基于DSP的PCR仪温度控制系统研究

苏春莉

（西安欧亚学院信息工程学院 陕西省西安市 710065）

聚合酶链式反应(PCR)是1983年由美国科学家凯瑞穆利斯发现的，在此基础之上，PCR 仪的发明在生命科学的研究中做出了非常巨大的贡献。PCR 仪的工作原理在于其能够在短时间内对DNA进行体外扩增和分析。PCR 仪在使用过程中共需要经历三个阶段的温度变化，分别是高温变性，温度在95℃左右；低温退火，温度在55℃左右；以及适温延伸，温度在75℃左右。对于PCR 仪的研究，国外相对于国内起步更早，进程也更快，国内现有的PCR 仪在温度控制上很难达到理想指标。基于此，本文研究设计了一款温控速度快，同时精确度高的PCR 仪。

1 系统的构建

整个系统的构建如图1所示，主要包括五大组成部分，即DSP、驱动电路、主控电路、半导体加热制冷片和温度传感电路。此温度控制系统先利用DSP 主控电路生产出的信号对PWM 方波进行调节,与此同时,再驱动电路对光电和功率进行调节,然后再借助半导体调控温度的冷热程度。接着，利用温度传感电路将温度数值转换成电压信号，并通过DSP 内部转换模块ADC 形成数字量。最后，再由PID 算法来分析温度数字量，从而反馈调节PWM 方波，最终实现温度的精确控制。而温度数据还经SCI 反馈至上位机，形成实时监测[1]。

2 系统的硬件设计

2.1 DSP主控电路

系统主控芯片选取TI 公司生产研发的型号为TMS320F2812的32 位定点DSP 芯片。该芯片最高频率可达150MHz，运用的是CMOS 技术，同时该芯片中包含有128K×16 位的Flash 和EVA、EVB 两个事件管理器，可以同一时间释放多组PWM 波，并且该芯片还包含有12 位的ADC 模块、45 个外部扩展中断以及多数据传输接口，如SCI、SPI 和CAN 等[2]。

2.2 PWM波驱动电路

PWM 波驱动电路由两路控制信号构成，第一路是固定频率以及占比空间可调的PWM 波，第二路则是低电平。一般情况下，3.3V是DSP 所输出的最大值PWM 波，但是半导体片的额定功率却为12V，所以在设计运作的过程中必须要将驱动电路的功率进行扩大。与此同时，为了防止DSP 芯片被放大后的电路功率烧坏，还需要设置光电隔离电路隔离PWM 波。然后利用H 桥功率放大电路放大PWM 波信号，再对电流流向进行调节即可完成对半导体温度片的状态控制，完成实时的冷热调节[3]。

图1：温度控制系统

图2：整体程序流程

图3：A/D 转换模块输出曲线

2.3 半导体加热制冷片

半导体片冷热控制的工作原理在于直流电流的极性改变。具体如下：当N 型与P 型半导体材料组成电偶对时，直流电流会发生一定的能量转移，也就是由N 流向P 过程中接头吸热，出现冷端，而相反电流流向时，接头散热，进而出现热端。整个半导体片的冷热双片分别由N 型与P 型两种碲化铋材料组成，并且以串联的方式连接在电路上。

2.4 温度传感电路

使用高精度铂电阻器（型号：Pt100）作为温度传感器，该温度传感器是一种正向热敏传感器，温度范围介于0～100℃之间，其抗干扰能力和稳定性在众多温度传感器中表现良好。与此同时，为了提升温度测量的精确性，需要应用惠斯通电桥的方式来构建温度传感的有关电路。最后，将一个差分放大器接于电桥的输出接口有利于输出端电压的放大，从而有利于整个电路的高效工作[4]。

在TMS320F2812 芯片下的模数转换模块的输入电压≤3V，因而温度传感电路的输入电压设定为0～3V，同时温度设定在0～100℃之间。与此同时，还需要在半导体片和16 孔铝制反应池中间放置1 个Pt100 型传感器，通过这种方式来精确监控中心点温度，此温度接近等于整个系统的内部温度[5]。

3 软件的开发

3.1 软件系统的构建

软件开发平台可应用Windows 和CCS3.3 等，而初始化子程、A/D 转换子程、通用输入输出 (GPIO)的初始化、PWM 波输出子程、PID 算法子程、串口通信子程等都是软件开发主要系统部分。具体流程图见图2。在软件的开发中，各个子程的主要功能为：软件初始化子程来完成DSP 的启动以及系统时钟等的设置；A/D 转换子程来完成模数转换及其设置；PID 算法子程则是将实际温度与标准温度进行比对，同计算出 PWM 波的方向和占空比；最后PWM 波输出子程则是通过输出多种PWM 波来实现对温度的调控。

3.2 常规PID 算法

常规 PID 算法是控制系统中应用最为普遍的一种自动控制器，其工作形式在于环闭调控系统温度。该算法具有非常多的优势，包括原理简单、使用方便、控制参数独立以及参数对比明显等，基于此，常被广泛应用于温控系统的设计中。

但是在实际的应用过程中，对连续变量的计算还无法实现，所以需要在计算过程中离散化时间变量。采用常规PID 算法计算离散化时间变量，将控制信号u(t)计算出来，再取信号绝对值后，在事件管理器的比较寄存器上调节相应的值，能够对PWM 波的占空比有效控制，从而充分实现温度调节的功能。

4 实验结果

4.1 PWM波输出

PWM 波的输出有两条电路，其中一条频率固定，且占空比可以调节，而另一条则为低电平。通过利用型号为DS1102E 的示波器对这两条电路的PWM 波进行测试发现，系统控制信号中PWM波的频率为1.818kHz，电压为3.3V[6]。

4.2 温度传感电路校准

基于不同温度环境下，对温度传感电路的输出电压进行测量，具体操作步骤如下：将Pt100 温度传感器放置在100℃的水中，然后在水温的下降过程中对电压进行测量，即从96℃开始，每下降2℃测量一次，直到水温降为12℃。测量完毕后依据测量结果绘制相关曲线，并列出电压随温度变化的回归方程：y=0.0271x + 0.3278，其中x 代表温度，y 代表输出电压。最后通过详细分析和计算可以得出该曲线的线性度为0.9963，标准误差为0.00419V，即0.1℃。

4.3 ADC模块的测试

以PCR 反应要求来测试系统温度，具体操作如下：以室温为基准，升温至95℃，再降温至55℃，最后再升温至72℃，并保持好三个温度点的恒温。每个温度点以30s 为一个步骤，且过程循环往复。之后将装有反应模拟试剂的试管放于反应池，同时在试管中放置Pt100 电阻器，再应用A/D 转换模块测量电阻器的输出电压并进行采样，最终依据采样结果绘制相关输出曲线，详见图3。图示表明，该电路输出电压误差为0.001V。

4.4 SCI通信的测试

与PC 机通信采用串口中的 SCI-A 完成，作用是将经过 ADC转换后的温度数据送至PC 机。在通信过程中，针对ADC 转换后的温度数据，使用控制软件接收相应的数据，并对实际温度值进行推算，将其绘制成曲线。保存并分析相应的温度数据，将升温过程中或降温过程中平均的温度变化速率计算出来。研究结果显示：系统能够在温度区间内不断循环，且能恒温保持，温度变化速率为3℃/s，精度为±0.1℃。

5 结论

本文研究的PCR 仪温度控制系统是以DSP 为核心进行设计开发的。整个温控系统的设计中，温度传感电路由惠斯通电桥构成，温度采样由ADC 模块进行，温度控制由PID 算法完成，同时温控主体为半导体冷热片。研究结果显示，该系统具有良好的温度控制作用，能够在设定的温度区间内循环，温度变化速率在3℃/s，并且精度为±0.1℃。系统方案设计具有原理简单、实用性强以及价格低等特点。因此，该系统的研究设计能够为PCR 仪的商品化奠定基础。