基于嵌入式的DPCR儀溫度控制系統的研究與設計

張 峰，劉述喜

(重慶理工大學 電氣與電子工程學院,重慶 400054)

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基于嵌入式的DPCR儀溫度控制系統的研究與設計

張 峰，劉述喜

(重慶理工大學 電氣與電子工程學院,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，設計了一套基于嵌入式的數字PCR溫度檢測與控制系統。該系統的硬件部分主要由新一代高性能的數字信號控制器STM32F407芯片主控，由半導體加熱制冷模塊、溫度檢測與轉換模塊、USB高速數據傳輸模塊等組成。軟件部分主要包括上位機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性能，避免一般PID算法升降溫過程超調量較大、震蕩時間長等問題。實驗結果表明：系統的最高升溫速率能達到4 ℃/s，最高降溫速率能達到3 ℃/s，控溫精度為 0.2 ℃，能滿足數字PCR儀對升降溫速率以及精度的要求。

數字PCR；嵌入式系統；溫度控制；多模態模糊PID

PCR(polymerize chain reaction，聚合酶鏈式反應)是基因工程中的一個重要環節，又稱為無細胞分子克隆或特異性DNA序列體外引物定向酶促擴增技術。PCR自問世以來，作為一種主要的核酸擴增復制手段，已經被廣泛地應用到生命科學相關的各個學科領域中，并給基因相關研究帶來了深刻的影響[1]。溫度循環是所有PCR的基礎，PCR熱循環儀性能對于正常的研究具有至關重要的作用。數字PCR(digital PCR)技術是目前最先進的第三代PCR技術[2-3]。其通過高度稀釋檢測和概率統計反演計算實現核酸的絕對定量檢測,關鍵技術就是實現溫度的高精度控制。由于國內現有PCR儀的主要性能指標如升降溫速率和控溫精度都要低于國外相關技術指標，而購買外國的PCR儀需要支付高額的專利使用費用,為此，本文設計了一種基于數字信號控制器的數字PCR儀高精度溫度控制系統。

1 系統的硬件設計

系統結構框圖如圖1所示。整個系統由高性能數字信號控制器STM32F407芯片主控，包括溫度檢測與轉換模塊、半導體加熱制冷模塊、USB高速數據傳輸模塊、液晶觸摸屏顯示模塊和溫度提示和報警模塊。

1.1 數字信號控制器STM32F407

STM32F407基于先進的Cortex-M4內核，浮點運算能力和DSP處理指令得到增強。STM32F407具有高達1 M字節以上的片上閃存和196 K字節的內嵌SRAM，CPU運行速度快，能處理大量復雜的數據。STM32F407新增2個USB高速OTG接口，方便大量數據的及時傳輸與轉移。3個12位、24個通道的ADC模塊和多達240個喚醒中斷能滿足高精度A/D轉換要求。另外還具有如SPI、I2S、I2C、以太網、IEEE1588v2、CAN總線等多種通信接口。

圖1 系統結構框圖

1.2 溫度檢測與轉換模塊

溫度檢測與轉換模塊在PCR熱循環儀的整個熱循環周期中起著至關重要的作用，它是整個閉環系統的核心處理部分，用來對PCR儀反應室的溫度變化情況進行實時在線檢測。溫度檢測閉環系統的原理如圖2所示。

圖2 溫度檢測閉環系統的原理

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速度較慢，不能滿足目前控溫精度要求較高的第三代數字PCR儀的控溫需求[5]。為了提高實驗精度和實驗準確度，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。為了獲得反應試管內較為真實的溫度和較高的控制精度，應盡量減小熱阻，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據采用多傳感器數據融合技術進行處理[6-7]。

圖3 熱敏電阻溫度檢測電路

1.3 半導體加熱制冷模塊

由于PCR儀是一個溫度“上升—下降—再上升”的熱循環過程，通過加熱并冷卻半導體加熱制冷模塊完成PCR反應的各個步驟，比如變性、退火和延伸。這些半導體加熱/冷卻元件在電路中通常是以串聯形式連結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,采用直流電流驅動的工作方式[8]。通過改變電流大小可調節制冷加熱效率,改變電流方向來切換不同的工作狀態，即加熱狀態或制冷狀態。降溫的時候,因為反應試管與基座、基座與金屬加熱模塊之間存在一定的熱傳導效應，為了盡量減少熱傳導效應對制冷效果的影響，加裝了1個散熱裝置來輔助降溫。此散熱裝置包括小型風扇和1個散熱片。風扇用小型電機來驅動。PCR儀加熱模塊結構如圖4所示。

圖4 PCR儀加熱模塊結構

1.4 半導體驅動電路模塊

半導體加熱制冷片在運行時需要隨時切換電流的大小及方向，因此設計適當的驅動電路是系統正常穩定工作的保證[9]。半導體模塊驅動電路采用帶芯片驅動的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)H橋式驅動電路。IGBT是一種復合全控電壓驅動式功率半導體器件，由雙極型三極管和絕緣柵型場效應管組成，具有輸入阻抗高、導通壓降低、功率增益高、噪聲低、效率高等優點，目前應用廣范。主控芯片根據當前溫度產生PWM信號，該信號經H橋式驅動電路控制IGBT有規律地關斷或導通來控制加熱制冷片使系統加熱或制冷，直至溫度達到設定值。通常情況下驅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的安全性，應該將二者嚴格隔離，采用的技術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行隔離。

1.5 系統功能

主控芯片產生脈寬調制信號送入電路的信號控制端。該信號經過光電耦合器控制IGBT的開關狀態，并作用于加熱制冷片。熱敏電阻構成的測溫電路實時檢測反應室內的溫度，并將溫度信號轉換為電壓信號進行輸出。此電壓信號經A/D轉換模塊后，由模擬量轉變為數字量，并進行多模態模糊PID算法，然后通過調節PWM波的占空比以達到控溫的目的。升溫時，半導體加熱制冷片以最大功率工作；降溫時，啟動風扇進行輔助降溫。

2 系統的軟件設計

2.1 軟件系統的組成

軟件系統主要包括以下幾個主要部分：① 系統初始化子程序；② A/D轉換子程序；③ 多模態模糊PID算法控制子程序；④ PWM波輸出控制子程序；⑤ USB數據通信子程序。

整個軟件系統流程如圖5所示。系統初始化子程序主要是對主控芯片的系統時鐘、GPIO口的輸入輸出方式、DSP處理指令等進行必要的配置。A/D轉換子程序的功能是對ADC模塊的選擇、 A/D轉換模塊的觸發方式、采樣通道數進行配置。多模態模糊PID算法控制子程序的功能是把設定的溫度值與當前檢測的溫度值進行比較，計算出PWM波的方向和占空比。PWM波輸出控制子程序完成對半導體加熱制冷片的工作模式的選擇與控制，實現對目標溫度的多模態控制。USB數據通信子程序則實現主控芯片與PC機的實時通信[10]。主控芯片接收PC端的控制指令，完成相應的功能，并將溫度采集電路采集到的溫度數據經USB總線上傳到PC端進行實時顯示。

圖5 軟件系統流程

2.2 多模態模糊PID控制算法

多模態模糊PID控制算法是隨著計算機技術和智能控制的發展而出現的一種的新的控制算法。該算法融合了PID算法的強魯棒性和高穩定性以及結構簡單和適應性廣的優點，最早應用在電機的伺服運動控制系統中，被證明具有良好的控制性能，穩定性高，適應性好。特別是在一些非線性系統中優于傳統PID算法、改進的傳統PID算法。本研究將其應用在PCR儀溫度控制系統中。根據PCR儀當前的溫度狀態，分階段切換多模式控制方式[11-12]。

常規的PID控制算法的表達式為[13-14]：

(1)

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

通常情況下，將常規的PID控制算法的表達式轉化為計算機控制系統能識別的離散表達方式：

(2)

由式(2)可得n-1時刻的輸出表達式為：

(3)

將式(2)減去式(3)可得增量式PID算法輸出表達式為：

(Δy(n)=kp[e(n)-e(n-1)]+kie(n)+

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

(4)

從上述表達式可以看出：與輸出量有關系的變量有偏差e以及偏差變化率Δe。在多模態模糊PID控制器中將二者經模糊化處理后，作為控制器的輸入，然后通過既定的模糊控制規則進行模糊推理得到模糊輸出量，再經過反模糊化分別得到控制器的3個參數的增量Δkp，Δki，Δkd輸出，則kp，ki，kd三個控制器參數就可以根據增量實時調整，即多模態模糊PID的3個參數值是根據系統輸出量的變化而變化的。

根據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e和Δe值的不同，將采用不同的模糊PID參數，因此必須考慮不同階段3個參數之間的耦合關系。各個參數的調節規律如下：

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

2) 中間階段。當e和Δe為中等大小，為使系統響應的超調減少，應取較小的ki值，kp和kd值的大小要適中，以保證系統響應速度。

3) 溫度接近設定值階段。當e和Δe較小時，為了獲得系統良好的穩態性能，此時增大kp和ki的值，同時為避免輸出值在設定值附近產生波動，并考慮系統的抗干擾性能，適當選取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，根據不同階段PCR儀對溫度精度、反應時間、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，這樣既能保證PCR各個階段實驗的順利進行，又能節省大量的實驗時間,大大提高了實驗效率，實現真正的多狀態、多模式控制。

多模態模糊PID控制算法流程如圖6所示。

圖6 多模態模糊PID算法流程

3 實際測試結果分析

運用PCR儀進行了一系列的升降溫實驗，以此來驗證其升降溫速率和溫控精度。將室溫設置為起始溫度，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物是否充分變性；再從95℃下降到55 ℃，繼續保持55 ℃恒溫一段時間，此退火過程是PCR反應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反應過程能否成功的關鍵。按照此步驟循環30～40次。整個反應過程中A/D轉換模塊實時采集溫度數據，數據經USB通信接口傳送至上位機端，利用編寫的繪圖軟件程序保存實時溫度數據并實時顯示溫度曲線。將實時采集到的多組溫度數據剔除無效數據之后做平均值處理得到的數據如表1所示。根據數據繪制的系統溫度曲線如圖7所示。

圖7 系統溫度曲線表1 升降溫速率

起始溫度/℃終止溫度/℃設定溫度/℃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，符合既定的設計目標。在退火階段，降溫速率達到了3.749 4 ℃/s，比設計值提高了25%，達到了設計要求。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，直到穩定在0.2 ℃之內。儀器整體平均溫控精度為 0.149 ℃，符合系統設定的性能指標要求。為了體現其優越性，表2列舉了國外幾種不同制造商數字PCR儀的平均模塊變溫速率(℃/s)。從表2中可以看出：本實驗的結果完全滿足數字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驗結果的精度和準確度。因此，在PCR反應中溫度能否精確控制成為實驗能否成功的重要因素。在設計過程中，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，比如加熱模塊的結構形式。不同的結構形式決定了PCR循環實驗的質量和實驗的快慢。普通的PCR儀通常只有1個金屬加熱模塊，這樣會導致溫度場分布不均勻，系統精度自然就不高。整個系統的靈敏度和準確度是由溫度傳感器的測溫精度和A/D轉換的速度和分辨率決定。溫度傳感器的靈敏度越高，時間常數越小，系統的精度就越高；A/D轉換的速度越快，分辨率越高，系統的靈敏度就越高。溫度控制算法是數字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量和震蕩時間。以上幾個因素無論是在硬件電路的設計和還是軟件設計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體加熱制冷模塊，該模塊不需要附加任何機械結構，只需要改變電流的大小和方向就能實現快速制冷和加熱；溫度傳感器選擇了精度較高的熱敏電阻，不僅反應靈敏而且可靠性高[16-17]；轉換器必須選用具有較高轉換速度和分辨率的芯片，以適應快速升降溫和恒溫段控溫精度高的要求；AD轉換模塊選擇了主控制器自帶的AD，其轉換速度為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點，選擇目前準確性、穩定性、適應性等較好的多模態模糊PID算法，并取得了較好的控溫效果。

4 結束語

本研究設計了一種基于嵌入式的數字PCR儀溫度控制系統，采用目前主流的ARM控制器為主控芯片，結合高精度的溫度控制程序，功能齊全、穩定性高、成本較低。實驗測試結果表明：該系統能在設定的溫度區間內進行多次PCR循環,升降溫速率平均能達到4 ℃/s以上，控溫精度在 0.2 ℃以內，而目前市場上主流的數字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，因此本實驗的結果滿足數字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行了分析，并提出了相應的解決方案，可為今后研制精度更高的PCR儀提供參考，具有較大的應用價值。

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(責任編輯 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儀溫度控制系統的研究與設計[J].重慶理工大學學報(自然科學)，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