張錦杰 鄧 焱 王大千 余興龍

(清華大學精密儀器與機械學系精密測試技術及儀器國家重點實驗室，北京 100084)

0 引言

光學表面等離子共振(surface plasmon resonance，SPR)傳感可以靈敏地感應出金膜表面的折射率變化［1］。只要在金膜表面固定探針(即受體分子)，一旦它與配體分子結合，就會引起折射率變化，即可進行檢測。這種方法具有靈敏度高、實時且無需標記等優(yōu)點［2］，為蛋白質組學研究、藥物發(fā)現(xiàn)與開發(fā)以及臨床診斷所青睞［3］。

如果說SPR傳感是分析儀的靈魂，那么自動控制就是其神經(jīng)系統(tǒng)。傳感器只能將被測物理量轉換成可獲取的信號，如要保證檢測精度和儀器的協(xié)調(diào)運行，則必須依靠自動控制系統(tǒng)。本文針對所設計的分析儀具有實時性強、精度高、保障環(huán)節(jié)多、流程控制嚴格和樣本定量準確等特點，利用CAN總線技術以及“反饋”和“強制”命令方式，將VC2008作為控制軟件開發(fā)平臺進行分層設計，采用等步和等時間離散加速度曲線法，分別控制盤庫和波片機構的驅動電機，并運用數(shù)字PID穩(wěn)定控制流體池的溫度和對CCD可靠制冷。試驗表明，這些設計保證了分析儀的性能指標和功能的實現(xiàn)。

1 控制系統(tǒng)總體結構

分析儀由SPR傳感、微流體和自動進樣3個系統(tǒng)組成，各系統(tǒng)還可按功能分為不同的模塊。控制系統(tǒng)的總體硬件設計如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)總體硬件設計Fig.1 Architecture of the control system

SPR傳感系統(tǒng)是分析儀的核心，檢測信號源于該系統(tǒng)，其指標直接決定儀器的性能。在此，必須保證激光器控溫模塊控溫精度在0.1 K，伺服控制模塊的角度重復定位精度達到10″，且需要由制冷模塊對CCD進行可靠制冷，以降低讀出噪聲。自動進樣系統(tǒng)的功能是按設計流程，將試劑和樣品等依次、定量地注入到微流體系統(tǒng)中，且要求具有時序和微量控制能力。微流體系統(tǒng)不僅要保證按時序控制不同的樣本或試劑流過傳感面，而且要確保流速一致。為了實現(xiàn)分析儀的全自動操作，還需在各系統(tǒng)、各模塊之間按照一定的時序進行動作協(xié)調(diào)。這就要求控制系統(tǒng)具有協(xié)調(diào)控制各個模塊的能力。

計算機既需要檢測各個模塊硬件的狀態(tài)，又要根據(jù)試驗流程對各個模塊進行協(xié)調(diào)控制。為了便于根據(jù)實際需要進行模塊擴展，控制系統(tǒng)采用了現(xiàn)場總線的CAN總線技術。這是一種多主方式的串行通信總線，采用報文標志符濾波和非破壞的總線仲裁技術，實現(xiàn)點對點、一點對多點和全局廣播的通信［4］，以減輕上位機控制軟件的負擔，并易于進行節(jié)點擴展。同時，它還具有出錯自動重發(fā)和高抗電磁干擾特性，能抑制使用交流伺服電機后可能產(chǎn)生的干擾。圖2所示為控制系統(tǒng)的硬件拓撲結構，儀器的每個控制模塊都是一個CAN節(jié)點，它通過總線與USB轉CAN通信模塊同上位機連接。上位機通過USB總線將數(shù)據(jù)命令傳遞給通信模塊，通信模塊負責把USB格式命令轉換成CAN報文格式，再傳遞給底層的各個模塊。此外，上位機的控制軟件實現(xiàn)對底層各個模塊硬件狀態(tài)的檢測和控制，并按照生物試驗流程對儀器進行自動控制。

圖2 控制系統(tǒng)的硬件拓撲結構Fig.2 Hardware toplogy of the control system

1.1 OSB轉CAN通信模塊

通信模塊采用LPC2368單片機，內(nèi)含2個CAN口和1個USB口。它與TI公司的SN65HVD230CAN收發(fā)器一起，組成CAN通信節(jié)點［5］，程序框架如圖3所示。程序將AHB1總線上的8 kB SRAM分成2個4 kB的循環(huán)FIFO。其中一個用作USB的輸入緩沖區(qū)，用IN_START_ADDR和IN_END_ADDR分別標志緩沖區(qū)的頭和尾;另一個用作USB的輸出緩沖區(qū)，用OUT_START_ADDR和OUT_END_ADDR分別標志此緩沖區(qū)的頭和尾。整個程序由中斷來驅動，當CAN的“接收中斷”產(chǎn)生時，先將CAN數(shù)據(jù)的格式轉換，再存入輸入緩沖區(qū)。當USB產(chǎn)生“輸入中斷”時，從輸入緩沖區(qū)提取數(shù)據(jù)并發(fā)送給上位機;輸出緩沖區(qū)的操作過程與之相反。交替執(zhí)行這一過程，便完成了USB與CAN的通信。

圖3 USB轉CAN通信模塊程序框圖Fig.3 Program flowchart of USB to CAN communication module

1.2 進樣機構與伺服控制模塊

自動進樣機構控制模塊主要是對盤庫和固定進樣針懸臂的步進電機進行控制，尤其是控制盤庫的精確定位。盤庫中存儲了多種樣本，要保證進樣針能正確地吸取所需樣本，必須控制盤庫準確地轉到對應的位置上。伺服系統(tǒng)控制模塊控制波片機構中的兩塊波片交替出現(xiàn)在光路中，實現(xiàn)光的時域相位調(diào)制。

執(zhí)行元件選用松下交流伺服電機MSMD5AZS1U，其備有17位編碼器，重復定位精度為±1位，即10″，需在0.2 s內(nèi)完成定位。步進電機和伺服電機都采用“控制卡+驅動器+電機”的控制方式，需對步進脈沖進行控制［6－7］。脈沖輸出采用 STM32F103C6單片機加三極管集電極輸出，與SN65HVD-230CAN收發(fā)器一起，組成CAN通信節(jié)點與總線相連。

盤庫轉動較慢，小于15 r/min時，其加減速控制方式采用如圖4(a)所示的等步離散加速度曲線法，加減速過程按等步距計算脈沖發(fā)送頻率，保證啟停平穩(wěn)準確。伺服電機轉動速度較高，達到120 r/min時，采用如圖4(b)所示的等時間離散加速曲線法，加速過程按等時間分成若干個階段，每階段計算脈沖發(fā)送頻率，獲得較粗劃分，提高效率。

圖4 線性加減速離散化曲線Fig.4 Discrete curves of the linear acceleration and deceleration

伺服控制模塊定位控制結果如圖5所示。

圖5 定位控制的實測圖Fig.5 Measured diagram for positioning control

伺服電機控制固定在玻片承載機構上的兩塊波片交替定位在光路中，實現(xiàn)光的時域調(diào)制。具體執(zhí)行過程是先正轉33°，再正轉33°，然后反轉66°回到原位，這就完成1個周期。根據(jù)檢測需要，可連續(xù)運行。從圖5中可知:①控制模塊實現(xiàn)了脈沖輸出的線性加減速控制;②正轉33°所需定位時間(位置偏差小于1個脈沖，相當于只用10″)不大于 0.12 s;反轉 66°所需定位時間不大于0.18 s，滿足控制要求。自動進樣機構控制模塊步進脈沖控制方式與此類似，不再贅述。

1.3 控溫模塊

系統(tǒng)涉及的控溫模塊有激光器、流體池的控溫模塊和CCD制冷溫控模塊，其控溫原理如圖6所示。

圖6 控溫模塊原理圖Fig.6 Principle of temperature control module

系統(tǒng)采用熱敏電阻、標準電阻和數(shù)模轉換器DAC1提供的參考電壓構成電橋。熱敏電阻將溫度變化轉化為電信號，與參考電壓比較后經(jīng)差分放大、信號調(diào)理和模數(shù)轉換后送入單片機進行PID運算，運算結果經(jīng)DAC2數(shù)模轉換和功率放大后驅動半導體制冷器TEC，對激光器與微流體池進行控溫。為了減小系統(tǒng)的電壓漂移，用基準電壓源芯片來提供電橋和數(shù)模轉換器的參考電壓。采用的主要芯片為ADμC7026和MAX1968。實測達到的控溫精度為0.1 K，控溫范圍為15～37℃，滿足了系統(tǒng)要求。

2 通信協(xié)議

計算機通過發(fā)送各種“命令”，對底層各個模塊的硬件狀態(tài)進行檢測和控制。命令格式如圖7所示。每條命令包含1個字節(jié)的標志碼、1個字節(jié)的指令碼和最多8個字節(jié)的數(shù)據(jù)段，標志碼中有4 bit的數(shù)據(jù)長度碼和4 bit的地址碼，指令碼中只有3 bit的指令類型碼和4 bit的功能碼。命令格式與11 bit的CAN報文標識符的轉換如圖7(d)所示。

圖7 命令格式Fig.7 Command format

3 時序控制

為實現(xiàn)按動作時序對各個模塊進行控制，將命令分為“反饋命令”和“強制命令”。命令總是由上位機發(fā)出“請求”，模塊接收到命令后，執(zhí)行相應動作。如果是“反饋命令”，則在動作完成后，向計算機發(fā)送“響應”;如果是“強制命令”則無需通知上位機，即沒有“響應”。

以包含開機自檢、儀器初始化、試驗和試驗結束等4個部分的典型試驗流程為例，介紹如何實現(xiàn)動作時序控制。

模塊遇到反饋命令或相應的“響應”時，直接向總線發(fā)送相應命令;遇到強制命令時，等待硬件設備發(fā)送響應命令，確認收到后，再處理下一條命令。只要合理地設置命令流，便可按照試驗流程對儀器進行控制。命令流需遵守一條原則:屬于同一硬件設備的“反饋命令”，只能在上一條“反饋命令”處理結束后才能被發(fā)送。

4 計算機控制軟件設計

控制軟件采用VC2008作為開發(fā)平臺，其程序流程如圖8所示。

圖8 計算機控制軟件流程圖Fig.8 Flowchart of the computer control software

程序啟動后，儀器自檢，檢查底層各個模塊的工作狀態(tài)，若無異常，則正常執(zhí)行程序。程序結構分為用戶、自動控制和圖像采集與處理3層。其中，用戶層是上層，可以通過手動模式調(diào)用常用的溫度、進樣和取樣設定等功能;同時，也可使用自動模式，通過設定流速、溫度、進樣方式、樣品和循環(huán)次數(shù)等，自動生成儀器的控制命令流，進行生物試驗。自動控制及圖像采集與處理層為下層，前者使用預設的命令流模板，根據(jù)用戶設定的參數(shù)自動生成命令流，通過“命令發(fā)送邏輯”，實現(xiàn)對底層各個模塊的時序控制;后者則專門處理CCD采集的圖像數(shù)據(jù)，并提供顯示和后處理功能，解算出生物反應的動力學參數(shù)等。

圖9展示了用于SPR傳感生物分子相互作用分析儀的控制軟件界面。主程序界面的工作區(qū)顯示CCD采集的數(shù)據(jù)圖像，下部的狀態(tài)面板顯示流速、溫度以及事件報告，應用程序向導提供給用戶自動模式功能。自定義命令流用于生成命令流模板和自定義動作時序，也可直接用于各個模塊之間的聯(lián)調(diào)。

圖9 計算機控制軟件界面Fig.9 Interface of the computer control software

5 結束語

本文詳細介紹了基于時間相位調(diào)制SPR生物分子相互作用分析儀的控制系統(tǒng)設計，包括主要硬件模塊和計算機控制軟件的設計。試驗結果表明，利用CAN總線技術對儀器底層各個模塊進行分布式控制，靈活緊湊;采用等步距和等時間離散加速度曲線法，分別控制盤庫和波片機構的驅動電機，敏捷精密;采用數(shù)字PID控制SPR傳感單元的溫度和制冷CCD，穩(wěn)定可靠，精度達0.1 K;采用“反饋”和“強制”命令方式，實現(xiàn)按動作時序對各個模塊進行控制，協(xié)調(diào)準確;采用VC2008作為控制軟件開發(fā)平臺，將程序結構分為用戶、自動控制以及圖像采集與處理3層，簡單靈活。這些設計保證了分析儀的性能指標和功能實現(xiàn)，滿足用戶的操作要求。

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