PCR儀溫度控制系統的研究與設計

趙鵬博

（鄭州工商學院信息工程學院，河南 鄭州 451400）

聚合酶鏈式反應（Polymerase Chain Reaction，PCR）儀是一種可高效復制DNA 片段的生物醫學設備，廣泛應用于生物基因、臨床檢測等領域，極大地提高了基因研究技術水平。在聚合酶鏈式反應過程中，溫度對生物酶、反應有很大的影響，要求溫度在55 ℃～94 ℃、55 ℃～72 ℃以及72 ℃～94 ℃循環變化，溫度控制系統是PCR 儀的關鍵組成部分，其性能關乎PCR 儀的總體運行性能[1]。當前，國內自主研發的PCR儀的關鍵溫控性能參數（例如溫度變化速率、變化精度）均低于國外同類產品，因此，亟需對PCR 儀溫度控制系統開展深入研究，探索更先進的溫度檢測控制算法。該文設計了一種基于數字信號控制器的PCR 儀溫度控制系統。該系統溫度變化速度為4 ℃/s，精度為±0.1 ℃，可滿足PCR 儀快速、精準控制溫度的要求。

1 系統硬件設計

該文設計的溫度控制系統主要由控制單元、變溫單元、溫度檢測轉換單元、通信單元、驅動電路、PC 機以及電源等部分構成，系統硬件構成如圖1 所示。該系統控制單元采用STM32F407型DSP 作為主控制器，溫度檢測轉換單元采用半導體加熱制冷模塊，通過IR2102 芯片驅動半導體制冷片，通信單元采用USB驅動模塊，數據顯示以及預警采用觸摸屏和蜂鳴器。

1.1 控制模塊設計

1.1.1 主控制器

由圖1 可知，主控制器是溫度控制系統的大腦，主要作用是處理溫度數據，控制變溫模塊的加熱或冷卻功率。目前，應用較多的微控制器主要包括51 系列、PIC 系列、STM32 系列以及MPS430 系列[2]。該系統主控制器采用TI 公司的STM32F407型DSP，該控制器采用CMOS 工藝，最高頻率可達150 MHz。同時，該芯片包括128Kx16 bit flash memory、EVA、EVB、2 個可同時開啟多組PWM 波的事件管理器、1 個12-bitADC 模塊、45 個外部擴展中斷以及各種數據傳輸接口（例如SCI、SPI 以及CAN 等）[3]。

圖1 PCR 儀溫度控制系統硬件構成

1.1.2 電源電路設計

電源是保證主控制器穩定運行的關鍵部件，同時還要配合相應的復位電路、時鐘電路[4]。根據該文選擇的STM32F407 型DSP 芯片設計最小系統，再設計電源電路（圖2）。C5和C7位于正向低壓降穩壓器ASM1117-3.3 的輸入端，主要用于防止電路故障、反向電壓，而C7和C8位于正向低壓降穩壓器ASM1117-3.3 的輸出端，主要用來穩定輸出電壓。

圖2 電源電路

1.1.3 復位模塊

復位模塊的功能是在程序異常且DSP 崩潰時重新啟動程序。常見的復位方法有以下2 種：1）在DSP 內部寫入復位程序，例如主程序出現問題，直接跳轉到復位程序進行重置。2）在DSP 外部連接復位電路。當DSP 主程序崩潰時，可以手動將程序重設為在初始狀態下運行[5]。

1.1.4 時鐘電路

時鐘電路由晶振、電容組成，主要作用是為DSP 提供時鐘，保證DSP 程序的穩定運行，該文的設計選用STM32F407型DSP，相應的晶振為8 MHz，電容為22 pF。

1.2 溫度檢測轉換單元

該單元PCR 儀是實現溫度循環控制的關鍵部分，主要用于實時檢測PCR 儀反應溫度的變化情況，將溫度數據模擬量轉換為數字信號并傳輸給主控制器，為系統進行模糊PID 溫度控制提供必要的輸入信號，對溫度進行循環控制[6]，基本原理如圖3 所示。

圖3 溫度檢測轉換原理

溫度傳感器是溫度檢測轉換單元的關鍵器件。常規PCR儀使用的溫度傳感器測溫誤差較大，且采集速度慢，無法達到數字PCR 儀高精度、高效率的溫度控制要求。為了提高PCR 儀的運行性能，確保PCR 儀的溫度控制精度，該系統采用精度更高的熱敏電阻作為溫度傳感器PT1000，其測溫精度為0.01 ℃，采用四線制運行方式，4 根測溫導線長度、截面積相等，避免導線電阻影響測量精度[7]。為了精準測量PCR反應室內的溫度數據，須盡量降低熱阻，為此，系統采用接觸測溫方式，即在待測件表面貼熱敏電阻，多個傳感器同時測量PCR 反應室內多個位置的溫度數據。STM32F407 自帶的3 個12 位、24 通道的模擬數字轉換器，可以轉換多路溫度信號，并對多路溫度數據進行融合處理。

1.3 A/D 轉換芯片

PT1000 溫度傳感器采集的溫度信號為模擬信號，輸入DSP前需要先將模擬信號轉換為數字信號，以便DSP 存儲和顯示溫度數據[8]。PCR 儀加熱槽的溫度采集范圍為0 ℃～105 ℃，轉換后的電壓信號為0.0 V～3.3 V，因此A/D 分辨率應不低于0.03，A/D 芯片需要滿足以下條件，如公式（1）所示。式中：n為A/D 轉換芯片位數。

通過計算可知，A/D 芯片不低于7 位。同時，溫度測量精度須滿足0.1 ℃，溫度采集范圍為0 ℃～105 ℃。因此，A/D 轉換芯片須滿足溫度測量精度的模數轉換要求。A/D 轉換芯片的位數需要滿足以下條件，如公式（2）所示。

由計算可知，n≥10，即A/D 轉換芯片位數不低10 位，雖然STM32F407 集成了多路12 位ADC，但是其不夠穩定，輸入時鐘過高時精度會下降。因此，該文的設計選用雙通道、16位高性能A/D 轉換芯片AD7705，總計12 個引腳，通過SPI 進行通信，通信速度快，由DSP 電源供電。

1.4 變溫單元

變溫單元對溫度控制系統的溫度變化速率、溫控精度有較大的影響，傳統溫度控制系統的變溫單元采用水熱風冷方式，自動化水平較低，且PCR 儀體積較大，使用不便。該文設計的系統采用半導體熱/冷片作為變溫單元的核心器件，可以同步進行加熱、制冷，其基本原理是當正向電流輸入時開始制冷，當負向電流輸入時開始加熱，只需要在半導體熱/冷片兩端加直流電源就可以使其正常運行，為了降低熱傳導效應對制冷效果的影響，增設風扇輔助降溫，采用半導體熱/冷片可以有效提高PCR 儀溫度變化效率，降低溫度控制成本[9]。該文的設計要求PCR 儀溫度上升速度大于或等于4.6 ℃/s，溫度下降速度大于或等于4.4 ℃/s，因此，選擇Tec-12715 型半導體熱/冷片，其主要性能參數如下：最大輸入電壓為15 V，最大輸入電流為20 A，冷熱端最大溫度差為65 ℃，冷熱端最大功率為200W，長、寬和高分別為60.00 mm、60.00 mm 和3.85 mm，電阻值為1.8 Ω[10]。

兩端加正向電壓，半導體熱/冷片開始制冷，兩端加反向電壓，半導體熱/冷片開始制熱。因此，可以通過調控電流方向對控制半導體熱/冷片工作狀態進行調控。實際應用時往往搭配H 橋電路，應用較多的H 橋電路驅動方式包括集成H 橋驅動、三級管驅動H 橋驅動。在此基礎上，該文的設計提出新的驅動方案，即利用IR2102 芯片控制MOS 管構成的H 橋電路，按照半導體熱/冷片的性能參數選用IRF540N 型MOS管，其性能參數超出實際參數，可以避免出現當MOS 管運行時因操作不正確而燒壞的情況。IR2102 驅動芯片是一種集成MOSFET、IGBT 的專用柵極大功率驅動電路，體積小巧、響應速度快。通過外接自舉電容充電驅動IR2102 驅動芯片上管，可以有效減少驅動電源的數量，該系統僅需要2 片IR2012 芯片、1 路10 V～20 V 電壓就可以驅動MOS 管構成的H 橋驅動電路，從而有效降低設計成本。

如圖4 所示，IR2102 外圍電路輸出端通過自舉電容充放電特性構成懸浮電源，據開關頻率占空比、MOSFET 或IGBT柵極充電需要確定自舉電容C13、C15的型號，電容兩端電壓不低于欠電壓封鎖臨界值，D2、D3的耐壓值須大于給電容充電的最大電壓值。

圖4 IR2102 外圍電路

1.5 風扇驅動電路

由于PCR 儀反應室要求快速控制溫度的升降，因此只靠反應室下方的散熱器以對流方式散熱無法滿足快速調節反應室溫度升降的要求。該文的設計參考計算機風冷方式，在原有散熱器上增設風扇，以改進散熱器散熱效率，從而滿足快速調節反應室溫度的要求[11]。風扇驅動電路設計的基本原理是在風扇回路中增加1 個IRFR120N 開關管，門極由DSP 控制，借助開關管的開關特性控制風扇的運行狀態，當需要降溫時，風扇工作，溫度降至設定溫度點，三極管關閉，風扇停止運轉，達到自動散熱的目的，風扇驅動電路設計如圖5 所示。

圖5 DGND 風扇驅動電路

1.6 通信接口

通信接口電路是實現人機交互不可缺少的部分，為了實時顯示PCR 溫度變化曲線，需要通過通信接口電路將實時溫度數據傳輸到上位機（PC 機），再通過安裝在PC 機上的應用軟件（例如LabVIEW）完成數據處理工作，最終得到實時動態曲線。STM32F 407 集成了串行USART，支持9 個數據位和1～2 個停止位，上位機通過USB 接口傳輸數據。RS232 轉USB數據線在短距離數據傳輸中的可靠性很高。但是STM32F407的TTL 電平與RS232 信號電平不匹配，需要進行電平轉換。通過MAX232 芯片可以配置5 個高精度電容器，以完成電平轉換工作。轉換后的TX 和RX 串行信號直接連接到主機的串行接口，利用STM32F 407 串行端口、PC 機的計算和顯示功能實時采集、監控、處理和顯示數據，從而實現高效人機交互的目標。

1.7 顯示模塊

數碼管可以以較低的成本顯示溫度、時間等信息。該系統使用的液晶顯示器型號為點陣FM12864，采用COB 封裝，可顯示多個字符和數字，并且顯示器可以閃爍、反轉和滾動。FM12864 屏幕的點陣數為128 列×64 行，顯示的字符數為8 行×4 行，共32 行[12]。該設計實現了數據的實時輸入和顯示功能，減少了漢字建模過程。FM12864 具有接口設計簡單、功耗低、顯示可靠性高以及顯示內容豐富等優點，數據通過8 路數據總線、5 路控制總線和控制芯片進行傳輸。

2 系統軟件設計

該系統軟件部分主要包括系統初始化程序、模擬/數字信號轉換程序、多模態模糊PID 算法控制程序、PWM 波輸出控制程序以及USB 通信控制程序。系統程序流程如圖6 所示。

圖6 溫度控制系統程序流程

初始化程序的主要作用是初始化STM32F407 的時鐘、通用輸入/輸出（General-purpose input/output，GPIO）接口的通信方式以及數字信號處理指令等配置。模擬/數字信號轉換程序的主要作用是選擇和配置模擬/數字信號轉換單元、模擬/數字信號轉換觸發方式以及采樣通道數等。模糊PID 算法控制程序主要作用是對溫度傳感器采集的溫度數據和當前溫度值進行比較，配置PWM 波輸出及占空比。PWM 波輸出控制程序的主要作用是控制半導體熱/冷片的運行模式，實現多模態溫度控制功能。USB 通信程序的主要作用是使STM32F407 與PC 端通信，STM32F407 收到PC 端控制指令進行指定操作，并通過USB 將溫度采集數據傳輸至PC 端進行實時顯示。

多模態模糊PID 控制算法具有魯棒性強、穩定以及結構簡單等優點，最開始被用于電機控制，實際應用效果良好，尤其是對非線性系統的控制效果明顯優于傳統PID 控制算法。該系統基于PCR 儀對溫度控制精度、反應時間以及溫度變化速度的要求采取多模態模糊PID 控制，采用多種PID 控制參數，可以有效確保PCR 運行正常，同時提高PCR 試驗效率，實現多狀態、多模式控制功能。算法流程如圖7 所示。

圖7 多模態模糊PID 控制算法

PID 控制算法如公式（3）所示。

式中：y（t）為控制信號；e（t）為系統誤差；Kp為比例系數；Ki為積分系數；Kd為微分系數；t為時間。

實踐中往往將上述表達式轉換成計算機可以讀取的離散表達式，如公式（4）所示。

式中：y（n）為n時刻的輸出量；e（n）為n時刻的系統誤差。

根據公式（4）得到n-1 時刻對應的控制器輸出表達式，如公式（5）所示。

用公式（4）減公式（5）得到增量PID 控制算法表達式，如公式（6）所示。

根據上述分析可知，誤差e、誤差變化率?e對控制器的輸出有直接影響。通過模糊化處理后的e、?e作為輸入變量，再根據事先確定的模糊控制規則經模糊推理得到輸出量，經反模糊化處理后得到增量?Kp，?Ki，?Kd輸出，Kp、Ki和Kd可基于增量參數調整，即多模態模糊PID 控制器的Kp、Ki和Kd值隨輸出量的變化。多模態模糊控制算法能靈活切換控制模式，按照PCR 儀的溫度測量精度、反應時間、誤差以及誤差變化率確定合理的控制方式，采用多種PID 控制參數，確保PCR 儀各階段試驗的正常開展，還可以加快試驗速度，提高試驗效率。

3 結語

綜上所述，該文設計的PCR 儀溫度控制系統以STM32F407型DSP 作為主控制器，在整個溫度控制系統的設計中，變溫單元主要通過溫度傳感電路采集溫度數據，由模擬/數字信號轉換單元進行轉換，通過多模態模糊PID 控制算法進行溫度控制，同時溫控主體為半導體熱/冷片。該系統具有良好的控溫效果，可以在給定的溫度范圍內循環，溫度變化率為5 ℃/s，精度為±0.1 ℃，其電路設計具有原理簡單、實用性強以及成本低的特點，可以滿足PCR 儀的高精度溫度控制需求。