究采用一种高精度热敏电阻为温度传感器。热敏电阻温度检测电路如图3所示。该温度传感器采用四线制工作方式，其测温精度为0.01 ℃。四线制传感器要求引出的4根导线截面积和长度均相等，这样能消除配线电阻对温度采样精度的影响。为了获得反应试管内较为真实的温度和较高的控制精度，应尽量减小热阻，为此，采用接触式测温方法，即将热敏电阻紧贴在金属加热模块上，并且采用多个传感器同时测量(在反应室的不同位置安装多个传感器)。由于采用了多个热敏电阻分别测量不同位置的温度信号，故需要同时采集多路温度信息。采用的主控芯片STM32F407含有3个12位、24通道的ADC模块，能满足多通道温度采集的需求。并且对采集到的多个传感器数据采用多传感器数据融合技术进行处理[6-7]。

图3 热敏电阻温度检测电路

1.3 半导体加热制冷模块

由于PCR仪是一个温度“上升—下降—再上升”的热循环过程，通过加热并冷却半导体加热制冷模块完成PCR反应的各个步骤，比如变性、退火和延伸。这些半导体加热/冷却元件在电路中通常是以串联形式连结组成并置于金属加热模块的底部，上面附着有多个热敏电阻温度传感器。这些传感器是电流换能型元件,采用直流电流驱动的工作方式[8]。通过改变电流大小可调节制冷加热效率,改变电流方向来切换不同的工作状态，即加热状态或制冷状态。降温的时候,因为反应试管与基座、基座与金属加热模块之间存在一定的热传导效应，为了尽量减少热传导效应对制冷效果的影响，加装了1个散热装置来辅助降温。此散热装置包括小型风扇和1个散热片。风扇用小型电机来驱动。PCR仪加热模块结构如图4所示。

图4 PCR仪加热模块结构

1.4 半导体驱动电路模块

半导体加热制冷片在运行时需要随时切换电流的大小及方向，因此设计适当的驱动电路是系统正常稳定工作的保证[9]。半导体模块驱动电路采用带芯片驱动的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)H桥式驱动电路。IGBT是一种复合全控电压驱动式功率半导体器件，由双极型三极管和绝缘栅型场效应管组成，具有输入阻抗高、导通压降低、功率增益高、噪声低、效率高等优点，目前应用广范。主控芯片根据当前温度产生PWM信号，该信号经H桥式驱动电路控制IGBT有规律地关断或导通来控制加热制冷片使系统加热或制冷，直至温度达到设定值。通常情况下驱动电路和控制电路在电位上会相互影响，为了保证控温精度和整个系统的安全性，应该将二者严格隔离，采用的技术手段是加装隔离装置(如高速光耦合隔离器、变压器耦合隔离器)。本研究采用高速光耦合隔离方式对主电路与控制电路进行隔离。

1.5 系统功能

主控芯片产生脉宽调制信号送入电路的信号控制端。该信号经过光电耦合器控制IGBT的开关状态，并作用于加热制冷片。热敏电阻构成的测温电路实时检测反应室内的温度，并将温度信号转换为电压信号进行输出。此电压信号经A/D转换模块后，由模拟量转变为数字量，并进行多模态模糊PID算法，然后通过调节PWM波的占空比以达到控温的目的。升温时，半导体加热制冷片以最大功率工作；降温时，启动风扇进行辅助降温。

2 系统的软件设计

2.1 软件系统的组成

软件系统主要包括以下几个主要部分：① 系统初始化子程序；② A/D转换子程序；③ 多模态模糊PID算法控制子程序；④ PWM波输出控制子程序；⑤ USB数据通信子程序。

整个软件系统流程如图5所示。系统初始化子程序主要是对主控芯片的系统时钟、GPIO口的输入输出方式、DSP处理指令等进行必要的配置。A/D转换子程序的功能是对ADC模块的选择、 A/D转换模块的触发方式、采样通道数进行配置。多模态模糊PID算法控制子程序的功能是把设定的温度值与当前检测的温度值进行比较，计算出PWM波的方向和占空比。PWM波输出控制子程序完成对半导体加热制冷片的工作模式的选择与控制，实现对目标温度的多模态控制。USB数据通信子程序则实现主控芯片与PC机的实时通信[10]。主控芯片接收PC端的控制指令，完成相应的功能，并将温度采集电路采集到的温度数据经USB总线上传到PC端进行实时显示。

图5 软件系统流程

2.2 多模态模糊PID控制算法

多模态模糊PID控制算法是随着计算机技术和智能控制的发展而出现的一种的新的控制算法。该算法融合了PID算法的强鲁棒性和高稳定性以及结构简单和适应性广的优点，最早应用在电机的伺服运动控制系统中，被证明具有良好的控制性能，稳定性高，适应性好。特别是在一些非线性系统中优于传统PID算法、改进的传统PID算法。本研究将其应用在PCR仪温度控制系统中。根据PCR仪当前的温度状态，分阶段切换多模式控制方式[11-12]。

常规的PID控制算法的表达式为[13-14]：

(1)

其中：y(t)为控制信号；e(t)为系统偏差；kp为比例系数；ki为积分系数；kd为微分系数。

通常情况下，将常规的PID控制算法的表达式转化为计算机控制系统能识别的离散表达方式：

(2)

由式(2)可得n-1时刻的输出表达式为：

(3)

将式(2)减去式(3)可得增量式PID算法输出表达式为：

(Δy(n)=kp[e(n)-e(n-1)]+kie(n)+

kd[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)])

(4)

从上述表达式可以看出：与输出量有关系的变量有偏差e以及偏差变化率Δe。在多模态模糊PID控制器中将二者经模糊化处理后，作为控制器的输入，然后通过既定的模糊控制规则进行模糊推理得到模糊输出量，再经过反模糊化分别得到控制器的3个参数的增量Δkp，Δki，Δkd输出，则kp，ki，kd三个控制器参数就可以根据增量实时调整，即多模态模糊PID的3个参数值是根据系统输出量的变化而变化的。

根据变量的变化范围确定各输入变量的基本论域分别为:[-94，94]，[-4，4]，[-0.002，0.002]，[-0.0007，0.0007]，[-0.004，0.004]。对应的论域即模糊子集全部定义为{ 最小，小，较小，零，较大，大，最大}。

这样，根据e和Δe值的不同，将采用不同的模糊PID参数，因此必须考虑不同阶段3个参数之间的耦合关系。各个参数的调节规律如下：

1) 初始升降温阶段。e较大时，为加快响应速度，缩短反应时间，取较大的kp和较小的kd，同时为了防止积分饱和，避免系统响应出现较大的超调，应尽量减小ki。在此阶段采用积分分离模糊PID算法[13]。

2) 中间阶段。当e和Δe为中等大小，为使系统响应的超调减少，应取较小的ki值，kp和kd值的大小要适中，以保证系统响应速度。

3) 温度接近设定值阶段。当e和Δe较小时，为了获得系统良好的稳态性能，此时增大kp和ki的值，同时为避免输出值在设定值附近产生波动，并考虑系统的抗干扰性能，适当选取kd值。在此阶段采用不完全微分模糊PID算法[15]。

此种形式的控制算法可以随时切换不同的控制模式，根据不同阶段PCR仪对温度精度、反应时间、偏差和偏差变化率的大小，采取不同的控制方式，采用不同的PID控制参数，这样既能保证PCR各个阶段实验的顺利进行，又能节省大量的实验时间,大大提高了实验效率，实现真正的多状态、多模式控制。

多模态模糊PID控制算法流程如图6所示。

图6 多模态模糊PID算法流程

3 实际测试结果分析

运用PCR仪进行了一系列的升降温实验，以此来验证其升降温速率和温控精度。将室温设置为起始温度，从室温升到95 ℃，并保持95 ℃恒温一段时间，时间的长短决定了反应物是否充分变性；再从95℃下降到55 ℃，继续保持55 ℃恒温一段时间，此退火过程是PCR反应过程中比较重要的一个阶段；再从55 ℃升温到75 ℃，保持75 ℃ 恒温，延伸过程是否成功是整个PCR反应过程能否成功的关键。按照此步骤循环30～40次。整个反应过程中A/D转换模块实时采集温度数据，数据经USB通信接口传送至上位机端，利用编写的绘图软件程序保存实时温度数据并实时显示温度曲线。将实时采集到的多组温度数据剔除无效数据之后做平均值处理得到的数据如表1所示。根据数据绘制的系统温度曲线如图7所示。

图7 系统温度曲线表1 升降温速率

起始温度/℃终止温度/℃设定温度/℃使用时间/s升降温速率/(℃·s-1)温控精度/℃25.21595.1149516.894.13850.11494.79055.1965510.563.74940.19655.05475.139754.864.13270.139

3.1 升降温速率和温控精度分析

实际测试过程中，观察到2个升温阶段。变性和延伸阶段的升温速率平均保持在4.13 ℃/s左右，符合既定的设计目标。在退火阶段，降温速率达到了3.749 4 ℃/s，比设计值提高了25%，达到了设计要求。升降温之初，温差较大，之后随着温度的升高，温差变得越来越小，直到稳定在0.2 ℃之内。仪器整体平均温控精度为 0.149 ℃，符合系统设定的性能指标要求。为了体现其优越性，表2列举了国外几种不同制造商数字PCR仪的平均模块变温速率(℃/s)。从表2中可以看出：本实验的结果完全满足数字PCR仪对升降温速率以及温控精度的要求。

表2 升降温速率对照表

3.2 影响PCR仪温度控制精度的因素分析

温度控制的精度直接影响实验结果的精度和准确度。因此，在PCR反应中温度能否精确控制成为实验能否成功的重要因素。在设计过程中，忽略一些次要因素的影响，分析了几个影响温控精度的主要因素，比如加热模块的结构形式。不同的结构形式决定了PCR循环实验的质量和实验的快慢。普通的PCR仪通常只有1个金属加热模块，这样会导致温度场分布不均匀，系统精度自然就不高。整个系统的灵敏度和准确度是由温度传感器的测温精度和A/D转换的速度和分辨率决定。温度传感器的灵敏度越高，时间常数越小，系统的精度就越高；A/D转换的速度越快，分辨率越高，系统的灵敏度就越高。温度控制算法是数字PCR仪中温度控制的核心，好的控制算法可以减小升降温过程超调量和震荡时间。以上几个因素无论是在硬件电路的设计和还是软件设计的过程中必须加以考虑。本研究采取的解决方案为：升降温电路模块方面选择目前最为流行的半导体加热制冷模块，该模块不需要附加任何机械结构，只需要改变电流的大小和方向就能实现快速制冷和加热；温度传感器选择了精度较高的热敏电阻，不仅反应灵敏而且可靠性高[16-17]；转换器必须选用具有较高转换速度和分辨率的芯片，以适应快速升降温和恒温段控温精度高的要求；AD转换模块选择了主控制器自带的AD，其转换速度为10 ns，分辨率为12位，满足要求；在温度控制算法方面综合各种算法的优点，选择目前准确性、稳定性、适应性等较好的多模态模糊PID算法，并取得了较好的控温效果。

4 结束语

本研究设计了一种基于嵌入式的数字PCR仪温度控制系统，采用目前主流的ARM控制器为主控芯片，结合高精度的温度控制程序，功能齐全、稳定性高、成本较低。实验测试结果表明：该系统能在设定的温度区间内进行多次PCR循环,升降温速率平均能达到4 ℃/s以上，控温精度在 0.2 ℃以内，而目前市场上主流的数字PCR仪的最高升温速率为4 ℃/s，最高降温速率为3 ℃/s，控温精度为0.5 ℃之内，因此本实验的结果满足数字PCR仪对升降温速率以及温控精度的要求。最后对影响PCR仪温度控制精度的影响因素进行了分析，并提出了相应的解决方案，可为今后研制精度更高的PCR仪提供参考，具有较大的应用价值。

[1] 李春勇.数字PCR技术原理及应用[J].生物技术世界，2014，84(11)：10-13.

[2] ROMA C，ESPOSITO C，RACHIGLIO A M，et al.Detection of EGFR mutation by TapMan mutation detection assays powered by competitive allelespecific TagMan PCR technology[J].Biomde Res Int，2013，2013:385087.

[3] BACHER U，DICKER F，HAFERLACH C，et al.Quantification of rare NPMI mutation subtypes by digital PCR[J].Br JHaematol，2014，167(5):710-714.

[4] 詹成，燕丽.数字PCR技术的发展和应用[J].复旦学报(医学版)，2015，42(6):786-789.

[5] 刘娟荣，陈章立，黄靖，等.基于NTC热敏电阻的实时PCR仪数据采集器设计[J].传感器与微系统，2011，30(3)：114-117.

[6] 陈旭海，张蓬勃，杜民.基于多温度信息融合的PCR仪[J].信息与控制，2012，41(5)：590-595.

[7] 薛生虎，李东升，叶子宏.基于多传感器融合技术的PCR仪温度校准系统[J].仪器仪表学报，2011，32(6)：1232-1237.

[8] 石明霞，江小霞，谢志武.基因扩增仪温度控制系统[J].集美大学学报(自然科学版)，2013，18(4)：285- 290.

[9] 何洁，冯继弘，李开祥.基于DSP的实时PCR仪温度控制系统研制[J].传感器与微系统，2014，33(5):95-98.

[10]刘小雪，陈科，冯继弘.PCR仪温度控制系统的研制[J].北京生物医学工程，2010，29(3)：278-281.

[11]毕雪琴，于美媛.PCR仪模糊自整定PID温度控制算法的研究[J].计算机与数字工程，2013，41(2)：301-303.

[12]向学辅，周晓华.模糊PID控制算法在转台伺服系统中的应用[J].兵工自动化，2010，29(2)：42-44.

[13]吴文海,汪节,高丽,等.基于模糊自整定PID的着舰引导控制器设计[J].四川兵工学报,2014(7):71-74.

[14]王博,陈万强,李祥阳.基于模糊自适应PID控制的舵机系统仿真研究[J].重庆理工大学学报(自然科学),2015,29(10):52-56.

[15]范书广，朱灵.用于微流控荧光PCR高分辨率温度控制系统[J].大气与环境光学学报，2015，10(5)：417-424.

[16]王宇松，佟慧艳，张文超.影响PCR仪温度控制精度的因素分析[J].生命科学仪器，2007，29(2)：19-23.

[17]陈章立，黄靖，姚英豪.PCR热循环系统热性能影响因素的等效电路研究[J].浙江大学学报(工学版)，2011，45(12)：2216-2221.

(责任编辑 杨黎丽)

Research and Design of Temperature Control System of DPCR Instrument Based on Embedded System

ZHANG Feng, LIU Shu-xi

(School of Electrical and Electronic Engineering,Chongqing University of Technology, Chongqing 400054， China)

In order to meet the needs of high sensitivity, high accuracy and flexibility of the third generation PCR for DNA detection, this study designs a set of digital PCR temperature measurement and control system based on embedded system. The hardware part is mainly composed of STM32F407 digital signal controller main control chip of a new generation of high performance, semiconductor refrigerating and heating module, temperature detection and USB conversion module, data transfer module etc.. The software includes computer software and high precision temperature control program, multi-modal fuzzy PID control algorithm based on the temperature control program, which can get a more accurate dynamic performance than the general PID control algorithm, and avoid the problem of general PID algorithm temperature process of large overshoot and concussion long time. The experimental results show that the maximum heating rate of the system can reach4/s, the maximum cooling rate can reach 3/s, the temperature control accuracy of 0.2degrees Celsius.It can meet the requirements of the digital PCR instrument on the speed and the accuracy.

digital PCR; embedded system; temperature control; multi-modal fuzzy PID

2016-04-18 作者简介：张峰(1990—)，男，硕士研究生，主要从事电力电子设备检测与控制研究，E-mail:815632619@qq.com。

张峰，刘述喜.基于嵌入式的DPCR仪温度控制系统的研究与设计[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2016(11):127-133.

format：ZHANG Feng，LIU Shu-xi.Research and Design of Temperature Control System of DPCR Instrument Based on Embedded System[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(11):127-133.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.11.021

TH811

A

1674-8425(2016)11-0127-07