生物芯片反應(yīng)儀控制系統(tǒng)的設(shè)計

蔡錦達(dá)，何軍湘，宋韞崢，趙國初

CAI Jin-da, HE Jun-xiang, SONG Yun-zheng, ZHAO Guo-chu

（上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

生物芯片反應(yīng)儀是一種用于臨床醫(yī)學(xué)的設(shè)備，其具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、振動噪聲小、振動頻率范圍大等特點(diǎn)。它集反應(yīng)、清洗功能于一體，主要完成以下功能：樣品的振動反應(yīng)、反應(yīng)殘留物的清洗、反應(yīng)效果檢測等。

1 反應(yīng)儀的結(jié)構(gòu)和工作原理

生物芯片反應(yīng)儀的結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要組成部分有：反應(yīng)機(jī)構(gòu)和清洗機(jī)構(gòu)。

圖1 反應(yīng)儀裝配圖

清洗移動采用步進(jìn)電機(jī)帶動滾珠絲桿進(jìn)行傳動，可以保證良好的位置精度，而振動反應(yīng)則采用直流電機(jī)帶動偏心機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動的方式來進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，通過調(diào)節(jié)電機(jī)的速度而調(diào)節(jié)振動頻率。未進(jìn)入反應(yīng)箱之前彈簧處于預(yù)壓狀態(tài)，使載物臺下側(cè)的檔塊緊貼著支撐架右側(cè)，以保證載物臺與支撐架無相對位移，載物臺跟隨支撐架通過滾珠絲杠將步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動；在進(jìn)入反應(yīng)箱后，步進(jìn)電機(jī)不再轉(zhuǎn)動，此時載物臺的右側(cè)已頂住頂桿，使左側(cè)彈簧的受力狀態(tài)開始發(fā)生變化，當(dāng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動凸輪轉(zhuǎn)動時，彈簧從預(yù)壓狀態(tài)繼續(xù)進(jìn)行壓縮，周而復(fù)始變化，使載物臺發(fā)生振動；振動結(jié)束后，支撐架通過滾珠絲桿轉(zhuǎn)動離開反應(yīng)箱，載物臺脫離頂桿，彈簧再次回到預(yù)壓狀態(tài)，并由步進(jìn)電機(jī)帶動芯片進(jìn)入清洗狀態(tài)。

2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)組成及PLC的I/O端口分配

表1 PLC的 I/O分配表

生物芯片反應(yīng)儀需要人機(jī)交互，其控制系統(tǒng)以觸摸屏為上位機(jī)，以控制核心PLC為下位機(jī)，兩者之間采用RS-232進(jìn)行通訊。其執(zhí)行機(jī)構(gòu)有步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)帶動的偏心振動機(jī)構(gòu)等。根據(jù)控制要求，選用松下FP0-C32T型PLC，16點(diǎn)直流輸入，16點(diǎn)晶體管輸出，其I/O端口分配如表1所示。

2.2 反應(yīng)儀的流程及控制要求

2.2.1 工藝流程

依據(jù)設(shè)備功能要求，繪制反應(yīng)儀工作的工藝流程如圖2所示。

圖2 工藝流程圖

生物芯片反應(yīng)儀在開機(jī)后先初始化，包括：管路的清洗、反應(yīng)箱的加熱、針頭復(fù)位回零；初始化后就是蛋白芯片的振動反應(yīng)及反應(yīng)后清洗；最后是蛋白芯片信息的檢測及存儲和信息對比。各種參數(shù)在沒開始工作前根據(jù)生物芯片就已設(shè)定好。

2.2.2 控制要求

反應(yīng)儀自動控制系統(tǒng)中有三個重要組成部分：第一是清洗針頭的精確定位，使用步進(jìn)電機(jī)控制。首先選取合適的步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角，然后運(yùn)用細(xì)分技術(shù)對步進(jìn)角進(jìn)行細(xì)分，可以使定位精度達(dá)到很高的要求。此外，兩路清洗針頭各自左或右運(yùn)動是由兩個步進(jìn)電機(jī)同步動作實(shí)現(xiàn)控制的，其由一路脈沖輸出控制；第二是直流電機(jī)調(diào)速，使用PLC自帶的PWM方式進(jìn)行控制。其具有調(diào)速范圍寬廣，調(diào)速特性平滑，及很好的回轉(zhuǎn)特性和輸出效率等特點(diǎn)，可以很好的滿足反應(yīng)儀對振動頻率的設(shè)計要求；第三是反應(yīng)箱的溫度控制，使用溫控儀（PID）進(jìn)行控制。PLC通過RS-485與溫控儀進(jìn)行通訊，設(shè)定控制溫度并讀取當(dāng)前溫度值存儲到數(shù)據(jù)寄存器中，而觸摸屏又通過RS-232通訊方式讀取和更改PLC的寄存器數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)了溫度的設(shè)置、更改和實(shí)時監(jiān)控。

生物芯片反應(yīng)儀的控制為自動控制，其控制流程如下：開機(jī)上電接通X0初始化，加液泵與吸液泵工作沖洗管路（沖洗時間、次數(shù)可由觸摸屏設(shè)定），反應(yīng)箱進(jìn)行加熱（PID調(diào)節(jié)），左右針頭回到左右零位和上零位；初始化后觀察溫度達(dá)到預(yù)先設(shè)定的值，放入蛋白芯片，接通X1開始工作，直流電機(jī)帶動偏心機(jī)構(gòu)振動反應(yīng)（振動頻率、時間可調(diào)）；反應(yīng)后，載物臺退出反應(yīng)箱進(jìn)入清洗狀態(tài)，步進(jìn)電機(jī)通過脈沖數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確定位；最后就是蛋白芯片的信息檢測和管理。此外，在控制系統(tǒng)中設(shè)有暫停和急停按鈕，無論何種狀態(tài)按下暫停可以使系統(tǒng)暫停運(yùn)行，再按可繼續(xù)運(yùn)行。而按下急停按鈕后，整個系統(tǒng)所有設(shè)備停止運(yùn)行，斷開電路。截取的部分梯形圖如圖3所示。

2.3 觸摸屏系統(tǒng)管理

圖3 部分程序梯形圖

觸摸屏作為上位機(jī)，需要對系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行管理和設(shè)定，如管路清洗時間、反應(yīng)時間和溫度、針頭清洗次數(shù)和定位脈沖數(shù)等。觸摸屏的另一個功能是芯片信息的管理。對反應(yīng)后的生物芯片進(jìn)行反應(yīng)效果檢測等，獲得樣品大量的生物信息，這些信息需要存儲在觸摸屏內(nèi)，并且反應(yīng)儀需要對各種肝炎病毒和腫瘤相關(guān)的標(biāo)志物等進(jìn)行對比檢測，因此它們的信息也要存儲到觸摸屏中。

3 結(jié)束語

該生物芯片反應(yīng)儀控制系統(tǒng)較復(fù)雜，主要體現(xiàn)在反應(yīng)箱的溫度控制、清洗的定位控制、以及與觸摸屏連接實(shí)現(xiàn)對參數(shù)的控制修改等。運(yùn)用PLC控制其完成各種規(guī)定的工序動作,實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)儀的自動化，提高了工作效率。該生物芯片反應(yīng)儀著重解決了蛋白質(zhì)芯片的高效反應(yīng)和清洗減少殘留物的問題，在整個改進(jìn)設(shè)計和分析探討過程中注意了環(huán)保和安全系統(tǒng)設(shè)計理念，對于我國生物芯片技術(shù)的臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化道路發(fā)展具有重大意義。

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