基于LabVIEW 誘變育種儀的設計

溫 泉，莊 凌，馬 瑞

（北京航天長征飛行器研究所，北京 100000）

大氣壓冷等離子體射流以其射流溫度低、活性物種平均濃度高、操作效率高、本身對環(huán)境沒有污染和危害、可控性好、經濟實用等顯著優(yōu)點[1]，逐漸成為當今國際應用領域的研究熱點，特別是在等離子體微生物誘變育種領域應用較好。常壓室溫等離子體誘變育種儀能夠在常壓（1 atm）下產生溫度在25～40℃之間，具有高活性粒子（如處于激發(fā)態(tài)的氦原子、氧原子、氮原子、OH 等）濃度的射流[2]，適用于生物技術領域。對比另外幾種傳統(tǒng)誘變育種技術，ARTP 優(yōu)點為操作方式簡單、設備結構不復雜、實驗條件較為安全、對操作人員沒有傷害、反應速度快。一次實驗（數(shù)分鐘以內）就可以得到數(shù)量為4 萬個往上突變菌株，并且具有突變比例大、突變庫容較豐富的特點[3]。尤其ARTP 氣體源各種條件都可以控制，僅需改變誘變育種儀操作的條件，就可很大程度上增強操作物種突變強度與突變庫豐富性，為其余誘變育種所不存在優(yōu)點與可發(fā)展空間。而和新一代分子育種技術相比，作為一種物理誘變方法，其操作簡便性和誘變速度均高于DNA shuffling 和gTME等技術。相對IBIM 和ADBDM 兩種育種方法，ARTPM進行微生物誘變具有生物學效應明顯、設備結構簡易、造價低、使用簡單、反應狀況平和、對操作人員沒有危害等諸多優(yōu)點，為極具潛力的研究方向。

1 常壓室溫等離子體射流發(fā)生裝置

本文中的誘變育種儀使用常壓室溫等離子體射流源，其采用的是雙介質覆蓋型針—環(huán)電極結構，其示意圖如圖1 所示。將惰性氣體通入管道后，接通交流電源，不斷增加電壓，當針電極與環(huán)電極之間電壓超過擊穿電壓時，惰性氣體被擊穿，電子與正離子相分離，使得電流得以通過環(huán)電極與針電極形成回路，完成放電[4]。同時，惰性氣體對等離子體的噴射起到了推動作用，讓等離子體在管道中成為射流而射出。并且通過查閱文獻，明確影響因素有兩類：一是射流發(fā)生因素，如氣壓、流速、成分、電功率一類因素[5]；二是誘變育種實驗因素，比如操作時長[6]。所以，具體工作氣體、氣體流速以及操作時間還要根據(jù)操作目標具體討論。

圖1 雙介質覆蓋型針—環(huán)極型發(fā)生器Fig.1 Dual media covered needle-toroidal generator

采用雙介質覆蓋型針—環(huán)極型發(fā)生器設計簡單，由于針電極外覆蓋有機玻璃介質[7]，所以其工作電流降低為不會對操作人員造成危險的安全電流，僅為1～10 mA，同時還能保證輸出的穩(wěn)定性。

本文設計的常壓室溫等離子體射流源的設計圖如圖2 所示。其中耗材包括銅、鎢針、石英玻璃、聚四氟乙烯、有機玻璃等。其中用銅來制作環(huán)電極；用鎢針來制作針電極；用有機玻璃來包裹放電電極，來達到操控電流強度的目的，以防溫度過高，提高射流的穩(wěn)定程度；用石英玻璃來制作進氣管道；用聚四氟乙烯來制作外殼，并起到絕緣保護及方便于夾持攜帶的作用。

圖2 發(fā)生器設計圖Fig.2 Generator design diagram

圖2 中的軟管接惰性氣體；紅色陽極內部和針電極連接，外部和高頻高電壓電連接；黑色的陰極內部與環(huán)電極相連；環(huán)電極接地。射流長度可達到40 mm，且射流強度穩(wěn)定，可以滿足本課題中對生物樣品進行處理的要求。

2 運動控制子系統(tǒng)

本文由于需要用電機拖動等離子體射流源及96 孔板，由于本系統(tǒng)負載質量較小且對精度要求不高，所以用步進電機作動力源。步進電機停轉時具有最大轉矩，同時有優(yōu)秀起停反轉響應、簡易電機結構以及完善的驅動模塊等優(yōu)點。要應用適配的驅動器來啟動電機，以及24 V 的穩(wěn)壓電源。工業(yè)計算機將信號傳輸?shù)津寗悠?，再經由其放大后來帶動電動機工作[8]，其接線如圖3 所示。

圖3 運動控制系統(tǒng)接線圖Fig.3 Motion control system wiring diagram

本文以工業(yè)控制計算機與運動板卡為核心對電機進行操控，以電機、與其適配的驅動器和運動板卡形成平臺。經過篩選對比，本文采用研華PCI-1245E 運動板卡，此板卡功能是運動操控4 軸通用步進/脈沖型伺服電機PCI 卡，PCI-1245E 融合了DSP 與FPGA 設計，可以彈性添加各種先進操作應用，如多組路徑規(guī)劃表、點對點移動、T/S 曲線、2 組2 軸直線插補、加/減速度等功能，使運動效能提高。PCI-1245E 運動控制卡在執(zhí)行各類運動控制功能的時侯，不因為工業(yè)控制計算機處理器負載變化而受到引響，可提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

在工業(yè)控制計算機上利用LabVIEW 軟件更改參數(shù)。運動控制卡內部存有豐富完善的運動函數(shù)庫，下載驅動后可以供用戶隨意調用，進而改變輸出的脈沖信號以及方向信號，進而完成對步進電機的運動控制。此軟件利用LabVIEW 軟件內置ActiveX 應用PCI-1245E 內部函數(shù)庫，然后再對這些函數(shù)進調整來實現(xiàn)預定功能。

用調整輸入信號頻率系統(tǒng)來實現(xiàn)改變電機運動快慢，用調整脈沖多少來操控電機運行距離，用調整方向信號正負來操控電機正轉反轉，以實現(xiàn)控制射流源與生物樣品托盤相對位置。

3 電信號采集及處理子系統(tǒng)

等離子體電學特征量采集系統(tǒng)對常壓室溫等離子體射流源在放電過程中電源的電信號進行實時采集與處理，完成了電壓波形的實時顯示，使得實驗人員可以實時、便捷地對放電狀態(tài)進行監(jiān)測。下面將重點講解電學特征量采集硬件系統(tǒng)設計。

本模擬量采集卡使用研華公司PCI-1715U-AE多通道數(shù)據(jù)采集卡，基于PCI 上12 位32 通道模擬寫入，包含了32 模擬單端寫入通道和16 差分寫入通道，所有通道增益均可編程，并能提供通道/增益自動掃描功能，采樣頻率可以達到500 kS/s，分辨率可以達到12 位，隔離保護電壓值為2500 V，并且提供了可存儲1024 個樣本的先入先出寄存器（FIFO），為高速采集系統(tǒng)的設計提供了條件。

用PCL-10137H 雙絞線通訊電纜將32 路模擬量接至采集卡處；ADAM-3937 為接線板，將連接待測量信號線連接。另外，此平臺為通用電信號的采集平臺，直流交流以及電壓電流的值均可測量，如需采集電流信號，則在接地端串入恰當大小電阻元件通過測量電壓的大小來得到電流的大小。阻值的選擇應以保證轉換后的電壓信號幅值在±10 V 或0～10 V 之內為宜。在板卡最大耐壓±15 V 之內，也可以通過電源主機輸出電流檢測的接口直接測量。

4 變育種儀軟件系統(tǒng)設計

常壓室溫等離子體誘變育種儀的LabVIEW 軟件系統(tǒng)分為2 個子系統(tǒng)，即電學特征量采集子系統(tǒng)以及運動控制子系統(tǒng)。本軟件通過模擬量采集卡PCI-1715U 進行電壓和電流數(shù)據(jù)的采集處理，此外，在用戶窗口中收集的電壓和電流波形監(jiān)視放電。同時，LabVIEW 軟件還可以調用PCI-1245E 板卡內部函數(shù)庫，由端子板將脈沖信號和方向信號遞送到電機驅動器來達到目的，進而實現(xiàn)運動控制。軟件總體設計流程如圖4 所示。

圖4 軟件總體流程Fig.4 Overall software flow chart

4.1 射流源電源遠程控制

采集到的電信號，經過分析對比后，需要控制產生等離子體的電源，然后采用RS232 串口通訊方式實現(xiàn)電路板對電源的調控。

這里簡要介紹使用RS232 串口通訊方法。具體方案如下：

（1）開射頻指令：01 05 00 00 FF 00 8C 3A

解讀：01（地址）05（命令）00 00（起始數(shù)據(jù)地址）FF 00（數(shù)據(jù)：1）8C 3A（校驗）

返回：01 05 00 00 FF 00 8C 3A（同上）

（2）設定功率（舉例設定350 W）：01 06 00 00 01 5E 09 A2

解讀：01（地址）06（命令）00 00（起始數(shù)據(jù)地址）01 5E（設定功率值350）09 A2（校驗）

返回數(shù)據(jù)：01 06 00 00 01 5E 09 A2（同上）

（3）讀出設定功率指令：01 03 00 00 00 01 84 0A

返回：01 03 02 01 5E（讀出設定功率350 W）38 2C

（4）關射頻指令：01 05 00 00 00 00 CD CA

返回：01 05 00 00 00 00 CD CA

該方法較為繁瑣，設計時間周期較長。最終設計出的射流控制軟件前面板及程序框圖，如圖5 所示。

圖5 射流電源控制系統(tǒng)用戶界面Fig.5 Jet power control system user interface

4.2 電學特征量采集及處理子系統(tǒng)設計

為了了解常壓室溫射流源工作實時狀態(tài)，本文對常壓室溫射流源放電電壓、電流信號達到實時采樣、記錄并顯示其波形在用戶界面。PCI-1715U 模擬量采集卡對交流信號采用快速采集方式，1 s 內可采集最高達500 k 個采樣點。具體軟件設計如圖6所示。

圖6 電學特征量采集框圖Fig.6 Block diagram of electrical feature quantity acquisition

與本子系統(tǒng)功能相對應圖形界面及程序框圖，如圖7 所示。

圖7 電學特征量采集及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)用戶圖形界面Fig.7 User graphic interface of electrical feature quantity acquisition and data processing system

用戶可以由圖7 中的停止按鍵控制軟件關閉。當軟件處于開啟狀態(tài)時，電壓、電流波形就會實時的顯示在虛擬儀器的示波器的窗口當中。另外，在電學特征量采集的基礎上添加了通道設置、采樣設置、實時保存功能，用戶可以改變面板左側的控制面板參數(shù)來進行配置，方便波形的顯示和保存。同時用戶還可以調整XY 標尺最大值最小值使波形顯示更加完整。

5 測試驗證

5.1 運動控制測試驗證

本文根據(jù)運動控制軟件的工作原理，設計了運動控制軟件，設計了符合子系統(tǒng)功能的用戶圖形界面和程序，如圖8 所示。

圖8 運動系統(tǒng)用戶界面Fig.8 Motion system user interface

用戶可以通過圖8 中的運動控制卡選擇裝載于工業(yè)計算機上的運動控制卡，選擇好之后按下啟動按鈕即可啟動程序。軟件處于開啟狀態(tài)后，選擇要控制的電機，輸入運行距離數(shù)值（這里的數(shù)值指輸出的脈沖個數(shù)，對于本系統(tǒng)，640 個脈沖輸出對應步進電機1 mm 的行程），按下Move 鍵即可控制指定電機運動。右側標識可表達步進電機當前情況以及位置改變是否成功。

5.2 電學特征量采集及處理驗證

實際操作環(huán)境內采集到電學信號往往與多樣的雜波混合，并非全部數(shù)據(jù)都是有用的。因此，電信號在采集時需要預先處理。根據(jù)工程需要，系統(tǒng)需要通過濾波和信號2 種信號進行預處理。但它可以使編程高效，確保系統(tǒng)測量結果精確。添加噪聲的濾波效果比較如圖9 所示。

圖9 添加噪聲的濾波效果比較Fig.9 Comparison of filtering effects of added noise

通過對比可以得到，增加階數(shù)的時侯，波形被處理后很顯著的變平滑，然而處理后波形經觀察也有缺點，即波形起點存在邊界效應，并且去噪效果也存在極限。經對比截止頻率為20 Hz 應用3 階Butterworth 拓撲結構低通濾波對添加了高斯白噪聲電信號具有較好效果，以及可以滿足信號采集電路需求，可以應用在電學特征量采集電路上，而過高階數(shù)可能導致信號失真過多，所以最終應用3 階濾波結構。

優(yōu)化電路后，添加NI 公司的PCI-6220 虛擬板卡進行仿真調試，電流波形圖表XY 標尺最大值最小值及調節(jié)采樣頻率前后電流、電壓信號及濾波后信號采集情況分別如圖10 所示。

6 結語

本文研制的常壓室溫等離子體誘變育種儀主要研究成果包括：設計了常壓室溫等離子體射流源。該雙介質覆蓋針—環(huán)電極型常壓室溫等離子體射流源可穩(wěn)定、安全的進行放電，有效長度最長可達40 mm；本文選取了步進電機、驅動器、電源組建了運動控制平臺，該平臺實現(xiàn)了X 軸方向有效行程為130 mm，Y 軸方向有效行程為90 mm，運行精度為1 mm 的預期指標。能夠滿足本誘變育種儀對尺寸和精度的要求；利用本文設計的電學特征量采集系統(tǒng)對常壓室溫等離子體放電進行檢測。

通過仿真結果表明，本系統(tǒng)能夠測得射流源電源的放電電壓與放電電流波形，可以應用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集處理部分。