基于嵌入式的DPCR儀溫度控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

張 峰，劉述喜

(重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,重慶 400054)

?

基于嵌入式的DPCR儀溫度控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

張 峰，劉述喜

(重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,重慶 400054)

為了滿足第三代PCR對于DNA檢測高靈敏度、高精確度、高靈活度的需求，設(shè)計(jì)了一套基于嵌入式的數(shù)字PCR溫度檢測與控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的硬件部分主要由新一代高性能的數(shù)字信號控制器STM32F407芯片主控，由半導(dǎo)體加熱制冷模塊、溫度檢測與轉(zhuǎn)換模塊、USB高速數(shù)據(jù)傳輸模塊等組成。軟件部分主要包括上位機(jī)軟件和高精度的溫度控制程序，該溫度控制程序基于多模態(tài)模糊PID控制算法，能得到比一般的PID控制算法更為精確的動態(tài)性能，避免一般PID算法升降溫過程超調(diào)量較大、震蕩時間長等問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)的最高升溫速率能達(dá)到4 ℃/s，最高降溫速率能達(dá)到3 ℃/s，控溫精度為 0.2 ℃，能滿足數(shù)字PCR儀對升降溫速率以及精度的要求。

數(shù)字PCR；嵌入式系統(tǒng)；溫度控制；多模態(tài)模糊PID

PCR(polymerize chain reaction，聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng))是基因工程中的一個重要環(huán)節(jié)，又稱為無細(xì)胞分子克隆或特異性DNA序列體外引物定向酶促擴(kuò)增技術(shù)。PCR自問世以來，作為一種主要的核酸擴(kuò)增復(fù)制手段，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到生命科學(xué)相關(guān)的各個學(xué)科領(lǐng)域中，并給基因相關(guān)研究帶來了深刻的影響[1]。溫度循環(huán)是所有PCR的基礎(chǔ)，PCR熱循環(huán)儀性能對于正常的研究具有至關(guān)重要的作用。數(shù)字PCR(digital PCR)技術(shù)是目前最先進(jìn)的第三代PCR技術(shù)[2-3]。其通過高度稀釋檢測和概率統(tǒng)計(jì)反演計(jì)算實(shí)現(xiàn)核酸的絕對定量檢測,關(guān)鍵技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)溫度的高精度控制。由于國內(nèi)現(xiàn)有PCR儀的主要性能指標(biāo)如升降溫速率和控溫精度都要低于國外相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，而購買外國的PCR儀需要支付高額的專利使用費(fèi)用,為此，本文設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)字信號控制器的數(shù)字PCR儀高精度溫度控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。整個系統(tǒng)由高性能數(shù)字信號控制器STM32F407芯片主控，包括溫度檢測與轉(zhuǎn)換模塊、半導(dǎo)體加熱制冷模塊、USB高速數(shù)據(jù)傳輸模塊、液晶觸摸屏顯示模塊和溫度提示和報(bào)警模塊。

1.1 數(shù)字信號控制器STM32F407

STM32F407基于先進(jìn)的Cortex-M4內(nèi)核，浮點(diǎn)運(yùn)算能力和DSP處理指令得到增強(qiáng)。STM32F407具有高達(dá)1 M字節(jié)以上的片上閃存和196 K字節(jié)的內(nèi)嵌SRAM，CPU運(yùn)行速度快，能處理大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)。STM32F407新增2個USB高速OTG接口，方便大量數(shù)據(jù)的及時傳輸與轉(zhuǎn)移。3個12位、24個通道的ADC模塊和多達(dá)240個喚醒中斷能滿足高精度A/D轉(zhuǎn)換要求。另外還具有如SPI、I2S、I2C、以太網(wǎng)、IEEE1588v2、CAN總線等多種通信接口。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 溫度檢測與轉(zhuǎn)換模塊

溫度檢測與轉(zhuǎn)換模塊在PCR熱循環(huán)儀的整個熱循環(huán)周期中起著至關(guān)重要的作用，它是整個閉環(huán)系統(tǒng)的核心處理部分，用來對PCR儀反應(yīng)室的溫度變化情況進(jìn)行實(shí)時在線檢測。溫度檢測閉環(huán)系統(tǒng)的原理如圖2所示。

圖2 溫度檢測閉環(huán)系統(tǒng)的原理

該模塊的核心元器件就是溫度傳感器。普通PCR儀由于采用的溫度傳感器精度較低且響應(yīng)速度較慢，不能滿足目前控溫精度要求較高的第三代數(shù)字PCR儀的控溫需求[5]。為了提高實(shí)驗(yàn)精度和實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確度，本研究采用一種高精度熱敏電阻為溫度傳感器。熱敏電阻溫度檢測電路如圖3所示。該溫度傳感器采用四線制工作方式，其測溫精度為0.01 ℃。四線制傳感器要求引出的4根導(dǎo)線截面積和長度均相等，這樣能消除配線電阻對溫度采樣精度的影響。為了獲得反應(yīng)試管內(nèi)較為真實(shí)的溫度和較高的控制精度，應(yīng)盡量減小熱阻，為此，采用接觸式測溫方法，即將熱敏電阻緊貼在金屬加熱模塊上，并且采用多個傳感器同時測量(在反應(yīng)室的不同位置安裝多個傳感器)。由于采用了多個熱敏電阻分別測量不同位置的溫度信號，故需要同時采集多路溫度信息。采用的主控芯片STM32F407含有3個12位、24通道的ADC模塊，能滿足多通道溫度采集的需求。并且對采集到的多個傳感器數(shù)據(jù)采用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)進(jìn)行處理[6-7]。

圖3 熱敏電阻溫度檢測電路

1.3 半導(dǎo)體加熱制冷模塊

由于PCR儀是一個溫度“上升—下降—再上升”的熱循環(huán)過程，通過加熱并冷卻半導(dǎo)體加熱制冷模塊完成PCR反應(yīng)的各個步驟，比如變性、退火和延伸。這些半導(dǎo)體加熱/冷卻元件在電路中通常是以串聯(lián)形式連結(jié)組成并置于金屬加熱模塊的底部，上面附著有多個熱敏電阻溫度傳感器。這些傳感器是電流換能型元件,采用直流電流驅(qū)動的工作方式[8]。通過改變電流大小可調(diào)節(jié)制冷加熱效率,改變電流方向來切換不同的工作狀態(tài)，即加熱狀態(tài)或制冷狀態(tài)。降溫的時候,因?yàn)榉磻?yīng)試管與基座、基座與金屬加熱模塊之間存在一定的熱傳導(dǎo)效應(yīng)，為了盡量減少熱傳導(dǎo)效應(yīng)對制冷效果的影響，加裝了1個散熱裝置來輔助降溫。此散熱裝置包括小型風(fēng)扇和1個散熱片。風(fēng)扇用小型電機(jī)來驅(qū)動。PCR儀加熱模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 PCR儀加熱模塊結(jié)構(gòu)

1.4 半導(dǎo)體驅(qū)動電路模塊

半導(dǎo)體加熱制冷片在運(yùn)行時需要隨時切換電流的大小及方向，因此設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)尿?qū)動電路是系統(tǒng)正常穩(wěn)定工作的保證[9]。半導(dǎo)體模塊驅(qū)動電路采用帶芯片驅(qū)動的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)H橋式驅(qū)動電路。IGBT是一種復(fù)合全控電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件，由雙極型三極管和絕緣柵型場效應(yīng)管組成，具有輸入阻抗高、導(dǎo)通壓降低、功率增益高、噪聲低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，目前應(yīng)用廣范。主控芯片根據(jù)當(dāng)前溫度產(chǎn)生PWM信號，該信號經(jīng)H橋式驅(qū)動電路控制IGBT有規(guī)律地關(guān)斷或?qū)▉砜刂萍訜嶂评淦瓜到y(tǒng)加熱或制冷，直至溫度達(dá)到設(shè)定值。通常情況下驅(qū)動電路和控制電路在電位上會相互影響，為了保證控溫精度和整個系統(tǒng)的安全性，應(yīng)該將二者嚴(yán)格隔離，采用的技術(shù)手段是加裝隔離裝置(如高速光耦合隔離器、變壓器耦合隔離器)。本研究采用高速光耦合隔離方式對主電路與控制電路進(jìn)行隔離。

1.5 系統(tǒng)功能

主控芯片產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號送入電路的信號控制端。該信號經(jīng)過光電耦合器控制IGBT的開關(guān)狀態(tài)，并作用于加熱制冷片。熱敏電阻構(gòu)成的測溫電路實(shí)時檢測反應(yīng)室內(nèi)的溫度，并將溫度信號轉(zhuǎn)換為電壓信號進(jìn)行輸出。此電壓信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊后，由模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，并進(jìn)行多模態(tài)模糊PID算法，然后通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比以達(dá)到控溫的目的。升溫時，半導(dǎo)體加熱制冷片以最大功率工作；降溫時，啟動風(fēng)扇進(jìn)行輔助降溫。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件系統(tǒng)的組成

軟件系統(tǒng)主要包括以下幾個主要部分：① 系統(tǒng)初始化子程序；② A/D轉(zhuǎn)換子程序；③ 多模態(tài)模糊PID算法控制子程序；④ PWM波輸出控制子程序；⑤ USB數(shù)據(jù)通信子程序。

整個軟件系統(tǒng)流程如圖5所示。系統(tǒng)初始化子程序主要是對主控芯片的系統(tǒng)時鐘、GPIO口的輸入輸出方式、DSP處理指令等進(jìn)行必要的配置。A/D轉(zhuǎn)換子程序的功能是對ADC模塊的選擇、 A/D轉(zhuǎn)換模塊的觸發(fā)方式、采樣通道數(shù)進(jìn)行配置。多模態(tài)模糊PID算法控制子程序的功能是把設(shè)定的溫度值與當(dāng)前檢測的溫度值進(jìn)行比較，計(jì)算出PWM波的方向和占空比。PWM波輸出控制子程序完成對半導(dǎo)體加熱制冷片的工作模式的選擇與控制，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)溫度的多模態(tài)控制。USB數(shù)據(jù)通信子程序則實(shí)現(xiàn)主控芯片與PC機(jī)的實(shí)時通信[10]。主控芯片接收PC端的控制指令，完成相應(yīng)的功能，并將溫度采集電路采集到的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)USB總線上傳到PC端進(jìn)行實(shí)時顯示。

圖5 軟件系統(tǒng)流程

2.2 多模態(tài)模糊PID控制算法

多模態(tài)模糊PID控制算法是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和智能控制的發(fā)展而出現(xiàn)的一種的新的控制算法。該算法融合了PID算法的強(qiáng)魯棒性和高穩(wěn)定性以及結(jié)構(gòu)簡單和適應(yīng)性廣的優(yōu)點(diǎn)，最早應(yīng)用在電機(jī)的伺服運(yùn)動控制系統(tǒng)中，被證明具有良好的控制性能，穩(wěn)定性高，適應(yīng)性好。特別是在一些非線性系統(tǒng)中優(yōu)于傳統(tǒng)PID算法、改進(jìn)的傳統(tǒng)PID算法。本研究將其應(yīng)用在PCR儀溫度控制系統(tǒng)中。根據(jù)PCR儀當(dāng)前的溫度狀態(tài)，分階段切換多模式控制方式[11-12]。

常規(guī)的PID控制算法的表達(dá)式為[13-14]：

(1)

其中：y(t)為控制信號；e(t)為系統(tǒng)偏差；kp為比例系數(shù)；ki為積分系數(shù)；kd為微分系數(shù)。

通常情況下，將常規(guī)的PID控制算法的表達(dá)式轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)能識別的離散表達(dá)方式：

(2)

由式(2)可得n-1時刻的輸出表達(dá)式為：

(3)

將式(2)減去式(3)可得增量式PID算法輸出表達(dá)式為：

(Δy(n)=kp[e(n)-e(n-1)]+kie(n)+

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

(4)

從上述表達(dá)式可以看出：與輸出量有關(guān)系的變量有偏差e以及偏差變化率Δe。在多模態(tài)模糊PID控制器中將二者經(jīng)模糊化處理后，作為控制器的輸入，然后通過既定的模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理得到模糊輸出量，再經(jīng)過反模糊化分別得到控制器的3個參數(shù)的增量Δkp，Δki，Δkd輸出，則kp，ki，kd三個控制器參數(shù)就可以根據(jù)增量實(shí)時調(diào)整，即多模態(tài)模糊PID的3個參數(shù)值是根據(jù)系統(tǒng)輸出量的變化而變化的。

根據(jù)變量的變化范圍確定各輸入變量的基本論域分別為:[-94，94]，[-4，4]，[-0.002，0.002]，[-0.0007，0.0007]，[-0.004，0.004]。對應(yīng)的論域即模糊子集全部定義為{ 最小，小，較小，零，較大，大，最大}。

這樣，根據(jù)e和Δe值的不同，將采用不同的模糊PID參數(shù)，因此必須考慮不同階段3個參數(shù)之間的耦合關(guān)系。各個參數(shù)的調(diào)節(jié)規(guī)律如下：

1) 初始升降溫階段。e較大時，為加快響應(yīng)速度，縮短反應(yīng)時間，取較大的kp和較小的kd，同時為了防止積分飽和，避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)盡量減小ki。在此階段采用積分分離模糊PID算法[13]。

2) 中間階段。當(dāng)e和Δe為中等大小，為使系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)減少，應(yīng)取較小的ki值，kp和kd值的大小要適中，以保證系統(tǒng)響應(yīng)速度。

3) 溫度接近設(shè)定值階段。當(dāng)e和Δe較小時，為了獲得系統(tǒng)良好的穩(wěn)態(tài)性能，此時增大kp和ki的值，同時為避免輸出值在設(shè)定值附近產(chǎn)生波動，并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，適當(dāng)選取kd值。在此階段采用不完全微分模糊PID算法[15]。

此種形式的控制算法可以隨時切換不同的控制模式，根據(jù)不同階段PCR儀對溫度精度、反應(yīng)時間、偏差和偏差變化率的大小，采取不同的控制方式，采用不同的PID控制參數(shù)，這樣既能保證PCR各個階段實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，又能節(jié)省大量的實(shí)驗(yàn)時間,大大提高了實(shí)驗(yàn)效率，實(shí)現(xiàn)真正的多狀態(tài)、多模式控制。

多模態(tài)模糊PID控制算法流程如圖6所示。

圖6 多模態(tài)模糊PID算法流程

3 實(shí)際測試結(jié)果分析

運(yùn)用PCR儀進(jìn)行了一系列的升降溫實(shí)驗(yàn)，以此來驗(yàn)證其升降溫速率和溫控精度。將室溫設(shè)置為起始溫度，從室溫升到95 ℃，并保持95 ℃恒溫一段時間，時間的長短決定了反應(yīng)物是否充分變性；再從95℃下降到55 ℃，繼續(xù)保持55 ℃恒溫一段時間，此退火過程是PCR反應(yīng)過程中比較重要的一個階段；再從55 ℃升溫到75 ℃，保持75 ℃ 恒溫，延伸過程是否成功是整個PCR反應(yīng)過程能否成功的關(guān)鍵。按照此步驟循環(huán)30～40次。整個反應(yīng)過程中A/D轉(zhuǎn)換模塊實(shí)時采集溫度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)USB通信接口傳送至上位機(jī)端，利用編寫的繪圖軟件程序保存實(shí)時溫度數(shù)據(jù)并實(shí)時顯示溫度曲線。將實(shí)時采集到的多組溫度數(shù)據(jù)剔除無效數(shù)據(jù)之后做平均值處理得到的數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)數(shù)據(jù)繪制的系統(tǒng)溫度曲線如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)溫度曲線表1 升降溫速率

起始溫度/℃終止溫度/℃設(shè)定溫度/℃使用時間/s升降溫速率/(℃·s-1)溫控精度/℃25.21595.1149516.894.13850.11494.79055.1965510.563.74940.19655.05475.139754.864.13270.139

3.1 升降溫速率和溫控精度分析

實(shí)際測試過程中，觀察到2個升溫階段。變性和延伸階段的升溫速率平均保持在4.13 ℃/s左右，符合既定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。在退火階段，降溫速率達(dá)到了3.749 4 ℃/s，比設(shè)計(jì)值提高了25%，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。升降溫之初，溫差較大，之后隨著溫度的升高，溫差變得越來越小，直到穩(wěn)定在0.2 ℃之內(nèi)。儀器整體平均溫控精度為 0.149 ℃，符合系統(tǒng)設(shè)定的性能指標(biāo)要求。為了體現(xiàn)其優(yōu)越性，表2列舉了國外幾種不同制造商數(shù)字PCR儀的平均模塊變溫速率(℃/s)。從表2中可以看出：本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果完全滿足數(shù)字PCR儀對升降溫速率以及溫控精度的要求。

表2 升降溫速率對照表

3.2 影響PCR儀溫度控制精度的因素分析

溫度控制的精度直接影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精度和準(zhǔn)確度。因此，在PCR反應(yīng)中溫度能否精確控制成為實(shí)驗(yàn)?zāi)芊癯晒Φ闹匾蛩亍Ｔ谠O(shè)計(jì)過程中，忽略一些次要因素的影響，分析了幾個影響溫控精度的主要因素，比如加熱模塊的結(jié)構(gòu)形式。不同的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了PCR循環(huán)實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量和實(shí)驗(yàn)的快慢。普通的PCR儀通常只有1個金屬加熱模塊，這樣會導(dǎo)致溫度場分布不均勻，系統(tǒng)精度自然就不高。整個系統(tǒng)的靈敏度和準(zhǔn)確度是由溫度傳感器的測溫精度和A/D轉(zhuǎn)換的速度和分辨率決定。溫度傳感器的靈敏度越高，時間常數(shù)越小，系統(tǒng)的精度就越高；A/D轉(zhuǎn)換的速度越快，分辨率越高，系統(tǒng)的靈敏度就越高。溫度控制算法是數(shù)字PCR儀中溫度控制的核心，好的控制算法可以減小升降溫過程超調(diào)量和震蕩時間。以上幾個因素?zé)o論是在硬件電路的設(shè)計(jì)和還是軟件設(shè)計(jì)的過程中必須加以考慮。本研究采取的解決方案為：升降溫電路模塊方面選擇目前最為流行的半導(dǎo)體加熱制冷模塊，該模塊不需要附加任何機(jī)械結(jié)構(gòu)，只需要改變電流的大小和方向就能實(shí)現(xiàn)快速制冷和加熱；溫度傳感器選擇了精度較高的熱敏電阻，不僅反應(yīng)靈敏而且可靠性高[16-17]；轉(zhuǎn)換器必須選用具有較高轉(zhuǎn)換速度和分辨率的芯片，以適應(yīng)快速升降溫和恒溫段控溫精度高的要求；AD轉(zhuǎn)換模塊選擇了主控制器自帶的AD，其轉(zhuǎn)換速度為10 ns，分辨率為12位，滿足要求；在溫度控制算法方面綜合各種算法的優(yōu)點(diǎn)，選擇目前準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、適應(yīng)性等較好的多模態(tài)模糊PID算法，并取得了較好的控溫效果。

4 結(jié)束語

本研究設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式的數(shù)字PCR儀溫度控制系統(tǒng)，采用目前主流的ARM控制器為主控芯片，結(jié)合高精度的溫度控制程序，功能齊全、穩(wěn)定性高、成本較低。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)能在設(shè)定的溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行多次PCR循環(huán),升降溫速率平均能達(dá)到4 ℃/s以上，控溫精度在 0.2 ℃以內(nèi)，而目前市場上主流的數(shù)字PCR儀的最高升溫速率為4 ℃/s，最高降溫速率為3 ℃/s，控溫精度為0.5 ℃之內(nèi)，因此本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果滿足數(shù)字PCR儀對升降溫速率以及溫控精度的要求。最后對影響PCR儀溫度控制精度的影響因素進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的解決方案，可為今后研制精度更高的PCR儀提供參考，具有較大的應(yīng)用價值。

[1] 李春勇.數(shù)字PCR技術(shù)原理及應(yīng)用[J].生物技術(shù)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，燕麗.數(shù)字PCR技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[J].復(fù)旦學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版)，2015，42(6):786-789.

[5] 劉娟榮，陳章立，黃靖，等.基于NTC熱敏電阻的實(shí)時PCR儀數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011，30(3)：114-117.

[6] 陳旭海，張蓬勃，杜民.基于多溫度信息融合的PCR儀[J].信息與控制，2012，41(5)：590-595.

[7] 薛生虎，李東升，葉子宏.基于多傳感器融合技術(shù)的PCR儀溫度校準(zhǔn)系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2011，32(6)：1232-1237.

[8] 石明霞，江小霞，謝志武.基因擴(kuò)增儀溫度控制系統(tǒng)[J].集美大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，18(4)：285- 290.

[9] 何潔，馮繼弘，李開祥.基于DSP的實(shí)時PCR儀溫度控制系統(tǒng)研制[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014，33(5):95-98.

[10]劉小雪，陳科，馮繼弘.PCR儀溫度控制系統(tǒng)的研制[J].北京生物醫(yī)學(xué)工程，2010，29(3)：278-281.

[11]畢雪琴，于美媛.PCR儀模糊自整定PID溫度控制算法的研究[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2013，41(2)：301-303.

[12]向?qū)W輔，周曉華.模糊PID控制算法在轉(zhuǎn)臺伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].兵工自動化，2010，29(2)：42-44.

[13]吳文海,汪節(jié),高麗,等.基于模糊自整定PID的著艦引導(dǎo)控制器設(shè)計(jì)[J].四川兵工學(xué)報(bào),2014(7):71-74.

[14]王博,陳萬強(qiáng),李祥陽.基于模糊自適應(yīng)PID控制的舵機(jī)系統(tǒng)仿真研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)),2015,29(10):52-56.

[15]范書廣，朱靈.用于微流控?zé)晒釶CR高分辨率溫度控制系統(tǒng)[J].大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào)，2015，10(5)：417-424.

[16]王宇松，佟慧艷，張文超.影響PCR儀溫度控制精度的因素分析[J].生命科學(xué)儀器，2007，29(2)：19-23.

[17]陳章立，黃靖，姚英豪.PCR熱循環(huán)系統(tǒng)熱性能影響因素的等效電路研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2011，45(12)：2216-2221.

(責(zé)任編輯 楊黎麗)

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 作者簡介：張峰(1990—)，男，碩士研究生，主要從事電力電子設(shè)備檢測與控制研究，E-mail:815632619@qq.com。

張峰，劉述喜.基于嵌入式的DPCR儀溫度控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，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