（信号与信息处理专业论文）基于模糊自适应pid控制的pcr仪温控系统研究.pdf

illlllllllllllllllllll!l,lllly175 0 18 1 1 1 5 帆 基于模糊自适应p i d 控制的p c r 仪温控系统研究 慧主：杏易涉 指导教师签字：5 7 弓 摘要 基因扩增( p c r ) 仪器一直是各种生命科学研究中最重要的基础设备，而现有科学仪器 的高成本是我国整体医疗水平仍处于较低状态的主要原因之一。在保证仪器控制系统拥有 较好性能的基础上尽可能地降低硬件成本，使得急需的科学仪器在社会底层研究机构中得 到普及，是研究本课题的根本目的和意义。为提高p c r 仪的性价比，本文主要做了以下 几个工作： l 、研究了先进的智能控制算法，以达到提高控制系统的控制精度的目的。p c r 仪的 温度控制算法采用由智能控制中的模糊控制结合经典的p i d 控制所构成的模糊自适应 p i d 控制，并结合实际情况对其做了相应的改进。文中对该算法进行了详细的阐述，并使 用m a t l a b 软件验证了该控制算法的优越性。 2 、经过将p i d 算法与模糊控制算法结合构成模糊自适应p i d ( f a p i d ) 控制的优化方 法，使智能控制能够应用到低端芯片上，可以降低硬件成本。将p i d 控制的输入输出量 化后，针对输入不同的误差和误差变化率，利用m a t l a b 离线计算出对应的模糊控制输出， 构成模糊表；当控制器在线工作时只需通过查表便可得到控制输出量，避免了大量在线计 算，提高了系统运算速度，并能够在一定程度上节省系统资源。 3 、改进硬件电路，降低仪器的功耗。在b t l 驱动电路中使用场效应管作为开关，使 用桥式推挽电路进行功率驱动，并对其电路构造进行了改进，降低了电路的无功损耗。使 用m u l f i s i m 软件对电路进行仿真得到了很好的电压波形图。另外，使用适当的p w m 输 出控制方式大大提高了控制输出精度。 4 、在有限的硬件基础上编写了功能较多的人机交互界面程序，提高p c r 仪的实用性。 针对p c r 仪产品设计开发了由液晶显示器和键盘构成的人机交互模块，采用模块化的思 想设计和编程，大大提高了程序的可移植性。已完成的菜单显示与操作功能经实际操作验 证是合理可靠的。 本文通过研究模糊控制算法与p i d 控制算法，构成模糊自适应p i d 控制，使用查表 法并引入阶段控制域理论，以降低系统运算部分的计算量，为智能控制算法在低端芯片上 实现提供基础，本文已完成了人机交互界面的设计和开发，并赋予程序很好的移植性，可 在单片机及嵌入式芯片上继续开发。本文旨在以提高软件质量来降低系统硬件成本，实现 重要的生命科学仪器在社会中的普及与应用。文中所涉及软硬件设计均通过软件仿真或硬 件证实系统设计可靠合理。 关键词：p c r ；f a p i d ；算法优化；p w m 控制输出；b t l 驱动；人机界面 r e s e a r c ho fp c ra m p l i f i e rt e m p e r a t u r ec o n t r o la l g o r i t h mb a s e d o nf u z z y - a d a p t i v e p i d d i s c i p l i n e ：s i g n a la n d i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g s t u d e n ts i g n a t u r e ：l u ? ? s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ： 心；、舭 a b s t r a c t p c r ( p o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n ) a m p l i f i e rh a sb e e nt h em o s ti m p o r t a n tf u n d a m e n t a l e q u i p m e n to fl i f e s c i e n c er e s e a r c hs i n c e19 8 0 a n dt h eh i g hc o s to fc u r r e n t l y e x i s t i n g s c i e n t i f i ce q u i p m e n ti so n eo ft h ep r i m a r yc a u s e st h a tm a k et h ew h o l em e d i c a lt r e a t m e n ts t a yo n al o wl e v e li no u rc o u n t r y t oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c ea n dc u td o w nt h eh a r d w a r ec o s t , o n eo f t h eb e s tw a yi ss t u d i n gi n t e l l i g e n tc o n t r o la l g o r i t h m w i t ht h ep u r p o s eo fi n c r e a s i n gt h ep c r s p e r f o r m a n c e ，f o l l o w i n gw o r k sh a v eb e e n d o n ei nt h i sp a p e r 1 a d v a n c e dc o n t r o l a l g o r i t h mf u z z y - a d a p t - p i d h a sb e e ns t u d i e dt oi m p r o v et h e p r e c i s i o no ft h ec o n t r o ls y s t e m f u z z y a d a p t p i d ( f p i d ) c o n t r o li sc o m p o s e db yf u z z yc o n t r o l a n dp i dc o n t r o l ，i tc o m b i n e st h ea d v a n t a g e so fb o t h a n di nt h i sd i s s e r t a t i o n , w ei m p r o v e dt h e a l g o r i t h mt om a k ei ts u i t a b l ef o rt h i st e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m t h i sf p i dc o n t r o la r i t h m e t i c i sd e s c r i b e di nd e t a i l ，a n dt h es u p e r i o r i t yo ff p i di sp r o v e db ym a t l a bs o f t w a r ei nt h i s d i s s e r t a t i o n 2 i n t e l l i g e n c ec o n t r o la l g o r i t h mi su s e do nm c u t or e d u c et h eh a r d w a r ec o s t i nt h i s p a p e r , t h ec o n t r o lv a r i a b l eo ft h ec o n t r o l l e ri ss i m u l a t eb ym a t l a bs o f t w a r ea n dt h eo u tp u t v a l u e si se d i ti n t oac o n t r o lr u l et a b l ew i t hd i f f e r e n te r r o rv a l u e sa n dr a t e ，a f t e rq u a n t i z et h e i n p u ta n do u t p u tv a l u e so fp i dc o n t r o l l e r ；i tc a ns i m p l yf i g u r eo u tt h ec o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c s a n ds a v em u c hr e s o u r c eo fc p u 3 i m p r o v et h eh a r d w a r ec i r c u i tt or e d u c ec o s to fp o w e r m o s f e ta sc i r c u i td i s j u n c t o r s a r ed e s i g n e di nt h es i m u l a t e dt h en e wd e s i g nw i t hm u l t i s i ms o f t w a r ea n df i n a l l yw eh a v eg o ta p e r f e c to s c i l l o g r a m b e s i d e st h ec o n t r o lp r e c i s i o ni sg r e a t l yd e v e l o p e db yp w m c o n t r o lm o d e 4 t h er e s e a r c ho fh u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c ew h i c hi sc o m p r i s e db yl c da n dk e y b o a r d i se x p o u n d e dp a r t i c u l a r l y ；w ed e s i g nt h ei n t e r f a c ea n dc o d i n gt h ep r o c e s s i n go fp c ra m p l i f i e r b yi n t e r f a c em o d u l e ，m o d u l a rt h ep r o g r a m t ob ec o n v e n i e n tf o rr e c o d i n gb yo t h e rr e s e a r c h e r s p r a c t i c a lt e s td e m o n s t r a t e dt h a tt h i sm o d u l ew o r k sw e l la n ds t e a d y f u z z y a d a p t p i d ( f p i d ) c o n t r o li si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t os o l v et h ec o n t r o lp r o b l e mi n p c rt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m ，a n dw ec r e a t et h et a b l el o o k - u ps c h e m et oi m p r o v et h e c a l c u l a t i o np a r ta n dt h eh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o ni sf i n i s h e d ，i tw o r k sw e l lb yp r a c t i c e s m a n yt i m e s ，a n dt h ec o d eh a sg o o dt r a n s f e r a b i l i t y , i ti se a s yt oc o n t i n u ep r o g r a m m i n g t h r o u g h s o f t w a r es i m u l a t i n ga n dh a r d w a r ep r a c t i c i n g ，i ti sp r o v e dt h a tt h ec o n t r o ls y s t e md e s i g ni s w o r k a b l ea n ds t a b i l i t y k e yw o r d s ：p c ra m p l i f i e r ；f u z z y a d a p t i v e p i d ；a l g o r i t h mo p t i m i z a t i o n ；p w mo u t p u t c o n t r o l ；b t lc i r c u i t ；h u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c e 目录 l 绪论1 1 1 本课题研究的背景、目的及意义1 1 1 1 课题研究的背景1 1 1 2 课题的目的和意义2 1 2 基因扩增仪的介绍2 1 2 1p c r 技术简介2 1 2 2 基因扩增仪的产生及研究现状3 1 3 论文的主要内容及章节安排5 1 3 1 论文的主要内容5 1 3 2 论文的章节安排5 2 系统构成和工作原理7 2 1 系统的整体结构及功能特点7 2 2 温控系统的工作原理8 2 2 1 控制系统介绍8 2 2 2 系统硬件概貌9 2 2 3 系统的工作原理1 0 3p c r 仪温控系统的硬件设计1 3 3 1 硬件总体构架方案1 3 3 2c p u 控制器1 4 3 3 人机交互模块设计1 5 3 3 1 液晶显示器驱动电路设计1 5 3 3 2 键盘驱动电路设计1 6 3 4 温度数据采集模块设计17 3 4 。l 温度传感器p t l 0 0 0 1 7 3 4 2 温度检测电路的设计1 8 3 4 3 模数转换器a d c 1 9 3 5 半导体驱动模块设计1 9 3 5 1 输出控制方式1 9 3 5 2 半导体制冷器介绍2 0 3 5 3 隔离环节2 3 3 5 4 功率驱动电路的设计2 3 3 5 5 半导体驱动模块仿真2 6 3 6 热盖加热电路2 9 4p c r 仪温度控制算法的研究3 0 4 1p i d 控制3 0 4 2 积分分离式p i d 31 4 3 模糊控制31 4 4 模糊自适应p i d 控制3 3 4 4 1 模糊自适应p i d 控制系统3 3 4 4 2 模糊自适应p i d 控制器设计3 5 4 5 切换模糊p i d 控制器3 8 4 6f a p i d 控制仿真分析3 9 5p c r 仪软件的设计4 l 5 1 软件编程环境介绍 5 2 系统软件整体结构 5 3 主程序模块 5 4 模糊自适应p i d 控制算法软件模块 5 5 人机交互模块设计。 5 5 1 人机交互界面的设计 5 5 2 人机交互模块的编程 5 6a d c 5 7p w m 输出控制模块 6 总结和展望 6 1 论文总结 6 2 对工作的展望 参考文献 攻读硕士学位期间发表的论文 j 改谢 学位论文知识产权声明 学位论文独创性声明 1 绪论 1 绪论 1 1 本课题研究的背景、目的及意义 生命科学是一门研究生命现象、生命活动本质、特征和发生、发展规律以及各种生物 之间和生物与环境之间相互关系的科学【l 】。它的研究不但依赖物理、化学知识，也依靠基 于这些知识所设计出的生命科学仪器所提供的研究环境。生命科学仪器就是辅助科学研究 提供精确研究环境的仪器设备，比如基因扩增仪、x 射线仪、蛋白质梯度凝胶电泳等等。 使用高精准度高效率的生命科学仪器能促进科学研究的快速发展。因此研究和设计性能 好、自动化程度高的生命科学仪器对于生命科学的持续性发展有着重要的意义。 1 1 1 课题研究的背景 聚合酶链式反应( p o l y m e r a s ec h m nr e a c t i o n ) ，简称p c r ，是体外酶促合成、扩增 d n a 片段的一种方法，该方法可以使目标d n a 在几个小时内扩增千百万倍，在该反应 中，使用与目的d n a 序列互补的寡核苷酸作为引物，进行多轮的d n a 合成。p c r 技术 被广泛应用于医学、农业、考古学等各个重要领域的基因研究和分析，例如癌症、遗传性 疾病、传染性疾病等病原体的诊断；农作物、牲畜等品种的改良等方面，p c r 检测系统 都能发挥其独到的定量诊断作用，尤其对生命科学和生物工程的研究发展产生了革命性的 影响。 2 0 0 9 年3 月首度爆发于墨西哥的甲型h 1 n 1 流感逐渐蔓延至全球，并且随着疫情的级 别不断升高，世界人民的生命受到了自2 0 0 3 年s a r s 疫情以来的又一次严重威胁。在流 感爆发之后的几个月内，许多国家的卫生防疫部门都很快提出了应对方案。根据w h o ( 世 界卫生组织) 发布的甲型h 1 n 1 流感病毒检测公告以及我国疾病预防控制中心甲型h 1 n 1 流感病毒实验室检测技术方案，实时荧光p c r 方法被规定用于快速检测新型h 1 n 1 流感病 毒核酸并且是唯一承认有效的检测方法。s a r s 病毒和甲型h 1 n 1 流感病毒，这两者都是 由普通病毒变异出的新种病毒，人类已有的病毒数据库对于这些病原体的知识量为零，然 而在灾情爆发后，人们能很快地查清这些病毒的基因序列结构，就是得力于采用了p c r 技术。这预示着p c r 技术在对于未来有可能发生的重大变异病毒的检测方面会起到极其 重要的作用。所以基因扩增仪器将会始终作为生命科学研究中不可或缺的基础实验设备存 在。 我国目前在p c r 仪器方面的技术研究尚不成熟，市场上现有的国产仪器因为不能达 到对这种新型变异流感病毒的检测与分析的要求，所以目前我们国家还只能向外国企业进 购这种p c r 仪器对病毒进行检测，这样可能由于仪器价格、货源等因素的限制导致一些 相关研究进行较慢，病毒扩散抑制较晚。这就成为发展我国自主研发的生命科学仪器的一 西安工业大学硕士学位论文 个信号，一个启示。 1 1 2 课题的目的和意义 人们的注意力和发展方向已经由追求物质逐步转向人类自身生存方向，这可以由各国 大力发展医疗行业看出。所以生命科学仪器在将来的发展会是非常迅猛的。而基因扩增仪 的发展对于未来的临床医学和医药研究也有着深远的影响。设想在未来人们通过使用基因 扩增仪器对各种癌症细胞扩增之后进行分析研究，可以在现有的生物资源中快速提取合适 的元素制成药剂轻松治疗现在所谓的人类“绝症”，因此不断发展基因扩增技术和提高基因 扩增仪的性能对于帮助不仅是在医学领域上也包括各种生物的生存和发展方面都有着一 定的促进作用。随着p c r 技术多样化的发展，出现了荧光p c r ，梯度p c r 等突出某项特 性的基因扩增技术，各种新型p c r 技术从科研领域到医疗领域再到民生领域的应用进一 步扩大，许多行业都存在着p c r 技术的身影，因此在未来p c r 技术的研究会得到人类更 加广泛的关注。 但是结合我国目前整体医疗水平和生命科学研究水平还处于比较低的阶段这一实际 情况，例如有的西北部地区的医院最高级别只有一级乙等( 三级甲等为最高) ，这种医院 甚至还不具备有先进医学研究仪器( 比如基因扩增仪) 的条件，在这些地区，昂贵的实验 室装备是负担不起的，所以研究新变异的病毒或是及时研制新药都是不可能的，如若需要 则必须向高等医疗机构采购，导致在时间、运输等方面都收到限制。所以更好的办法就是 通过研究高级智能算法，在价格相对较低的低端硬件上也能可靠地实现这些研究仪器的功 能，提高研究仪器的性价比，在保证可靠性的基础上尽可能的降低生产成本，使得真正有 帮助的科学仪器能够迅速在社会中普遍应用，这也是研究这项课题的根本目的和意义。 1 2 基因扩增仪的介绍 1 2 1p c r 技术简介 聚合酶链式反应最初只是美国科学家m u l l i s 等人基于科学家k o r a n a 于1 9 7 1 年提出的 “d n a 经过变性之后与合适的引物杂交，使基因组链延伸，并在一定条件下可不断重复” 的核酸体外扩增思想而产生的对特定的d n a 片段在生命体外进行快速扩增的一种理论。 该理论一改传统分子克隆技术的模式，不通过活细胞，能在一个试管内将所要研究的特定 基因或某一d n a 片段于数小时内扩增至十万乃至百万倍，大大提高了d n a 的获得率。 m u l l i s 凭借此项研究于1 9 9 3 年获得诺贝尔奖项。 在1 9 7 1 年p c r 还只是处于一种实验阶段的理论，并没有付诸实际生产，p c r 的真正 实现是在1 9 8 5 年美国p e - - - c e t u s 公司人类遗传研究室研制出了具有划时代意义的聚合酶 链反应开始的。其原理类似于d n a 的天然体内复制过程：通过半保留复制完成d n a 从一 条双链变成两条与母链相同的双链的复制过程，经过引发、延伸、终止三个阶段的变化后， 母链分解为两条单链，之后每条单链作为新链合成的模板，保证两条d n a 链与母链的核 2 1 绪论 苷酸序列与母链相同。只是在试管中给d n a 的体外合成提供一切合适的条件模板 d n a 、寡核苷酸引物、d n a 聚合酶、合适的缓冲体系、d n a 变性、复性及延伸的温度 与时间。所以p c r 的复制过程也是经过d n a 的变性、复性和延伸三个阶段使d n a 在生 物体外生成新链。下面简要介绍p c r 变性复性延伸三个基本反应步骤： 1 ) 模板d n a 的变性：基因双链互相结合在一起的原因是两条链之间有互补的氢键 连接，氢键提供两条d n a 单链结合的能量，所以一旦氢键被破坏则双链分解为两条单链。 一般的模板d n a 是加热至8 5 9 5 左右一定时间后模板d n a 双链或经d n a 扩增形成的 双链d n a 就会解离，成为单链，为下轮反应作准备； 2 ) 模板d n a 与引物的退火( 复性) ：d n a 双链在变性分解时的温度足以使双链间 的氢键破裂，但是不至于使d n a 中的元素被破坏，所以d n a 单链仍具有复性的能力， 只要满足两条d n a 单链重新结合，即恢复氢键的条件就可以重新生成d n a 双链。该条件 就是当外界温度降至5 0 5 8 左右时，投入引物，引物与模板d n a 单链的互补序列重新 配对结合生成两条双链； 3 ) 引物的延伸：d n a 模板与引物的结合物在t a q d n a 聚合酶的作用下，以底物 d n t p 为反应原料，靶序列为模板，按碱基配对与半保留复制原理，合成一条新的与模板，。 d n a 链互补的半保留复制链重复循环变性退火一延伸三过程，就可获得更多的“半保留 复制链”，而且这种新链又可成为下次循环复制的模板。每完成一个循环需2 4 分钟，完 成一个p c r 实验将待扩目的基因扩增至几百万倍大概需要2 3 小时。 变性复性延伸这三个步骤就是p c r 技术的主要实现过程，只要保证这三个阶段控 制良好，就可以保证p c r 实验的成功性。 p c r 技术在各种生物基因结构研究的过程中起到了巨大的推进作用。只要已知任一 基因组链的核苷酸序列，即使是高度复杂和突发变异的基因组的基因组，也可应用此技术 在数小时内完成对该区域序列的特异性扩增和及时分析。p c r 技术在基因组工程、病毒 分析、免疫学、化学、动植物学、法医等领域都有非常广泛的应用，据初步统计，目前p c r 技术已经在世界十大科研领域1 8 0 0 多个研究方向广泛应用。 1 2 2 基因扩增仪的产生及研究现状 在基因扩增技术研究初期，研究人员还只是人工将各种引产物和反应条件施予原始样 品，这样的研究方式导致出现反应产物数量稀少、反应成功率低、实验时间长、过程繁琐 等弊端出现，所以发展自动化仪器使基因扩增过程自动化稳定快速化就是进一步需要研究 的方向。p c r 自动化对于p c r 技术的继续研究起到至关重要的作用。世界上第一台p c r 热 循环仪是由美国p e 。c e t u s 公司设计和研发的，它是基因扩增仪( p c r 仪) 的前身，该仪器 的问世意味着p c r 技术的自动化成为现实，此后国外一部分先进科学实验仪器制造商开 始投入大量资金进行关于p c r 仪各方面的研究。 生命科学仪器的发展水平制约着生命科学发展的水平，而生命科学作为未来科学研究 发展的主要方向，很大程度上表示着一个国家科学发展的水平，国内外学者都在生命科学 3 西安工业大学硕士学位论文 仪器相关方面开展了广泛的研究。目前基因扩增仪在国内已应用于部分高等医院、大学、 科研机构、检疫部门的基因诊断和研究。对如人类癌症、遗传性和传染性疾病等病原体的 早期诊断以及对生物品种的改良等方面起到了重要作用，尤其是对生物遗传学最根本的物 质遗传基因的研究起到很大的作用。 自从美国p e 公司，率先在2 0 世纪末期开发了自动p c r 扩增仪以来，技术日臻成熟。 发展到目前，根据各种不同生物实验所需要的特定结构的基因扩增仪逐渐产生，例如梯度 p c r 、荧光p c r 等，这些仪器都是在基本的基因扩增仪的基础上加入一些试剂注入环节 或者光线使该仪器具有辅助提取基因某些特征的功能，但万变不离其宗，各种衍生出来的 仪器最根本的功能还是温度控制，没有良好的温度变化控制就不能实现基因扩增的作用。 国外各厂商争相开辟这一领域的同时，国内也很快出现了很多对此项目投资的公司与企 业，也有相应的仪器产品问世，但是目前国内一些研究机构对于p c r 仪的研究还仅停留 于采购进口仪器然后拆卸下来进行研究这种仿制的阶段，要想与已经占领国内和世界市场 9 0 以上份额的国外仪器相竞争还需要深入的研究和开发。 从功能角度，p c r 仪器的基本功能应包括扩增和分析两项功能，这一点国内外的主 流产品都能做到，差别在于扩增与分析能否同时进行、一次实验时间长短、一次测试样品 数量和定量分析的精度。其余是便于用户使用的附加功能，例如，仪器自检、存储选择、 循环参数设定方式、运行状态显示等，国外著名产品都具备这些功能而国内产品还不具备。 从性能指标角度，p c r 仪的控温范围一般在环境温度到1 0 0 之间，采用制冷措施后 温度下限可以低于环境温度。国外进口仪器的升降温速度在一定的硬件基础上最大可达 1 0 s ，而仪器价格与进口仪器相差不多的国内产品的变温速度则只有2 s 左右。表1 2 列出了国内外几家公司仪器的性能指标。 表1 2 国内p 卜p c r 仪性能指标 由表1 2 可知，国内一些现有的p c r 仪器的控温精度和检测灵敏度都要低于国外主要 厂家p c r 仪器的指标。 4 1 绪论 1 3 论文的主要内容及章节安排 1 3 1 论文的主要内容 本文主要围绕着在保证仪器控制系统拥有较好性能的基础上尽可能地降低硬件成本 的设计思想，从提高p c r 仪的性价比角度出发，对仪器温控系统的软、硬件部分进行设 计，在现有的国内外相关技术研究的基础上，通过设计更精确的控制算法，研究出适合在 我国普遍使用的，具有高性价比的基因扩增仪器。本文主要的研究内容如下： 1 、针对p c r 仪在0 到1 0 0 的范围内即需要快速升降温又需要稳定保持温度的要 求，采用由智能控制中的模糊控制结合经典的p i d 控制所构成的模糊自适应p i d 控制算 法，并结合实际情况对其做了相应的改进。文中对该算法进行了详细的阐述，并使用m a t l a b 软件验证了该控制算法的优越性。 2 、将先进的控制算法应用到低端芯片上降低硬件成本。将p i d 控制的输入输出量化 后，针对输入不同的误差和误差变化率，利用m a t l a b 离线计算出对应的模糊控制输出， 构成模糊表；当控制器在线工作时只需通过查表便可得到控制输出量，避免了大量在线计 算，加快了控制速度节省系统资源。 3 、改进硬件电路降低仪器的功耗。在b t l 驱动电路中使用场效应管作为开关，使用 桥式推挽电路进行功率驱动，并对其电路构造进行了改进，降低了电路的无功损耗。使用 m u l t i s i m 软件对电路进行仿真得到了很好的电压波形图。另外，使用适当的p w m 输出控 制方式大大提高了控制输出精度。 4 、在有限的硬件基础上编写了功能较多的人机交互菜单程序提高p c r 仪的实用性。 针对p c r 仪产品设计开发了由液晶显示器和键盘构成的人机交互模块，采用模块化的思 想设计和编程，大大提高了程序的可移植性。已完成的菜单显示与操作功能经实际操作验 证是合理可靠的。 5 、根据程序框架内容完成控制器的程序编写。并且完成软件系统的各项主程序和子 程序的编写。系统的程序主要包括控制器主程序、液晶显示器显示和键盘扫描程序、人机 交换界面菜单程序、p w m 输出驱动程序、温度采集程序、a d 转换程序等。 1 3 2 论文的章节安排 本论文内容共分六章： 第一章绪论，在总体上介绍了p c r 技术的发展历史过程和目前为止这项技术的应用 现状；之后讲解了基因扩增仪( p c r 仪) 的历史发展状况，以及本课题研究的内容和意 义。 第二章系统总体架构和工作原理，这一章首先介绍p c r 的工作原理，然后主要讲解 温度控制系统的总体结构的设计和系统的功能特点，并介绍了系统的工作过程和基本原 理。 西安工业大学硕士学位论文 第三章为p c r 仪温控系统的硬件设计，硬件设计是软件实现的基础，所以要首先将 要设计好温控系统的硬件部分，这一章将主要讲解设计硬件的主要部分：功率驱动放大电 路、温度检测电路、监控电路等部分。 第四章p c r 仪温度控制算法的研究，这一章是本文的研究重点，主要介绍温度控制 算法一模糊自适应p i d 控制的设计原理和实现方法，包括参数整定方法、控制器设计 岔莹 宇。 第五章p c r 仪软件设计，同为本文的研究重点，因为本次研究的重点就是p c r 仪的 温度控制系统的软件研究，所以包括控制算法在内的，以及各硬件环节的程序设计和编程 就成为了设计的重点。并就如何将先进的智能控制算法编程应用到低端芯片上进行了深入 的研究。本文将在总体上介绍系统软件编程的过程和思想。 第六章总结和展望，这一章是对论文工作所作的总结以及对日后研究工作的展望。 6 2 系统构成和工作原理 2 系统构成和工作原理 基因扩增技术关键的环节就是温度的控制，准确的温度控制可以使p c r 实验顺利的 进行。所以如何准确控制p c r 仪温度变化的速度和温度保持的精度就成为设计基因扩增 仪器的重点。本章首先介绍基因扩增仪温度控制系统的整体结构和系统的功能特点，然后 阐述系统的控制方式，最后介绍系统的基本工作原理。 2 1 系统的整体结构及功能特点 1 ) 系统的整体结构 在以往的p c r 仪研究中，因为控制算法研究的限制，即高级智能控制并没有被应用 到生命科学仪器研究当中，研究人员都是采用硬件控制多于软件控制的系统策略，但是增 加模拟元器件的数量，就会因为模拟器件的固有特性或电路繁杂而产生一定的相互干扰， 在一定程度上降低系统的整体精度。 而温度控制系统具有大滞后的特性，干扰因素过多就会导致大幅降低系统精准性和可 靠性，这就导致了该系统整体只能维持中低端的运行状态，这种情况下就只有硬性提高硬 件的成本来弥补系统所要达到的控制效果。所以如何利用较少并且性价比较高的硬件设施 得到最好的控制效果这个最终的目的，就把基因扩增仪自动化的研究方向导向了软件控制 系统。 模拟电路的控制结构一般由电容电感电阻、模拟集成电路、运算放大器等外围元器件 构成。p c r 仪温度控制系统是个控制温度大幅快速变化的过程，对温控系统的实时性要 求很高，加之温度本身具有大滞后的特性，所以模拟电路的快速响应的特性就比较有优势。 而模拟电路不能依靠元件间的电气关系来实现复杂的控制算法，单片机运用其强大的运算 处理能力则可以弥补这一缺陷，控制算法使用软件实现，就可以提高系统的兼容性和可移 植性。本次基因扩增仪温度控制系统的整体控制是采用软件控制和硬件控制相结合的方 式，具体方法是首先在上位机编写控制程序和键盘及显示器的操作程序，然后将程序下载 到单片机，或通过单片机通讯口连接计算机的两种方法，实现离线和在线均可控制，使仪 器的控制快捷，多样化。采用基于单片机控制系统外围电路、输出功率驱动控制电路、温 度检测电路、由液晶显示器和键盘构成的监控部分电路等的实时控制。 2 ) 系统的功能特点 温度的精确测量和精准控制对于一个系统是十分重要的，比如许多实验反应都需要保 持在特定的温度下进行，不同温度下物质反应的性质不同，而且往往一个实验在不同阶段 需要不同的反应温度，所以温度控制能否做到精度高，稳定性好，速度快，系统易升级等 等是比较关键的。本文涉及的基于单片机控制半导体制冷技术的基因扩增仪的温度控制系 统就力求做到以上几项性能要求。 7 西安工业大学硕士学位论文 从软件角度，控制核心温度控制算法采用了多种先进的智能控制算法相结合，并吸取 了世界先进的分段论域法的部分思想，通过模糊算法和p i d 控制使系统参数达到自适应 的效果的同时又能弥补硬件带给系统的不稳定性。可以实现利用较少的硬件得到较好的控 制效果的目的。 在设计系统的监控部分时通过对多种生命科学仪器的反复操作和对一些仪器的操作 手册的研读，设计出一套操作基因扩增仪器的友好的人机交互过程，并根据此过程设计了 仪器的操作界面即实现仪器的监控模块的设计和程序编写，使得用户在使用此仪器时能够 顺利地完成实验数据的设置。 从硬件角度，本次设计当中的温度检测电路是在融汇了电子线路书籍中所教授的桥式 电路的思想后设计的信号变换电路，将0 到1 0 0 的温度信号转换为0 到2 4 v 的电压信 号。并且将以往人员所研究的功率驱动电路经过改进，去除冗余部分采用精确控制元件， 使控制电路更易实现。 2 2 温控系统的工作原理 2 2 1 控制系统介绍 控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统。 一、开环控制系统 只有正向作用存在于控制器与控制目标之间的系统就叫做开环控制系统【2 】。因为开环 系统中只有正向作用没有反向作用存在，所以是一种单向控制，输出端和输入端没有反向 关联，参与控制的信号只有两部分：干扰和控制量。因为干扰量也是参与控制的所以它对 于控制效果具有很大的影响，所以一般开环系统只适合在机构参数稳定，无强噪声的系统 中使用。开环控制基本框图如图2 1 所示。 图2 1 开环控制系统方框图 开环控制系统因为只有正向作用这一条通道，结构简单，容易调试。因为开环控制的 控制输出量会受系统环境干扰和元部件特性参数变化的影响产生较大偏差，抗干扰能力 差，系统的控制精度需要高精度的元器件配合才能保证。一般而言，高精度的开环控制系 统要求所有的元部件都有较高的精度和很稳定的性能。即开环控制对环境和元件的要求都 比较严格，成本较高。 8 2 系统构成和工作原理 二、闭环( 反馈) 控制 闭环控制是利用系统输出的偏差反馈至系统输入端与输入一同作用于控制器【2 】，其系 统框图如图2 2 所示。这种控制方法的原理是：由传感器测量得到的输出量和输入量之间 的误差作为反向控制量沿反馈通道传递至系统输入，整个控制过程中控制信号在系统中沿 正向通道和反馈通道闭合循环传递。当系统外部出现干扰或者系统内部参数发生变化，被 控量产生偏差经反馈通道传递至控制器，系统就会自动修正控制量以达到控制平衡。明显 的，这种系统在理论上比开环系统更具有实现高精度控制的可能性，对硬件要求不高。 图2 2闭环反馈控制系统方框图 温度控制系统也可按照上述两种情况分析，基因扩增仪作为一种对工作环境温度要求 较高的精密的医学仪器，为了取得最优的控制精度，在本次设计中采用闭环负反馈结构的 控制系统，将输出和输入值的误差作为反馈信号，与输入值作差值后得到最终输出的控制 量作用于执行器。 以往的基因扩增仪的控温方法有采用水浴式循环加热法、加热器配合风扇的空气加 热、压缩机制冷等方法，随着电子行业的飞速发展，人们发现了结构简单原理新颖的加热 制冷新材料，即半导体制冷片，这种材料在以往控温方式的基础上提高加热制冷速度和稳 定性。通过各种加热和制冷方式，结合适当的控制策略就可以达到控制温度的目的。 2 2 2 系统硬件概貌 一台完整的基因扩增仪主要由样品载台、热循环组件、微电路控制系统、监控设备、 热盖等部分组成。如图2 3 所示是本文所研究的基因扩增仪内外硬件整体图。 样品载台一般是由导热性好的金属材料制成，可以放置装有反应样品的试管，热盖和 热循环组件分别在载台的上下部；热循环组件是仪器的最重要组成部分，它由各种加热制 冷元器件组成，控制温度的变化；微电路控制系统主要包括信号转换电路，功率驱动电路， 信号放大电路等等，是连接c p u 与执行器的桥梁；监控设备是操作人员与仪器交互的窗 口，操作人员从键盘等设备输入数据，c p u 将数据处理之后得到控制量来控制执行器即 热循环组件，然后得到实时的各模拟信号的参数，并显示在监视器上供操作人员查看；热 盖内部也具有加热的功能，当仪器主体部分温度加热时热盖同时将温度升高至所需温度， 这样做的目的是防止试管内的液体挥发同时又满足载台四周温度的均匀性。 9 所以p c r 仪的工作原理就围绕着这三个变化阶段进行温度控制。前面介绍p c r 技术的原 理时提到过实现d n a 片段发生变性和复性变化的主要条件因素是温度的变化，基因链变 性分解所需的温度是8 0 9 5 ，单链结合的温度是5 0 左右，双链延伸的温度是7 5 左 右，所以基因扩增仪就需要实现控制这三个主要的变温过程。 根据研究资料可知，每复制一次d n a 的主要过程需要经历三步，即“变性、复性、 延伸”，p c r 是仿照d n a 天然复制的过程实现复制所以也需要经历同样的三个变化过程， 所以根据d n a 复制过程得到的p c r 实验过程如图2 4 所示。从图中可以知道，p c r 过程 同样需要经历三个温度阶段，第一步“变性”是把样品加热至9 4 - 9 6 保持3 0 秒到数分钟， d n a 双链被解开为两个单链，准备与引产物酶结合；第二步“退火”是让样品的温度下降 至5 0 - 6 5 然后保持3 0 秒到数分钟，两个单链与试剂中预先加入的d n a 引物充分结合： 第三步“延伸”是让样品的温度上升至7 2 。c 同样是保持3 0 秒到数分钟，是试剂中离散的碱 基与两个单链的剩余部分结合