生物分子相互作用分析仪的自动控制系统设计

张锦杰 邓 焱 王大千 余兴龙

(清华大学精密仪器与机械学系精密测试技术及仪器国家重点实验室，北京 100084)

0 引言

光学表面等离子共振(surface plasmon resonance，SPR)传感可以灵敏地感应出金膜表面的折射率变化［1］。只要在金膜表面固定探针(即受体分子)，一旦它与配体分子结合，就会引起折射率变化，即可进行检测。这种方法具有灵敏度高、实时且无需标记等优点［2］，为蛋白质组学研究、药物发现与开发以及临床诊断所青睐［3］。

如果说SPR传感是分析仪的灵魂，那么自动控制就是其神经系统。传感器只能将被测物理量转换成可获取的信号，如要保证检测精度和仪器的协调运行，则必须依靠自动控制系统。本文针对所设计的分析仪具有实时性强、精度高、保障环节多、流程控制严格和样本定量准确等特点，利用CAN总线技术以及“反馈”和“强制”命令方式，将VC2008作为控制软件开发平台进行分层设计，采用等步和等时间离散加速度曲线法，分别控制盘库和波片机构的驱动电机，并运用数字PID稳定控制流体池的温度和对CCD可靠制冷。试验表明，这些设计保证了分析仪的性能指标和功能的实现。

1 控制系统总体结构

分析仪由SPR传感、微流体和自动进样3个系统组成，各系统还可按功能分为不同的模块。控制系统的总体硬件设计如图1所示。

图1 控制系统总体硬件设计Fig.1 Architecture of the control system

SPR传感系统是分析仪的核心，检测信号源于该系统，其指标直接决定仪器的性能。在此，必须保证激光器控温模块控温精度在0.1 K，伺服控制模块的角度重复定位精度达到10″，且需要由制冷模块对CCD进行可靠制冷，以降低读出噪声。自动进样系统的功能是按设计流程，将试剂和样品等依次、定量地注入到微流体系统中，且要求具有时序和微量控制能力。微流体系统不仅要保证按时序控制不同的样本或试剂流过传感面，而且要确保流速一致。为了实现分析仪的全自动操作，还需在各系统、各模块之间按照一定的时序进行动作协调。这就要求控制系统具有协调控制各个模块的能力。

计算机既需要检测各个模块硬件的状态，又要根据试验流程对各个模块进行协调控制。为了便于根据实际需要进行模块扩展，控制系统采用了现场总线的CAN总线技术。这是一种多主方式的串行通信总线，采用报文标志符滤波和非破坏的总线仲裁技术，实现点对点、一点对多点和全局广播的通信［4］，以减轻上位机控制软件的负担，并易于进行节点扩展。同时，它还具有出错自动重发和高抗电磁干扰特性，能抑制使用交流伺服电机后可能产生的干扰。图2所示为控制系统的硬件拓扑结构，仪器的每个控制模块都是一个CAN节点，它通过总线与USB转CAN通信模块同上位机连接。上位机通过USB总线将数据命令传递给通信模块，通信模块负责把USB格式命令转换成CAN报文格式，再传递给底层的各个模块。此外，上位机的控制软件实现对底层各个模块硬件状态的检测和控制，并按照生物试验流程对仪器进行自动控制。

图2 控制系统的硬件拓扑结构Fig.2 Hardware toplogy of the control system

1.1 OSB转CAN通信模块

通信模块采用LPC2368单片机，内含2个CAN口和1个USB口。它与TI公司的SN65HVD230CAN收发器一起，组成CAN通信节点［5］，程序框架如图3所示。程序将AHB1总线上的8 kB SRAM分成2个4 kB的循环FIFO。其中一个用作USB的输入缓冲区，用IN_START_ADDR和IN_END_ADDR分别标志缓冲区的头和尾;另一个用作USB的输出缓冲区，用OUT_START_ADDR和OUT_END_ADDR分别标志此缓冲区的头和尾。整个程序由中断来驱动，当CAN的“接收中断”产生时，先将CAN数据的格式转换，再存入输入缓冲区。当USB产生“输入中断”时，从输入缓冲区提取数据并发送给上位机;输出缓冲区的操作过程与之相反。交替执行这一过程，便完成了USB与CAN的通信。

图3 USB转CAN通信模块程序框图Fig.3 Program flowchart of USB to CAN communication module

1.2 进样机构与伺服控制模块

自动进样机构控制模块主要是对盘库和固定进样针悬臂的步进电机进行控制，尤其是控制盘库的精确定位。盘库中存储了多种样本，要保证进样针能正确地吸取所需样本，必须控制盘库准确地转到对应的位置上。伺服系统控制模块控制波片机构中的两块波片交替出现在光路中，实现光的时域相位调制。

执行元件选用松下交流伺服电机MSMD5AZS1U，其备有17位编码器，重复定位精度为±1位，即10″，需在0.2 s内完成定位。步进电机和伺服电机都采用“控制卡+驱动器+电机”的控制方式，需对步进脉冲进行控制［6－7］。脉冲输出采用 STM32F103C6单片机加三极管集电极输出，与SN65HVD-230CAN收发器一起，组成CAN通信节点与总线相连。

盘库转动较慢，小于15 r/min时，其加减速控制方式采用如图4(a)所示的等步离散加速度曲线法，加减速过程按等步距计算脉冲发送频率，保证启停平稳准确。伺服电机转动速度较高，达到120 r/min时，采用如图4(b)所示的等时间离散加速曲线法，加速过程按等时间分成若干个阶段，每阶段计算脉冲发送频率，获得较粗划分，提高效率。

图4 线性加减速离散化曲线Fig.4 Discrete curves of the linear acceleration and deceleration

伺服控制模块定位控制结果如图5所示。

图5 定位控制的实测图Fig.5 Measured diagram for positioning control

伺服电机控制固定在玻片承载机构上的两块波片交替定位在光路中，实现光的时域调制。具体执行过程是先正转33°，再正转33°，然后反转66°回到原位，这就完成1个周期。根据检测需要，可连续运行。从图5中可知:①控制模块实现了脉冲输出的线性加减速控制;②正转33°所需定位时间(位置偏差小于1个脉冲，相当于只用10″)不大于 0.12 s;反转 66°所需定位时间不大于0.18 s，满足控制要求。自动进样机构控制模块步进脉冲控制方式与此类似，不再赘述。

1.3 控温模块

系统涉及的控温模块有激光器、流体池的控温模块和CCD制冷温控模块，其控温原理如图6所示。

图6 控温模块原理图Fig.6 Principle of temperature control module

系统采用热敏电阻、标准电阻和数模转换器DAC1提供的参考电压构成电桥。热敏电阻将温度变化转化为电信号，与参考电压比较后经差分放大、信号调理和模数转换后送入单片机进行PID运算，运算结果经DAC2数模转换和功率放大后驱动半导体制冷器TEC，对激光器与微流体池进行控温。为了减小系统的电压漂移，用基准电压源芯片来提供电桥和数模转换器的参考电压。采用的主要芯片为ADμC7026和MAX1968。实测达到的控温精度为0.1 K，控温范围为15～37℃，满足了系统要求。

2 通信协议

计算机通过发送各种“命令”，对底层各个模块的硬件状态进行检测和控制。命令格式如图7所示。每条命令包含1个字节的标志码、1个字节的指令码和最多8个字节的数据段，标志码中有4 bit的数据长度码和4 bit的地址码，指令码中只有3 bit的指令类型码和4 bit的功能码。命令格式与11 bit的CAN报文标识符的转换如图7(d)所示。

图7 命令格式Fig.7 Command format

3 时序控制

为实现按动作时序对各个模块进行控制，将命令分为“反馈命令”和“强制命令”。命令总是由上位机发出“请求”，模块接收到命令后，执行相应动作。如果是“反馈命令”，则在动作完成后，向计算机发送“响应”;如果是“强制命令”则无需通知上位机，即没有“响应”。

以包含开机自检、仪器初始化、试验和试验结束等4个部分的典型试验流程为例，介绍如何实现动作时序控制。

模块遇到反馈命令或相应的“响应”时，直接向总线发送相应命令;遇到强制命令时，等待硬件设备发送响应命令，确认收到后，再处理下一条命令。只要合理地设置命令流，便可按照试验流程对仪器进行控制。命令流需遵守一条原则:属于同一硬件设备的“反馈命令”，只能在上一条“反馈命令”处理结束后才能被发送。

4 计算机控制软件设计

控制软件采用VC2008作为开发平台，其程序流程如图8所示。

图8 计算机控制软件流程图Fig.8 Flowchart of the computer control software

程序启动后，仪器自检，检查底层各个模块的工作状态，若无异常，则正常执行程序。程序结构分为用户、自动控制和图像采集与处理3层。其中，用户层是上层，可以通过手动模式调用常用的温度、进样和取样设定等功能;同时，也可使用自动模式，通过设定流速、温度、进样方式、样品和循环次数等，自动生成仪器的控制命令流，进行生物试验。自动控制及图像采集与处理层为下层，前者使用预设的命令流模板，根据用户设定的参数自动生成命令流，通过“命令发送逻辑”，实现对底层各个模块的时序控制;后者则专门处理CCD采集的图像数据，并提供显示和后处理功能，解算出生物反应的动力学参数等。

图9展示了用于SPR传感生物分子相互作用分析仪的控制软件界面。主程序界面的工作区显示CCD采集的数据图像，下部的状态面板显示流速、温度以及事件报告，应用程序向导提供给用户自动模式功能。自定义命令流用于生成命令流模板和自定义动作时序，也可直接用于各个模块之间的联调。

图9 计算机控制软件界面Fig.9 Interface of the computer control software

5 结束语

本文详细介绍了基于时间相位调制SPR生物分子相互作用分析仪的控制系统设计，包括主要硬件模块和计算机控制软件的设计。试验结果表明，利用CAN总线技术对仪器底层各个模块进行分布式控制，灵活紧凑;采用等步距和等时间离散加速度曲线法，分别控制盘库和波片机构的驱动电机，敏捷精密;采用数字PID控制SPR传感单元的温度和制冷CCD，稳定可靠，精度达0.1 K;采用“反馈”和“强制”命令方式，实现按动作时序对各个模块进行控制，协调准确;采用VC2008作为控制软件开发平台，将程序结构分为用户、自动控制以及图像采集与处理3层，简单灵活。这些设计保证了分析仪的性能指标和功能实现，满足用户的操作要求。

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［3］Robert K.SPR for molecular interaction analysis:a review of emerging application areas［J］.Journal of Molecular Recognition，2004，17(3):151－161.

［4］饶运涛，邹继军，郑勇芸.现场总线CAN原理与应用技术［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2003:1－83.

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