基于DSP的PCR儀溫度控制系統(tǒng)研究

蘇春莉

（西安歐亞學(xué)院信息工程學(xué)院 陜西省西安市 710065）

聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)是1983年由美國(guó)科學(xué)家凱瑞穆利斯發(fā)現(xiàn)的，在此基礎(chǔ)之上，PCR 儀的發(fā)明在生命科學(xué)的研究中做出了非常巨大的貢獻(xiàn)。PCR 儀的工作原理在于其能夠在短時(shí)間內(nèi)對(duì)DNA進(jìn)行體外擴(kuò)增和分析。PCR 儀在使用過(guò)程中共需要經(jīng)歷三個(gè)階段的溫度變化，分別是高溫變性，溫度在95℃左右；低溫退火，溫度在55℃左右；以及適溫延伸，溫度在75℃左右。對(duì)于PCR 儀的研究，國(guó)外相對(duì)于國(guó)內(nèi)起步更早，進(jìn)程也更快，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的PCR 儀在溫度控制上很難達(dá)到理想指標(biāo)?；诖?，本文研究設(shè)計(jì)了一款溫控速度快，同時(shí)精確度高的PCR 儀。

1 系統(tǒng)的構(gòu)建

整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建如圖1所示，主要包括五大組成部分，即DSP、驅(qū)動(dòng)電路、主控電路、半導(dǎo)體加熱制冷片和溫度傳感電路。此溫度控制系統(tǒng)先利用DSP 主控電路生產(chǎn)出的信號(hào)對(duì)PWM 方波進(jìn)行調(diào)節(jié),與此同時(shí),再驅(qū)動(dòng)電路對(duì)光電和功率進(jìn)行調(diào)節(jié),然后再借助半導(dǎo)體調(diào)控溫度的冷熱程度。接著，利用溫度傳感電路將溫度數(shù)值轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，并通過(guò)DSP 內(nèi)部轉(zhuǎn)換模塊ADC 形成數(shù)字量。最后，再由PID 算法來(lái)分析溫度數(shù)字量，從而反饋調(diào)節(jié)PWM 方波，最終實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制。而溫度數(shù)據(jù)還經(jīng)SCI 反饋至上位機(jī)，形成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[1]。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 DSP主控電路

系統(tǒng)主控芯片選取TI 公司生產(chǎn)研發(fā)的型號(hào)為T(mén)MS320F2812的32 位定點(diǎn)DSP 芯片。該芯片最高頻率可達(dá)150MHz，運(yùn)用的是CMOS 技術(shù)，同時(shí)該芯片中包含有128K×16 位的Flash 和EVA、EVB 兩個(gè)事件管理器，可以同一時(shí)間釋放多組PWM 波，并且該芯片還包含有12 位的ADC 模塊、45 個(gè)外部擴(kuò)展中斷以及多數(shù)據(jù)傳輸接口，如SCI、SPI 和CAN 等[2]。

2.2 PWM波驅(qū)動(dòng)電路

PWM 波驅(qū)動(dòng)電路由兩路控制信號(hào)構(gòu)成，第一路是固定頻率以及占比空間可調(diào)的PWM 波，第二路則是低電平。一般情況下，3.3V是DSP 所輸出的最大值PWM 波，但是半導(dǎo)體片的額定功率卻為12V，所以在設(shè)計(jì)運(yùn)作的過(guò)程中必須要將驅(qū)動(dòng)電路的功率進(jìn)行擴(kuò)大。與此同時(shí)，為了防止DSP 芯片被放大后的電路功率燒壞，還需要設(shè)置光電隔離電路隔離PWM 波。然后利用H 橋功率放大電路放大PWM 波信號(hào)，再對(duì)電流流向進(jìn)行調(diào)節(jié)即可完成對(duì)半導(dǎo)體溫度片的狀態(tài)控制，完成實(shí)時(shí)的冷熱調(diào)節(jié)[3]。

圖1：溫度控制系統(tǒng)

圖2：整體程序流程

圖3：A/D 轉(zhuǎn)換模塊輸出曲線

2.3 半導(dǎo)體加熱制冷片

半導(dǎo)體片冷熱控制的工作原理在于直流電流的極性改變。具體如下：當(dāng)N 型與P 型半導(dǎo)體材料組成電偶對(duì)時(shí)，直流電流會(huì)發(fā)生一定的能量轉(zhuǎn)移，也就是由N 流向P 過(guò)程中接頭吸熱，出現(xiàn)冷端，而相反電流流向時(shí)，接頭散熱，進(jìn)而出現(xiàn)熱端。整個(gè)半導(dǎo)體片的冷熱雙片分別由N 型與P 型兩種碲化鉍材料組成，并且以串聯(lián)的方式連接在電路上。

2.4 溫度傳感電路

使用高精度鉑電阻器（型號(hào)：Pt100）作為溫度傳感器，該溫度傳感器是一種正向熱敏傳感器，溫度范圍介于0～100℃之間，其抗干擾能力和穩(wěn)定性在眾多溫度傳感器中表現(xiàn)良好。與此同時(shí)，為了提升溫度測(cè)量的精確性，需要應(yīng)用惠斯通電橋的方式來(lái)構(gòu)建溫度傳感的有關(guān)電路。最后，將一個(gè)差分放大器接于電橋的輸出接口有利于輸出端電壓的放大，從而有利于整個(gè)電路的高效工作[4]。

在TMS320F2812 芯片下的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸入電壓≤3V，因而溫度傳感電路的輸入電壓設(shè)定為0～3V，同時(shí)溫度設(shè)定在0～100℃之間。與此同時(shí)，還需要在半導(dǎo)體片和16 孔鋁制反應(yīng)池中間放置1 個(gè)Pt100 型傳感器，通過(guò)這種方式來(lái)精確監(jiān)控中心點(diǎn)溫度，此溫度接近等于整個(gè)系統(tǒng)的內(nèi)部溫度[5]。

3 軟件的開(kāi)發(fā)

3.1 軟件系統(tǒng)的構(gòu)建

軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)可應(yīng)用Windows 和CCS3.3 等，而初始化子程、A/D 轉(zhuǎn)換子程、通用輸入輸出 (GPIO)的初始化、PWM 波輸出子程、PID 算法子程、串口通信子程等都是軟件開(kāi)發(fā)主要系統(tǒng)部分。具體流程圖見(jiàn)圖2。在軟件的開(kāi)發(fā)中，各個(gè)子程的主要功能為：軟件初始化子程來(lái)完成DSP 的啟動(dòng)以及系統(tǒng)時(shí)鐘等的設(shè)置；A/D 轉(zhuǎn)換子程來(lái)完成模數(shù)轉(zhuǎn)換及其設(shè)置；PID 算法子程則是將實(shí)際溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度進(jìn)行比對(duì)，同計(jì)算出 PWM 波的方向和占空比；最后PWM 波輸出子程則是通過(guò)輸出多種PWM 波來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的調(diào)控。

3.2 常規(guī)PID 算法

常規(guī) PID 算法是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為普遍的一種自動(dòng)控制器，其工作形式在于環(huán)閉調(diào)控系統(tǒng)溫度。該算法具有非常多的優(yōu)勢(shì)，包括原理簡(jiǎn)單、使用方便、控制參數(shù)獨(dú)立以及參數(shù)對(duì)比明顯等，基于此，常被廣泛應(yīng)用于溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。

但是在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)連續(xù)變量的計(jì)算還無(wú)法實(shí)現(xiàn)，所以需要在計(jì)算過(guò)程中離散化時(shí)間變量。采用常規(guī)PID 算法計(jì)算離散化時(shí)間變量，將控制信號(hào)u(t)計(jì)算出來(lái)，再取信號(hào)絕對(duì)值后，在事件管理器的比較寄存器上調(diào)節(jié)相應(yīng)的值，能夠?qū)WM 波的占空比有效控制，從而充分實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)的功能。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 PWM波輸出

PWM 波的輸出有兩條電路，其中一條頻率固定，且占空比可以調(diào)節(jié)，而另一條則為低電平。通過(guò)利用型號(hào)為DS1102E 的示波器對(duì)這兩條電路的PWM 波進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)控制信號(hào)中PWM波的頻率為1.818kHz，電壓為3.3V[6]。

4.2 溫度傳感電路校準(zhǔn)

基于不同溫度環(huán)境下，對(duì)溫度傳感電路的輸出電壓進(jìn)行測(cè)量，具體操作步驟如下：將Pt100 溫度傳感器放置在100℃的水中，然后在水溫的下降過(guò)程中對(duì)電壓進(jìn)行測(cè)量，即從96℃開(kāi)始，每下降2℃測(cè)量一次，直到水溫降為12℃。測(cè)量完畢后依據(jù)測(cè)量結(jié)果繪制相關(guān)曲線，并列出電壓隨溫度變化的回歸方程：y=0.0271x + 0.3278，其中x 代表溫度，y 代表輸出電壓。最后通過(guò)詳細(xì)分析和計(jì)算可以得出該曲線的線性度為0.9963，標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.00419V，即0.1℃。

4.3 ADC模塊的測(cè)試

以PCR 反應(yīng)要求來(lái)測(cè)試系統(tǒng)溫度，具體操作如下：以室溫為基準(zhǔn)，升溫至95℃，再降溫至55℃，最后再升溫至72℃，并保持好三個(gè)溫度點(diǎn)的恒溫。每個(gè)溫度點(diǎn)以30s 為一個(gè)步驟，且過(guò)程循環(huán)往復(fù)。之后將裝有反應(yīng)模擬試劑的試管放于反應(yīng)池，同時(shí)在試管中放置Pt100 電阻器，再應(yīng)用A/D 轉(zhuǎn)換模塊測(cè)量電阻器的輸出電壓并進(jìn)行采樣，最終依據(jù)采樣結(jié)果繪制相關(guān)輸出曲線，詳見(jiàn)圖3。圖示表明，該電路輸出電壓誤差為0.001V。

4.4 SCI通信的測(cè)試

與PC 機(jī)通信采用串口中的 SCI-A 完成，作用是將經(jīng)過(guò) ADC轉(zhuǎn)換后的溫度數(shù)據(jù)送至PC 機(jī)。在通信過(guò)程中，針對(duì)ADC 轉(zhuǎn)換后的溫度數(shù)據(jù)，使用控制軟件接收相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并對(duì)實(shí)際溫度值進(jìn)行推算，將其繪制成曲線。保存并分析相應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)，將升溫過(guò)程中或降溫過(guò)程中平均的溫度變化速率計(jì)算出來(lái)。研究結(jié)果顯示：系統(tǒng)能夠在溫度區(qū)間內(nèi)不斷循環(huán)，且能恒溫保持，溫度變化速率為3℃/s，精度為±0.1℃。

5 結(jié)論

本文研究的PCR 儀溫度控制系統(tǒng)是以DSP 為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的。整個(gè)溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，溫度傳感電路由惠斯通電橋構(gòu)成，溫度采樣由ADC 模塊進(jìn)行，溫度控制由PID 算法完成，同時(shí)溫控主體為半導(dǎo)體冷熱片。研究結(jié)果顯示，該系統(tǒng)具有良好的溫度控制作用，能夠在設(shè)定的溫度區(qū)間內(nèi)循環(huán)，溫度變化速率在3℃/s，并且精度為±0.1℃。系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)具有原理簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)以及價(jià)格低等特點(diǎn)。因此，該系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)能夠?yàn)镻CR 儀的商品化奠定基礎(chǔ)。