基于嵌入式ARM的微流控PCR檢測系統設計*

張 帥，胡志剛，2，杜 喆，祖向陽，王新征，馬蓓蓓

（1.河南科技大學 醫學技術與工程學院，河南 洛陽 471023；2.河南省智能康復醫療機器人工程研究中心，河南 洛陽 471023）

0 引 言

微流控（microfluidics）是指在微米（μm）級結構中操縱微量流體的系統所涉及的科學和技術［1］，集成化的微流控芯片可將采樣、稀釋、反應、分離、檢測等多個步驟融為一體。聚合酶鏈式反應（polymerase chain reaction，PCR）為一種用于放大擴增特定DNA片段的分子生物學技術，依據體內細胞分裂中DNA半保留復制的原理，可實現微量病毒的定性或定量檢測［2］。傳統PCR存在反應時間長、能量消耗大、不便于集成等缺陷，將微流控技術與PCR 結合可以有效縮小反應體系，提高反應效率，且易于集成化與微型化［3］，在生物醫學、環境監測等方面具有重要意義。

目前市場上已有的微流控芯片檢測系統大都采用電腦作為控制終端，其體積相對較大，不便攜帶，且硬件成本高，阻礙了微流控芯片檢測儀的普及［4］。少部分使用單片機作為主控單元，存在集成性、交互性不足，缺少數據庫存儲功能等問題［5～7］。針對以上問題本文提出基于嵌入式ARM的微流控PCR 檢測系統，構建便攜、低成本、功能集成、可操作性強的微流控PCR檢測系統。

1 硬件系統設計

1.1 總體設計

檢測系統需錄入用戶檢測信息、試劑與樣本的條碼或二維碼信息，檢測時對微流控PCR的流路運動、溫度控制、熒光信號采集過程進行控制并實時顯示檢測數據，檢測完成后存儲數據、打印檢測報告。針對以上需求，檢測系統由上、下位機2個中心控制單元和多個執行單元組成，上、下位機之間通過UART 接口通信，硬件系統總體框架如圖1所示。

圖1 硬件系統總體框架

上位機中心控制單元選用ARM A35 系列的國產瑞芯微四核64位低功耗處理器PX30。顯示屏與觸摸屏是人機交互界面的入口，實現軟件系統的顯示與控制；掃碼模塊與打印模塊接入PX30，實現檢測過程中條碼與二維碼的信息識別，以及檢測報告的打印；RTC模塊為系統運行提供硬件基準時間。下位機采用模塊化設計，主控制器選用ST公司的STM32F103系列芯片。路由站是下位機中心控制單元，負責協調上位機系統與功能模塊之間的通信控制、檢測進出倉和急停功能按鍵、控制光源以及采集PCR擴增過程中光源激發的熒光信號。

溫度控制模塊實現PCR 擴增過程中溫度信號的采集與控制，溫度信號經過電壓轉換電路、濾波電路、放大電路接入到AD采集芯片中，主控芯片通過溫度信號調節加熱制冷模塊輸出。微閥和微泵是微流控芯片的重要組成部分，通過微泵推動流體、微閥控制微管道的通斷，實現液體樣品在芯片流道中的不同流向［8］。流路控制模塊主控制器獲取并處理來自路由站的指令后，通過可變靜態存儲控制器（flexible static memory controller，FSMC）并行接口與現場可編程門陣列（field programmable gate array，FPGA）芯片SPARTAN-6通信，SPATRTAN-6 內部軟核控制I／O口與外圍電機和開關量驅動工作，驅動微泵和微閥實現微流控PCR芯片中液體流路運動的控制。

各執行單元掛載在RS-422 通信總線上，通過唯一的ID來識別端對端的通信。通信時，路由站通過UART端口獲取并處理上位機發送的指令，再由通信總線轉發至其他功能模塊。可擴展的通信方式，在增加執行單元時，將其掛載在總線上即可實現通信控制，增強了系統的可擴展性。

1.2 通信電路設計

為實現功能模塊之間的數據通信與控制，采用RS-422轉RJ45網絡端口、RJ45 網絡端口轉RS-422 的方式進行數據傳輸。通信模塊電路如圖2 所示。RS-422 隔離芯片選用ADM2484E，引腳RxD、TxD分別與主控芯片串口的接收和發送端連接，RE和DE用于控制數據接收和發送。位于路由站的通信單元設置為主機模式，其他模塊為從機模式，從機模式下A、B與Z、Y信號線與主機端交叉連接，實現全雙工通信。

圖2 RS-422 通信模塊電路

1.3 熒光信號采集電路設計

光電二極管能夠將微弱光信號轉換成電流信號［9］，PCR反應過程中使用激光二極管作為光源模塊激發熒光信號，通過光電二極管捕獲熒光信號，由于待測信號十分微弱且為電流信號，需通過I／V轉換電路將電流信號轉換為電壓信號。轉換電壓經過濾波電路、調零電路、放大電路處理，將信號調整為AD采集范圍內的電壓信號，主控芯片通過AD采集模塊獲取熒光信號數據。

1.4 溫度采集與控制電路設計

在集成控制系統中，為準確測量實時溫度，溫度傳感器和加熱制冷器通常制作在同一硅片上［10］。溫度傳感器選擇Pt100高精度鉑（Pt）電阻，溫度采集電路如圖3所示。

圖3 溫度采集電路

調節電位器RV1 與TL431 產生電橋的參考電壓。Pt100通過電橋輸出電壓信號，當電橋處于非平衡狀態時，采集端形成電壓差。其電壓增益為

半導體加熱制冷模塊為電流驅動型元件，選用DRV8871驅動器，通過兩路脈沖寬度調制（pulse width modulation，PWM）波信號控制驅動器內部H 橋的電流方向、調節PWM波占空比，實現加熱制冷極性的轉換和功率調節，以控制模塊溫度。

1.5 微泵驅動電路設計

為精確控制微泵中步進電機運動、減少發熱和功耗，采用CD74HC123 半流鎖定芯片與TB67S109AFNAG 電機驅動芯片實現對步進電機的運動控制，驅動電路如圖4所示。

圖4 微泵驅動電路

時鐘（CLK）信號為PWM 波脈沖信號，同時與CD74HC123的1A引腳和TB67S109AFNAG的CLK引腳連接，CD74HC123 的參考電壓輸出Vref作為TB67S109AFNAG芯片的參考電壓輸入，驅動電流與參考電壓的關系為

式中 Gain為內部放大器增益。當CLK 信號有脈沖作用時，CD74HC123的Q1引腳輸出高電平，否則輸出低電平，參考電壓關系分別如式（3）、式（4）所示，調節R4阻值可設置不同狀態的參考電壓，進而調節工作電流

2 上位機軟件設計

上位機軟件設計基于Ubuntu16.04 操作系統和Qt5.12 ＋Qt Creator開發環境，采用C ＋＋和QML 語言結合SQLite數據庫進行開發。底層控制與邏輯交互使用C ＋＋，QML主要負責數據顯示與用戶交互，C ＋＋與QML之間通過信號和槽機制來實現交互。上位機軟件根據功能分為7個模塊，如圖5所示。各模塊采用相互獨立的設計，根據不同功能封裝成類，滿足微流控PCR系統的檢測控制需求。

圖5 上位機軟件功能框圖

2.1 多線程通信框架設計

為提高系統運行的效率和穩定性，將占用資源的模塊通過多線程的方式來運行，交互方式如圖6 所示。線程交互數據是主線程與多線程之間交互的接口，保存線程的工作狀態、執行隊列等信息。使用互斥鎖確保線程數據的有序讀寫訪問，通過對線程數據的讀寫控制，實現多線程運行狀態的控制和執行信息獲取。子線程判斷線程交互數據決定執行狀態，執行結束后，將執行信息更新至交互數據中。

圖6 線程交互流程

2.2 設備節點映射

系統控制模塊較為分散，為協調統一底層控制單元，將硬件資源與軟件功能模塊整合，映射為對應的設備節點，軟件系統通過訪問設備節點來實現對資源模塊的協調與控制，映射關系如圖7所示。設備節點繼承自同一基類，包括節點狀態、詳細信息、事件記錄等屬性和控制接口。系統啟動時初始化硬件資源，將設備節點添加至隊列中，設備節點記錄本節點所用資源的狀態及詳細信息。

圖7 設備節點映射關系

2.3 路由通信設計

軟件系統通過路由通信線程與底層路由站通信實現對執行單元的控制與數據訪問。通信采用一應一答的方式進行，應用層協議采用定長的數據幀結構進行數據傳輸，數據幀結構定義如表1所示。

表1 應用層數據幀結構定義

站號表示數據幀的目標通信站，用于區分RS-422通信總線上的通信站；設備類型定義為通信站中的執行設備；控制字表示對目標設備進行的操作，分為設置指令、查詢指令兩大類；數據位用于傳遞對目標設備的設置參數和查詢信息。路由通信線程采用指令條目保存待發的數據幀信息，操作設備節點時，將事件分為1 個或多個指令條目添加至設置指令列表中，當線程檢測到有設置指令，優先添加至發送條目中。查詢指令列表保存需要輪詢的指令條目。發送時，將指令條目按照鏈路層協議以字節為單元拆分至數組中發送。

3 實驗測試與結果分析

3.1 系統運行測試

將基于嵌入式ARM的微流控PCR檢測系統應用于自主研發的微流控PCR 檢測設備中進行測試，運行實物如圖8（a）所示。主界面右上角顯示設備運行的狀態，點擊設備圖標，可查看設備各節點的狀態信息；主界面有6個功能按鈕，點擊后進入不同的功能界面。點擊“檢測分析”按鈕，錄入信息后開始檢測，檢測界面如圖8（b）所示，實時顯示反應過程中的溫度、熒光數值曲線、當前PCR 循環等信息。篇幅所限，只列舉部分界面。測試表明：上位機軟件實現了微流控PCR檢測過程的控制、實時數據顯示、信息存儲等功能的集成，界面簡潔，人機交互效果好。

圖8 系統運行測試

3.2 熒光信號采集測試

將待測熒光微球分別稀釋4，8，16，128，256 倍，對不同濃度的待測熒光微球進行檢測，記錄各個濃度待測樣本的峰值電壓。將電壓數據與稀釋倍數擬合，如圖9所示，其乘冪趨勢較好，相關系數為0.996，表明該熒光信號采集模塊靈敏度高。

3.3 微泵流路測試

將3種不同類別微泵進行流速測試，通過設置步進電機驅動的PWM波頻率和步進分辨率來調節微泵流速，其中氣泵（50 μL）流速范圍0 ～42 μL／s、洗脫泵（50 μL）流速范圍0 ～36 μL／s、試劑泵（25 μL）流速范圍0 ～18 μL／s，流速范圍符合系統需求。

3.4 溫控測試

將溫控模塊依據PCR反應三溫區（55，72，93 ℃）擴增流程進行40個循環的恒溫測試和升降溫測試。起始溫度為室溫（25 ℃），以93，72，55 ℃的循環順序進行實驗，每個設定溫度點持續30 s后進行升溫或降溫，直至溫度到達下一個設定值，數據如表2和表3所示。

表2 恒溫測試數據 ℃

表3 升／降溫測試數據

通過測試數據可知恒溫控制精度的標準偏差小于0.1 ℃，平均升溫速率7 ℃／s 以上，平均降溫速率4.8 ℃／s以上，滿足PCR反應溫度控制的精度和升降溫要求。

4 結束語

本文提出基于嵌入式ARM 的微流控PCR 檢測系統。該系統以ARM 處理器為控制核心，硬件執行單元采用模塊化設計，通過可擴展的通信機制，實現對各功能模塊的控制。并使用Qt結合SQLite數據庫設計了上位機軟件，界面設計與邏輯控制代碼分離，通過多線程和節點映射實現對硬件執行單元的控制。實驗表明：檢測系統界面簡潔，人機交互效果較好，可操作性高，具有功能集成、占用體積較小、成本低的優點，各項控制參數均符合要求，為微流控PCR檢測系統的構建提供了解決方案。