生物芯片噴印機控制系統設計

李曉全， 蔡錦達

(上海理工大學 出版印刷與藝術設計學院， 上海 200093)

生物芯片[1-3]是一種將微量的生物樣品(如蛋白質、DNA等活性生物液)有序排列在固相載體(如硅片、玻璃片等)所形成的微陣列，以其高通量、微型化和自動化的特點，能夠在很短時間內分析微陣列中承載的大量生物分子，獲取其中的生物信息；相比于傳統生物檢測模式，采用生物芯片的檢測效率更加快速、方便。作為生物芯片技術的第一環，制備生物芯片的點樣系統顯得尤為重要。

基于具有ARM與DSP雙核心的OMAPL138控制器，課題組設計了一套生物芯片噴印機控制系統。系統的工作任務根據任務特點分配到2個核心上。其中ARM核心主要負責系統業務級別及硬件報警信號檢測等具有交互特性的任務；DSP核心則負責電機驅動、噴頭控制、編碼器反饋信號等對時序和運算要求較高的硬件驅動任務。并采用SYS/BIOS實時操作系統及SYSLINK組件，實現多任務與數據同步，最大效率地利用處理器性能。

1 機械結構設計及工作原理

1.1 機械結構設計

生物芯片噴印機的機械部分主要由滾筒和噴頭移動架組成，如圖1所示[4-5]，噴頭移動架是X-Z軸的移動，滾筒是W軸的轉動，兩者相互配合，完成生物芯片的制作。生物芯片噴印機的機械結構如圖1所示。滾筒用于生物芯片基質的固定，它的表面有多條圓周槽，這些圓周槽可以用來擦干噴頭上的殘余樣品試劑，其次圓周槽上還有抽真空孔，用于真空吸附；噴頭移動架用于點樣噴頭的安裝。

1—滾筒；2—W軸滾筒伺服電機；3—清洗槽；4—樣品盒；5—頻閃液滴觀測系統；6—X軸橫向導軌；7—CCD鏡頭；8—針架；9—Z軸縱向導軌電機；10—Z軸縱向導軌；11—點樣噴頭；12—X軸橫向導軌電機。圖1 生物芯片噴印機機械結構Figure 1 Mechanical structure of biochip printer

1.2 工作原理

一張生物芯片基質上應盡可能增多生物芯片的排列，保證其工作的效率。每一個生物芯片是由6×8個檢測單元所組成，其中每個檢測單元的尺寸為7 mm×7 mm，每個檢測單元中都包含著5×5個樣點，在所有的樣點中，左上角的那一個樣點為Mark標記點，剩下的才是用于檢測的樣點。生物芯片各級結構如圖2所示。

圖2 生物芯片各級結構Figure 2 Biochip level structure

生物芯片噴印機采用的是非接觸式的點樣方法，它是利用點樣針X-Z軸的移動和滾筒W軸的轉動相配合完成的。首先將生物芯片基質真空吸附在滾筒表面，然后對點樣針進行清潔干燥，接著用點樣針預先吸附的樣品試劑，進行預點樣測試，最后按照生物芯片所需要的排列順序噴印在基質上。

生物芯片制作一般都是多種樣品試劑的組合排列，所以要把各種樣品試劑的點樣分隔開，1次只進行1種樣品試劑的點樣，然后再用相同的方法重新加載其他樣品，直至點樣結束，進而完成整塊生物芯片的制作。針對同一種試劑的點樣，由于生物芯片分布在不同的圓周上，為了實現上述要求，通常情況下噴頭移動架橫向移動1個樣品間距滾筒轉動1圈，使得滾筒頻繁啟停引起轉動慣量變化，從而產生振蕩，對機械系統也會產生一定影響，為了避免點樣過程中滾筒頻繁啟動停止，將生物芯片按照螺旋式排列在滾筒上，對于同一樣品試劑，滾筒僅需啟停1次就可以完成點樣，大大增加了點樣的工作效率，同時也提高了滾筒的使用壽命。生物芯片排列部分展開圖如圖3所示。

圖3 生物芯片排列部分展開圖Figure 3 Biochip array section expansion diagram

1.3 工作參數設計

本研究的點樣工作采用的是X軸和W軸的聯動配合，即X軸和W軸以一定的配合速度轉動，使得當滾筒轉到1圈后，點樣裝置在X軸方向剛好移動1個檢測單元的長度，位置正好對向下一個檢測單元，這樣可以極大地提高點樣的工作效率。Z軸的運動速度和W軸滾筒的旋轉速度可通過人機界面進行調整。

根據上述的排列，1張A4紙幅面排列4×4塊生物芯片，每塊生物芯片包括6×8個檢測單元，所以1次需要完成的檢測單元有24×32個，其中每一個檢測單元均為7 mm×7 mm。因此，滾筒每轉1圈，X軸需要移動7 mm，所以選擇的絲杠導程為10 mm，X軸和W軸的脈沖輸出頻率比為10∶7。

點樣噴頭在滾筒按照螺旋線旋轉1周時需要完成24次噴印動作，而且滾筒每旋轉7 mm，就需要噴印1次。因為滾筒周長為480 mm，伺服電機每2 048個脈沖轉1圈，由此計算出滾筒轉動7 mm需要30個脈沖，所以滾筒每發出30個脈沖時，點樣噴頭就需要噴印1次。

2 控制系統硬件設計

課題組采用TI公司的OMAPL138作為系統主控芯片，該芯片基于ARM9226EJ-S和C674x DSP內核，具有高擴展性和高計算性能。在該控制器中，通過電源DC/DC實現1.3 V，1.8 V，3.3 V電壓?；鶞蕰r鐘頻率采用外部24 MHz的晶振產生，傳遞到處理器內部后通過對時鐘及電源管理寄存器進行配置，可將主頻提升至300 MHz，并配備256 MiB內存和1 GiB的ROM，為程序的運行預留足夠的空間。含有標準JTAG接口，方便對控制器進行調試與程序下載。在數據傳輸接口方面，采用MAX485芯片、KSZ8001L芯片，控制器便可以通過局域網絡或者串行輸入輸出接口與上位機進行數據交換。通過觸摸顯示屏完成系統人機交互功能，顯示的畫面由自主開發的觸摸屏組態軟件編寫，通過串口下載到控制器中。輸入輸出接口通過光耦芯片進行隔離[6]，保證處理器不會因為外部電路短路而損壞。圖4為控制器接口結構示意圖[7]。

圖4 生物芯片噴印機控制器接口模塊示意圖Figure 4 Schematic diagram of controller interface module of biochip Printer

該系統主要由OMAPL138控制器、伺服電機、伺服電機驅動器、電阻式觸摸屏等部件組成?？刂破髫撠熍c觸摸屏通信以及向執行部件發出運動指令。編碼器實時反饋速度、位置等信息，以脈沖信號的形式傳遞給控制器。

3 控制系統軟件設計

3.1 系統軟件結構設計

一套相對完整的生物芯片噴印機控制系統主要完成以下功能：各軸位置找零，包括噴頭移動架X-Z軸、滾筒W軸的位置找零；按要求控制點樣裝置進行正常點樣作業；對點樣噴頭進行清洗烘干處理；對伺服電機進行控制及速度檢測；使用觸摸顯示屏的人機交互界面及通過網絡和串口與上位機的通信功能。綜合以上的功能，課題組設計的軟件控制系統如圖5所示。

圖5 軟件控制系統模塊Figure 5 Software control system module

控制軟件主要分為2部分：一部分是運行在ARM核心上的系統支持任務；另一部分為運行在DSP核心上的設備控制任務。ARM核心由于實時數據處理能力沒有DSP核心高，但是其擴展性高，支持指令多，故在功能分配規劃時，將多數系統自身管理及與外界交互功能任務交于ARM核心處理。這樣規劃能充分發揮芯片優勢，最大效率地利用芯片效能。整個軟件系統的流程示意如圖6所示。

圖6 軟件系統流程圖Figure 6 Software system flow chart

OMAPL138采用ARM核心為主核心，DSP核心為從核心，上電后首先執行ARM核心程序，然后由ARM核心啟動DSP核心，所以將ARM核心作為系統管理核心更為合理。ARM與DSP核心間的數據通訊可以通過SYSLINK模塊與DSP核心共享內存，完成核心間的數據共享。

3.2 SYSLINK組件

SYSLINK為TI公司研發出的多核心處理器之間的通訊工具套件，由處理器管理模塊、系統管理模塊、處理器內部通信協議(IPC)等組成[8]，其程序模塊架構如圖7所示。

圖7 SYSLINK模塊構架Figure 7 SYSLINK module architecture

其中內部通訊協議又包括Notify，MessageQ，SharedRegion等主要模塊。其中Notify的功能是通過硬件中斷來完成處理器核之間的信息傳遞，用這種方法傳遞32 bit數據非常簡易而且速度很快[9-10]；MessageQ功能是通過隊列來進行消息傳遞，在隊列中，讀者讀取消息，寫者寫入消息，需要接收消息的處理器核才建立消息隊列；SharedRegion可以提供一種處理器之間動態或靜態配置共享內存區域的方法。在使用SYSLINK工具之前需要對其進行初始化，調用Syslink_setup()函數初始化SYSLINK程序，然后使用MultiProc_getId(remote)得到DSP核心的代號，接下來運行函數Ipc_control()加載DSP核心的IPC模塊，連接DSP核心，在連接成功后，即可使用Notify，MessageQ等模塊進行數據共享使用，可以通過Notify實現核間共享數據的同步訪問控制。當程序結束時，首先運行Ipc_control()函數斷開與DSP核心的連接，然后使用SysLink_destroy()函數注銷SYSLINK服務。

3.3 顯示交互模塊

課題組設計的生物芯片噴印機控制器通過彩色LCD屏與電阻式觸摸屏進行人機交互界面，采用基于MFC編寫的畫面組態軟件進行設計并編譯，同過串口將畫面數據下載至噴墨印刷控制器。軟件系統的顯示交互模塊界面可以分為以下幾個功能塊：系統初始化界面，點樣基質參數設置界面，芯片參數設置界面，系統參數設置界面，系統狀態界面。用戶可以通過顯示屏了解設備當前狀態及報警信號等信息，亦能夠通過觸摸操作對系統的各軸工作速度、芯片參數等參數內容進行設置。圖8顯示了部分人機交互界面設計圖。

該控制系統的使用界面采用上海理工大學自主研發的組態軟件編寫[11]。

圖8 觸摸屏人機界面Figure 8 Touch screen man-machine interface

3.4 DSP內核從控制系統

在ARM主控制系統啟動并完成控制器初始化后，DSP從控制系統就被喚醒，課題組設計的DSP內系統仍采用SYS/BIOS實時操作系統，將功能劃分為多個線程和模塊。在接收到ARM核心傳輸的喚醒信號后，DSP從控制器啟動，對儀器X-Z軸以及W軸進行位置找零，完成各種初始化操作，同時對點樣裝置進行清洗干燥；當收到開始信號后，各軸伺服電機驅動點樣裝置完成點樣工作。

DSP核心主要完成系統中時序要求嚴格、計算量大的關鍵性任務，并且通過DSP核心對設備硬件進行驅動控制，這樣的好處是能夠充分利用處理器效率并且提高整體系統的實時性及穩定性，課題組將DSP的任務模塊劃分為噴頭清洗模塊、供液控制模塊、編碼器反饋模塊和電機控制模塊，噴頭清洗模塊利用超聲波清洗點樣噴頭的內壁和外壁，可以有效避免樣品溶液相互污染或質量分數改變，以確保生物芯片的制備質量[12]；供液控制模塊完成對點樣頭樣品試劑的補給，保證點樣工作連續完成；編碼器反饋模塊的主要任務是對編碼器位置信號進行響應，對機械間隙進行補償，以獲得更高的運動精度，從而保證點樣儀的點樣精度[13]；電機控制模塊則向X-Z軸伺服電機和W軸伺服電機發送頻率脈沖，并且通過對脈沖個數及脈沖頻率的相應控制實現點樣裝置和滾筒的配合點樣[14]。

4 加減速算法

由于噴印機的滾筒運行速度高、動作頻繁，為合理控制其速度，可以采用加減速算法進行逐漸變速。目前加減速算法主要有梯型、指數型和S型加減速算法。課題組采用適合伺服電機運轉的S型加減速算法[15-16]。其中S型加減速算法包括分段函數式和多項函數式，常見的有7段式S型加減速，實現過程比較復雜，計算量相對較大，加減速效率不高。Sigmoid函數具有S型曲線的特征，柔性控制效果較好，計算也相對簡單。因此，針對滾筒加減速過程中容易發生振動的問題，課題組提出了基于Sigmoid函數的S型加減速算法，Sigmoid函數原型為：

(1)

對函數進行平移可以得到：

(2)

其中，A的取值大小決定S函數曲線的平滑情況。

文中驅動滾筒轉動的伺服電機采用位置模式，主控制器發出的脈沖頻率可以直接決定伺服電機轉速，將函數應用到伺服電機速度控制中，對函數進行相應變化，使其符合伺服電機控制規律，變化后的曲線函數如下：

(3)

式中：Fx為伺服電機運行的當前頻率，FH為伺服電機運行的最高頻率，FL為伺服電機運行的最低頻率，x為伺服電機發出脈沖數，F為曲線系數，N為時間常數，F和N的取值決定加減速曲線的平緩程度和時間。

滾筒結構近似于一個空心圓柱體，則滾筒轉動慣量為：

(4)

式中：Jg為滾筒的轉動慣量；m為滾筒的質量；r1和r2分別為滾筒的內徑和外徑。

伺服電機控制滾筒轉動，滾筒在加減速過程中獲得的最大角速度為：

(5)

式中：P為伺服電機的額定功率；n為電機的額定轉速。加減速曲線中，滾筒先加加速至最大角加速度，然后減加速至最大轉速，最后以最大轉速平穩轉動，則由最大角加速度αm可以得出加減速曲線的平緩程度和時間，即式(3)中F和N可以通過最大角加速度αm得出。

5 仿真

實際應用中，選取的伺服電機額定功率為1 kW，轉速1 500 r/min；滾筒內徑r1為50 mm，外徑r2為76 mm，質量為10 kg。將數據代入式(4)、式(5)得出：αm=4.0 rad/s2。經過滾筒多次啟停實驗，得出最佳最大角加速度為2.8 rad/s2，最佳加速時間為0.1 s，則取N為128，F為3.5；根據實際要求，取最高頻率為 1 280 Hz，最低頻率為0 Hz。通過MATLAB仿真,結果如圖9所示。

圖9 伺服電機加減速仿真曲線Figure 9 Servo motor acceleration and deceleration simulation curve

圖9表明：采用S型加減速算法可以有效避免速度以及加速度的突變并改善加減速時的振動，從而保證伺服電機從啟動到穩定過程中保持光滑過渡，使運動過程具有更小的機械沖擊和磨損，提高設備壽命。

6 結語

生物芯片噴印機的研究發展是生物芯片技術發展不可缺少的組成部分。課題組設計了一套基于OMAPL138控制器的控制系統，它具有ARM和DSP雙核心，取代了傳統的單核心控制器，并采用SYS/BIOS實時操作系統及SYSLINK組件，實現多任務與數據同步，高效利用處理器性能；采用S型加減速算法能有效的增加滾筒速度變化時的平穩性，減少振動。經測試表明該系統控制功能穩定、效率高，可以滿足大多數科研機構和生物芯片制造公司的精度要求。