PCR生物仪控温系统方案设计书姜天林.docx
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PCR生物仪控温系统方案设计书姜天林
封面
作者:
PanHongliang
仅供个人学习
本科毕业设计(论文)说明书
PCR生物仪控温系统设计
学院理学院
专业光信息科学与技术
学生姓名姜天林
指导教师姜小波程静
提交日期2010年6月5日
华南理工大学
毕业设计(论文)任务书
兹发给理学院06级光电一班学生姜天林毕业设计(论文)任务书,内容如下:
1.毕业设计(论文)题目:
PCR生物仪控温系统设计
2.应完成的工程:
(1)开发相应的控制电路,pt100温度测量电路,加热器驱动电路,电源,
PID控制算法;采用单片机做为系统核心,采用模块化设计,整个系统包括一
个主MCU模块和一个或者多个从MCU模块;
(2)一个从MCU可以同时控制四个加热模块(可以考虑多个单片机核心);
(3)每块从MCU模块为一独立电路,通过插拔或者连线方式与主MCU模
块连接,可以不支持热插拔;
(4)每次系统启动,巡检从MCU模块的数量和连接状态(是否连接正常),
也检查每个从MCU模块中的加热模块数量和状态(是否能够正常),状态不正
常的从MCU模块和加热模块编号禁止显示或者灰色处理,程序界面禁止对该模
块处理;
(5)根据从MCU的性能(计算速度)决定每个从MCU模块可以驱动加热器
的数量;
(6)对温度控制的理论精度小于0.1℃,实际控温精度达到0.1℃(恒温工作
状态下,温度传感器测量的温度在设定温度上下波动范围小于0.1℃),建议采
用PID/PWM算法;
(7)在模块降温阶段,控制电路能提供一个控制信号,驱动加热模块的冷却风
扇,达到所需温度时,风扇停止工作(四个模块,对应四个散热风扇);
(8)当某个模块工作时,面板上对应的LED灯亮(绿色)。
3.参考资料以及说明:
(1)PCR芯片控温系统研究,徐静平,黎沛涛,甘侠林,钟德刚
(2)PCR生物仪工程开发说明书
(3)飞阳公司PCR生物仪控制功能框图
(4)Luminary半导体ARM微控制器选型指南
(5)《IAR5.11使用指南》(EasyARM1138)
(6)EasyARM1138——内嵌USB仿真器的Cortex-M3开发板(说明书)
(7)
4.本毕业设计(论文)任务书于2010年3月10日发出,应于2010年6月11日前完成,然后提交毕业考试委员会进行答辩。
专业教研组(系)、研究所负责人审核年月日
指导教师签发年月日
毕业设计(论文)评语:
(应包括平时表现、论文质量、答辩表现等内容)
毕业设计(论文)总评成绩:
毕业设计(论文)答辩负责人签字:
年月日
摘要
PCR技术是一种用途极为广泛的基因检测新技术。
一个稳定的温控系统是成功实现PCR所必需的,其中温度控制的动、稳态特性是影响PCR扩增结果好坏的最重要因素。
在连续-时间控制系统中,PID控制器应用得非常广泛。
其设计技术成熟,长期以来形成了典型的结构,参数整定方便,结构更改灵活,能满足一般的控制要求。
数字PID控制比连续PID控制更为优越,因为计算机程序的灵活性,很容易克服连续PID控制中存在的问题,经修正而得到更完善的数字PID算法。
PWM脉宽调制是在所需的频率周期内,将直流电压调制成等幅不等宽的系列交流输出电压脉冲,以达到控制频率、电压、电流和抑制谐波的目的,PWM控制方式突出特点是既能提高控制精度,又能缩短控制时间,很好地解决了控制精度和控制时间的矛盾。
本文详细介绍了采用嵌入式ARM芯片作为运算单元,以数字式PID控制作为核心算法,使用PWM技术作为加热输出方式来实现控制精度高,超调小,调节时间短的PCR温度过程的控温系统设计。
本文先对PID算法以及PWM技术进行详细的介绍;而后对PCR控温系统的控制结构进行探讨,对软硬件的控温精度进行分析和仿真,并对PWM驱动电路以及温度测试电路简单的探讨;最后根据控温系统多通道处理的需要,详细介绍控温软件的实现。
关键词:
PCR技术,PID算法,PWM技术,ARM
Abstract
PCRtechnologyisaverybroadusingnewgenetictestingtechnology.AstabletemperaturecontrolsystemisnecessaryforsuccessfulPCR,inwhichthedynamic,steady-statecharacteristicsofthetemperaturecontrolarethemostimportantfactorsthataffectPCRamplificationresults.
Inthecontinuous-timecontrolsystem,PIDcontrollerappliedverywidely.Thedesigntechnologyismature,haslongformedatypicalstructure,easytuning,structuralchange,itcansatisfythegeneralcontrolrequirements.DigitalPIDcontrolismoreadvantageousthancontinuousPIDcontrol,becausetheflexibilityofcomputerprogram,itiseasytoovercometheproblemsinthecontinuousPIDcontrol,asamended,andgetbetterdigitalPIDalgorithm.PWMpulsewidthmodulationismodulatingtheDCvoltageamplitudeintoaseriesofwidthrangingoutputvoltagepulsewiththesameAmplitudeinthedesiredfrequencycycle,tocontrolfrequency,voltage,currentandharmonicsuppressionpurposes,PWMcontrolmodesalientfeaturesisnotonlytoenhancethecontrolprecision,butalsoreducethecontroltime,solvescontradictionsofthecontrolaccuracyandcontrolttime.
Thispaperdescribesthedesignofthetemperaturecontrolsystem.ThistemperaturecontrolsystemusetheembeddedARMchipasthecomputingunit,usethedigitalPIDcontrolascorealgorithm,usethePWMoutputtechnologyasheatingoutputmethodtoimplementcontrolofhighprecision,smallovershoot,shortsettlingtimeofthePCRtemperatureprocess.
FirstarticlefocusesonthePIDalgorithmandPWMtechnologydetail,whilethecontrolstructureofPCRtemperaturecontrolsystem。
thenanalysisandsimulatethetemperatureaccuracyofthehardwareandsoftware,anddiscussthePWMdrivingcircuitsandthetemperaturetestingcircuit。
finallyaccordingtotheneedsofmulti-channelprocessingoftemperaturecontrolsystem,discussthedetailsoftemperaturecontrolsoftwareimplementation.
Keyword:
PCRtechnology,PIDalgorithm,PWMtechnology,ARM
第一章绪论
1.1选题的背景与意义
本工程目的是为了开发出一种具有独立知识产权的,一种用于食品安全检测的便携式实时荧光定量聚合酶链式反应(PCR)检测系统。
它可以实时检测待检微生物的种类和数量。
该工程适合我国当前的国情,具有广阔的市场。
它不仅可以用于食品卫生,还可以广泛用于畜牧农业,生物医药,卫生防疫,海关监测等领域,它的研发成功可以完善我国的食品安全检测系统和卫生防疫水平,同时可以打破国外台式PCR仪技术垄断的格局。
微生物危害和它们可引起的食源性疾病日益成为一个重要的公共卫生问题。
微生物危害来自于细菌、病毒、原生动物、真菌及它们在食品中的代谢产物。
早在2O世纪初,奶源性结核病和沙门菌病的爆发就已经被人类所认识,并运用巴氏消毒法进行了安全性的控制与预防。
20世纪末期,尽管食品科技取得了显著的进展,但世界上却爆发了多起由病原微生物引起的重大食品安全事件。
沙门菌、李斯特菌、葡萄球菌、空肠弯曲菌、副溶血性弧菌、禽流感病毒、口蹄疫病毒等微生物污染的大流行,使国际组织和各国政府对食品安全给予了高度的重视。
2002年世界卫生组织(WHO)再次公告,食源性疾病和食品污染是一个巨大的、不断扩大的世界性公共卫生问题。
根据世界卫生组织的估计,每年发生的食源性疾病达到数十亿例,发达的工业化国家每年也至少有三分之一的人群患食源性疾病,其中约有170万15岁以下儿童因食源性微生物污染引起的腹泻而死亡。
及时准确地检测出食品中的致病菌,加强对有害病菌的筛选和检测,有效防止食品污染,是控制食品中病原菌污染和各类传染病蔓延的根本措施。
近几年,随着进出口贸易的日益频繁,微生物检测越来越需要一种快速、准确、高通量的筛选方法。
目前,国内外在食品中病原菌检测时常用的检测方法主要有传统生化培养检测法、免疫学方法、探针杂交、PCR法等。
利用传统的检测方法,主要包括形态检查和生化方法,其准确性、灵敏性均较高;但涉及的实验较多、操作繁琐、需要时问较长、准备和收尾工作繁重,而且要有大量人员参与。
为此,人们相继提出了一系列简便、快捷、敏感、准确的检测新思路。
食品在生产、运输、销售过程中容易受微生物污染,因此微生物检测是食品检验中的一项重要内容。
微生物(尤其是致病性微生物)的传统检测方法除操作繁琐外,检验时间较长,一般需要5-7天的培养鉴定时间,不能满足快速检测的要求。
随着分子生物学理论和技术的快速发展,以PCR技术为基础的新型鉴定技术已广泛应用于致病性微生物检测。
因为快速、灵敏、特异;更重要的是对于那些低水平污染的样品或待检微生物损伤严重较难复苏而遗传物质较完整的样品,使用该方法尤显优势。
1.2PCR生物仪研究现状
国内外许多科研机构和厂家正致力于开展便携式荧光PCR系统,以便能够及时,快速正确的判断微生物的种类和数量。
国内的研究机构有北京工业大学,大连理工大学,中国科学院电子研究所等,厂家有北京博奥生物等。
但是从实际运用来讲,他们的研发还处在实验室阶段,要推向市场还需要较长的时间。
而在国外,这方面已经有了显著的进展,如:
DarkhouseTechnologies(DHT)开发出可以同时处理18个样品的便携式LT-108系统。
该系统重量小于5公斤,尺寸如笔记本大小,采用锂离子电池供电。
该系统还处于工程样机阶段。
美国研究生NitinAgrawal采用微流体原理研发出一种超小型的利用两个AA电池运转并能精确复制DNA的仪器。
这种仪器没有运动机件,造价仅10美元。
它利用PCR原理,在20分钟内复制出一个DNA链的数十亿个等同拷贝。
这个速度比目前使用的仪器快很多。
这种新仪器能够让PCR更容易进行、更能普遍应用。
这个系统能够使以DNA为基础的检测在野外或贫困落后的发展中国家进行。
这种装置能够检测包括HIV在内的各种病毒水平,将在DNA和RNA检测领域具有广阔前景。
2008年7月韩国AhramBiosystems公司向市场推出一种掌上型PCR仪,这是目前第一台实现市场化的微型PCR仪。
该仪器采用锂电池供电,一次供电可以连续工作4小时,能够在20-30分钟内完成2kbp的拷贝。
仪器采用一次性使用的塑料PCR反应管,可以适用于各种DNA检测,包括人类基因。
仪器重量轻巧,附加电池后的重量约为330克。
以上的最新进展都还没有完全实现荧光检测功能,只能完成PCR扩增功能。
便携式荧光定量PCR仪技术在国内外都还处于研发阶段,没有进入系统的专利保护阶段。
我们还可以趁此机会开发出具有独立知识产权的产品,以打破台式PCR仪国外技术垄断的格局,提高我国的生物检测仪器的研发水平,和促进我们医疗和食品卫生行业的完善。
1.3EasyARM1138芯片以及IAR开发工具简介
EasyARM1138是专门针对广大电子信息专业在校大学生而设计的一款基于ARMCortex™-M3先进内核的高性能、低价格开发板,用于教案、毕业设计、电子竞赛,等等。
也是广大单片机爱好者、开发工程师首选的Cortex™-M3开发板。
EasyARM1138的核心MCU是美国LuminaryMicro公司的Stellaris®(群星)系列ARM之LM3S1138。
该芯片采用的是国际上最优秀的MCU内核设计公司ARM最新推出的先进Cortex™-M3处理器;由国内最大、技术最强的晶圆制造公司台积电(TSMC)代工;经世界上最专业的封装测试公司(OSE、i2a/IPAC)层层把关,确保产品的可靠性。
Stellaris®(群星)系列ARM芯片在电磁兼容性方面的优势明显。
【功能特点】
●强大的MCU内核
◆32位ARMCortex™-M3内核(ARMv7M架构)
◆兼容Thumb的Thumb-2指令集,提高代码密度25%以上
◆50MHz运行频率,1.25DMIPS/MHz,加快35%以上
◆单周期乘法指令,2~12周期硬件除法指令
◆快速可嵌套中断,6~12个时钟周期
◆具有MPU保护设定访问规则
◆64KB单周期Flash,16KB单周期SRAM
◆内置可编程的LDO输出2.25V~2.75V,步进50mV
◆支持非对齐数据的访问,有效地压缩数据到内存
◆支持位操作,最大限度使用内存,并提供创新的外设控制
◆内置系统节拍定时器(SysTick),方便操作系统移植
●丰富的外设资源
◆7组GPIO,可配置为输入、输出、开漏、弱上拉等模式
◆4个32位Timer,每个都可拆分为2个独立的16位子定时器,
具有定时、捕获、PWM、RTC等丰富功能
◆3路全双工UART,位速率高达3.125Mbps,16单元接收FIFO
和发送FIFO,支持串行红外协议(IrDASIR)
◆2路I2C,支持100kbps标准模式、400kbps快速模式
◆2路SSI,兼容FreescaleSPI、MICROWIRE、TexasInstruments
串行通信协议,位速率高达25Mbps
◆6路16位PWM,通过CCP管脚能产生高达25MHz的方波
◆3个模拟比较器
◆8通道10位ADC,采样速率可达1M/s,附带温度传感器
◆内置看门狗定时器(WatchDogTimer),确保芯片可靠运行
●内嵌USB接口的下载仿真器
◆仅需插入一根USB电缆就能实现“三合一”功能:
5V供电、程序下载与在线仿真、UART串行通信
◆不再要求电脑具有串口或并口,无论台式机还是笔记本电脑,
只要拥有USB1.1或USB2.0接口就能运用自如
◆除了能够下载仿真自身以外,保留的JTAG接口还可以用来仿真
其它LM3S系列开发板,短接JP2短接器的GND和U-RST,还可
实现JTAG接口对内仿真功能
◆USB接口提供虚拟UART的功能,不需要额外的接口电路
●简明的外围电路设计,调试时无需任何连线和跳线,操作极为方便
◆5只LED指示灯
◆3只KEY
◆1只交流蜂鸣器,可演奏动听乐曲,如《梁祝》
◆两排插针引出全部GPIO资源,以及ADC0~7、5V/3.3V/GND
◆GPIO插针间距正好为2000mil(50.8mm),很容易插接在万用板
或其它自制的电路板上,为教案实验提供了极大方便
IARSystems是全球领先的嵌入式系统开发工具和服务的供应商。
公司成立于1983年,迄今已有27年,提供的产品和服务涉及到嵌入式系统的设计、开发和测试的每一个阶段,包括:
带有C/C++编译器和调试器的集成开发环境(IDE)、实时操作系统和中间件、开发套件、硬件仿真器以及状态机建模工具。
1.4本文主要内容以及章节安排
本文在前人工作的基础上,消化现有研究成果,围绕PCR生物仪控温系统设计展开研究。
研究过程中,采取了理论分析和计算机仿真相结合的方法,在理论和实践方面验证所做研究的正确性和可行性,全文共分五章,章节安排如下:
第一章介绍本文的选题背景和意义,简要的地介绍了PCR生物仪开发的背景与意义,并介绍了PCR生物仪的研究现状以及本工程的开发工具。
第二章介绍了PCR生物仪开发的两项基础知识。
本章先介绍经典的连续PID算法,并以此出发推导出数字式PID算法。
本章还介绍了PWM技术,对PWM的原理,调制过程以及其优点进行了详细的介绍。
第三章根据实际的工程开发需要,探讨PCR生物仪控温系统的机构设计,并给出控温系统的结构框图。
第四章主要研究控温系统硬件电路的设计与仿真。
本章对PCR生物仪电路的三大部分数字测温电路,PWM输出电路以及通信电路设计进行了研究,并对测温电路的精度进行了仿真。
第五章探讨了PCR生物仪的控温系统软件设计。
主要包括主从机通信,ADC采样,PID算法以及PWM输出实现以及CPU时序资源安排等内容。
第二章基础知识介绍
2.1PID算法
目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。
同时,控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。
智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。
自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。
一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。
控制器的输出经过输出接口、执行机构,加到被控系统上;控制系统的被控量,经过传感器,变送器,通过输入接口送到控制器。
不同的控制系统,其传感器、变送器、执行机构是不一样的。
比如压力控制系统要采用压力传感器。
电加热控制系统的传感器是温度传感器。
目前,PID控制及其控制器或智能PID控制器(仪表)已经很多,产品已在工程实际中得到了广泛的应用,有各种各样的PID控制器产品,各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器(intelligentregulator),其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。
有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器,能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC),还有可实现PID控制的PC系统等等。
可编程控制器(PLC)是利用其闭环控制模块来实现PID控制,而可编程控制器(PLC)可以直接与ControlNet相连,如Rockwell的PLC-5等。
还有可以实现PID控制功能的控制器,如Rockwell的Logix产品系列,它可以直接与ControlNet相连,利用网络来实现其远程控制功能。
在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制,又称PID调节。
PID控制器问世至今已有近70年历史,它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象,或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用PID控制技术。
PID控制,实际中也有PI和PD控制。
PID控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
2.1.1连续-时间PID控制系统
连续一时间PID控制系统如图2-1所示。
图中,D(s)为控制器。
在PID控制系统中,D(s)完成PID控制规律,称为PID控制器。
PID控制器是一种线性控制器,用输出量y(t)和给定量r(t)之间的误差的时间函数e(t)=r(t)-y(t)(2-1)的比例、积分、微分的线性组合,构成控制量u(t)称为比例(Proportional),积分(Integrating),微分(Differentiation)控制,简称PID控制。
图2-1
实际应用中,可以根据受控对象的特性和控制的性能要求,灵活地采用不同的控制组合,构成
比例(P)控制器
(2-2)
比例十积分(PI)控制器
(2-3)
比例十积分十微分(PID)控制器
(2-4)
式中KP——比例放大系数;TI——积分时间;TD——微分时间。
比例(P)控制 比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady-stateerror)。
积分(I)控制 在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统(SystemwithSteady-stateError)。
为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大。
这样,即便误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大,它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零。
因此,比例+积分(PI)控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
微分(D)控制 在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后(delay)组件,具有抑制误差的作用,其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”,即在误差接近零时,抑制误差的作用就应该是零。
这就是说,在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的,比例项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加的是“微分项”,它能预测误差变化的趋势,这样,具有比例+微分的控制器,就能够提前使抑制误差的控制作用等于零,甚至为负值,从而避免了被控量的严重超调
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