（光学工程专业论文）基于vxworks的pcr微流控芯片嵌入式控温系统研究.pdf

摘要 摘要 p c r 微流控芯片是p c r 技术与微全分析系统( p - t a s ) 相结合的技术。其中微 全分析系统要求相关的控制、接口、元器件等尽可能的集成化、小型化。同时温 度控制是p c r 的关键技术之一，也即是p c r 芯片的关键技术。因此本文研究的目 的是，创建一个可加载不同功能模块的嵌入式平台，并在此嵌入式平台的基础上 实现温度控制等功能模块。主要研究内容包括：1 ) 选择性能合适的硬件，并加 以合理的设计，实现系统的小型化。2 ) 因为微全系统功能集成度高、并发任务 多，这就要求在硬件小型化的基础上，选择合适的操作系统组成嵌入式系统，并 编写多任务处理程序实现任务并发执行的能力。3 ) 提出并实现将网络应用引入 微全系统分析系统中，实现了p c r 微流控芯片的远程控制与数据的实时异地共 享。 从具体实现的角度则可将整个系统划分为：硬件平台、软件平台和应用层软 件。文中探讨了p c r 微流控芯片控温系统的硬件平台的实现，并以模块化设计的 思想，将整个硬件分为执行温控数据采样、加热驱动功能的温度控制子板和主控 功能的温度主控制板。软件平台的实现主要是指在硬件平台基础上嵌入式操作系 统的搭建，主要研究了v x w o r k s 操作系统在硬件平台上的板级支持包( b s p ) 的 移植、网络驱动( e n d ) 程序的实现。应用层软件包括：运行在嵌入式系统平台 上的温度控制及服务器端软件，运行于w i n d o w s 上的温度监控及客户端软件。同 时为了实现p c r 温度控制的服务器端和客户端视软件的网络通讯，还必须定义一 套在网络上传输的应用层帧格式，以便双方都能顺利生成、识别通信数据，所以 作为研究内容的一部分提出了“p c r 网络通信数据帧格式”标准。 实验结果表明本系统能满足p c r 微流控芯片在温度控制方面的要求，实现了 温度的精确控制和远程监视。并且可以进一步将文中论述的嵌入式系统平台作为 p c r 微流控芯片的通用控制平台，丰富应用层软件中其它的控制功能。 关键词p c r ：温度控制；嵌入式系统；v x w o r k s ；网络通信 a b s t r a c t a bs t r a c t p c rm i c r o f l u i d i cc h i pi sa i n t e g r a t i o no ft h ep c rt e c h n o l o g ya n dm i c r ot o t a la n a l y s i s s y s t e m s ( p t a s ) m i c r o a n a l y s i ss y s t e mr e q u i r e m e n t sr e l a t e dt oc o n t r o l ，i n t e r f a c ed e v i c e ss u c ha s i n t e g r a t e da sp o s s i b l e a tt h es a m et i m et e m p e r a t u r ec o n t r o li so n eo ft h ek e y so fp c rt e c h n o l o g y , w h i c hi so fp c rc h i p ，s ot h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st oc r e a t eae m b e d d e dp l a t f o r mi nt h a t d i f f e r e n tf u n c t i o nm o d u l e sc a nb el o a d e d ，a n do nt h eb a s i so ft h i se m b e d d e dp l a t f o r mt or e a l i z e t e m p e r a t u r ec o n t r o lm o d u l ea n ds oo n k e ye l e m e n t si n c l u d e ：1 ) c h o i c eo ft h ea p p r o p r i a t e h a r d w a r ea n dd e s i g nt ob er e a s o n a b l e ，a n dt h es m a l ls i z e 2 ) b e c a u s et h em i c r o - s y s t e m - w i d e f e a t u r e sh i g hi n t e g r a t i o n ，t h em o r ec o m p l i c a t e dt a s k , w h i c hr e q u i r e st h eh a r d w a r eo nt h eb a s i so f t h es m a l l ，s e l e c ta p p r o p r i a t eo p e r a t i n gs y s t e mc o m p o n e n t se m b e d d e ds y s t e m s ，a n dt h ep r e p a r a t i o n o fm u l t i - t a s k i n gt a s kc o m p l i c a t e db yt h ei m p l e m e n t a t i o no fp r o c e d u r e st oa c h i e v et h ec a p a c i t y 3 ) p r o p o s e da n di m p l e m e n t e dt oi n t r o d u c et h en e t w o r k - w i d ea p p l i c a t i o ni n t om i c r o a n a l y s i ss y s t e m ， a n di m p l e m e n t e dr e m o t ec o n t r o lw i t ht h em i c r o 、p c rm i c r o f l u i d i cc h i pa n dr e m o t er e a l r t i m ed a t a s h a r i n g f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fc o n c r e t er e a l i z a t i o no ft h e e n t i r es y s t e mc a nb ed i v i d e di n t o ： h a r d w a r ep l a t f o r m ，s o f t w a r ep l a t f o r ma n da p p l i c a t i o n - l e v e ls o f t w a r e i nt h ep a p e r d i s c u s s i o no n t h er e a l i z a t i o no ft h eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h ep c rm i c r o f l u i d i cc h i pt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m b a s e do ni d e ao fm o d u l a rd e s i g n , t h eh a r d w a r ei sd i v i d e di n t ot h ei m p l e m e n t a t i o no ft e m p e r a t u r e c o n t r o ld a t as a m p l i n g ，h e a t i n gd r i v et h et e m p e r a t u r ec o n t r o lf u n c t i o no fd a u g h t e rb o a r da n dt h e m a i nc o n t r o lb o a r d t oa c h i e v et h es o f t w a r ep l a t f o r mm a i n l ym e a n st h a tt r a n s p l a n tt h ee m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e mb a s e do nt h eh a r d w a r ep l a t f o r m ，m a i n l yw o r k si st ot r a n s p l a n tt h eb o a r ds u p p o r t p a c k a g e ( b s p ) o ft h ev x w o r k so p e r a t i n gs y s t e mi n t ot h eh a r d w a r ep l a t f o r m ，a n da c h i e v et h e e n dd r i v e r a p p l i c a t i o n l e v e ls o f t w a r ei n c l u d e st h et e m p e r a t u r ec o n t r o la n ds e r v e rs o f t w a r e r u n n i n ge m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mp l a t f o r m ，t h et e m p e r a t u r em o n i t o r i n ga n dc l i e n ts o f t w a r e r u n n i n go nw i n d o w s a tt h es a m et i m ep c rt e m p e r a t u r ec o n t r o li no r d e rt oa c h i e v et h es e r v e ra n d c l i e n ts o f t w a r ea st h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o n s ，a sap a r to fr e s e a r c h ”p c rd a t ac o m m u n i c a t i o n s n e t w o r kf l a m ef o r m a t “s t a n d a r d si sp r o p o s e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mc a nm e e tt h em i c r o - p c rm i c r o f l u i d i ec h i pt e m p e r a t u r e c o n t r o lr e q u i r e m e n t s ，t oa c h i e v et h ep r e c i s et e m p e r a t u r ec o n t r o la n dr e m o t em o n i t o r i n g a n dt h e e m b e d d e ds y s t e mp l a t f o r md i s c u s s e di nt h ep a p e rc a nb ei m p r o v e df u r t h e ra st h ep c r m i e r o f l u i d i cc h i pu n i v e r s a lc o n t r o lp l a t f o r m k e y w o r d sp c r ；t e m p e r a t u r ec o n t r o l ；e m b e d d e ds y s t e m ；v x w o r k s ； n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n s - 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j 量立王些太堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：犯商日期：硼5 8 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j 曼塞兰些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名劣。峥导师签名：硝、漉日期：沪。f 矿 第1 幸绪论 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 p c r 微流控芯片是p c r 技术与微全分析系统( u - t a s ) 相结合的技术。 p c r 是聚合酶链式反应( p o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n ) 的缩写，又称为无细 胞分子克隆技术或特异性d n a 序列体外引物定向酶促扩增法，它是一种体外核酸 扩增技术，由双链d n a 的高温变性、模板与引物的低温退火和引物的适温延伸三 个基本步骤组成，三个反应步骤重复进行，可将及微量的d n a 扩增上百万倍。1 9 9 3 年m i c h a e l s m i t h 和k a r y m u l l i s 凭该项技术荣获了的诺贝尔化学奖。 微流控芯片的类型主要有：毛细管电泳芯片( c h i p - b a s e dc a p i l l a r y e 1 e c t r o p h o r e s i s ，简称c c e ) 强一1 和聚合酶链式反应微流控芯片( c o n t i n u o u s - f l o w p o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o nc h i p ，简称p c r 微流控芯片) n 1 。由文献 2 8 可 知，微流控芯片正被广泛地应用到生物学、医学、食品工业、农业等各个领域。 随着p c r 技术的广泛应用以及微流控芯片技术的发展，p c r 微流控芯片得到 了越来越多的关注。与常规p c r 热循环式扩增仪相比，p c r 微流控芯片具有如下 特点：( 1 ) 节约空间和试剂：( 2 ) 加热和冷却系统体积小；( 3 ) 热容量小，可达到较 高的加热和冷却速率；( 4 ) 热传导效率高，大大缩短了p c r 反应时间；( 5 ) 易于集 成化引。 由以上简述可知，p c r 微流控芯有极大的应用价值，温度控制系统又是p c r 微流控芯片的关键技术之一。本论文的研究焦点是在实验室p c r 微流控芯片项目 已有基础上，通过引入合适的嵌入式软硬件系统与网络应用，创建一个可任意加 载控制模块的平台，并在此平台基础上实现并加载温度控制模块、网络通信模块。 1 2p c r 原理 运用p c r 技术在体外扩增d n a 的原理类似于天然d n a 的复制机制，主要是利 用d n a 聚合酶依赖于d n a 模板的特性，模仿体内的复制过程在附加的一对引物之 间诱发聚合反应。 双链d n a 在多种酶的作用下可以变性解链成单链，在d n a 聚合酶与启动子的 参与下，根据碱基互补配对原则复制成同样的两分子挎贝。d n a 在高温时也可以 发生变性解链，当温度降低后又可以复性成为双链。因此，通过温度变化控制 北京工业大学工学硕i 学位论史 d n a 的变性和复性。 p c r 是一个由温度控制平u 酶催化过程组成的不同泓度卜步反应j _ ! j 期f l ：正复 的过程如图1 一l 所示，反应过程有以下三个步骤： ( 1 ) d n a 的变性( 9 0 c 一9 6 c ) ：通过将p c r 反应混合物加热至高温约蛳左 右，保持约1 分钟的时间使模板d n a 双链分解成为两个单链。 ( 2 ) 退火( 5 0 c 一6 5 c ) ：温度降低到到5 5 c 时，两个引物分别与模板d n a 两 条单链的3 味端复性： ( 3 ) 延伸( 7 0 7 5 ) ：温度升高到7 2 c 左右，在d n a 催化酶的作用下，引 物沿着模板d n a 的3 味端向5 端方向延伸，合成一条与模板d n a 单链完全互补的 新链，完成第一次扩增。 以上所描述的变性、退火、延伸构成p c r 的一轮循环，整个p c r 过程一般需 要进行三十轮的循环反应。在最初的循环阶段，原来的d n a 链担负着起始模板的 作用：随着循环次数的递增，新合成的引物延伸链急遽增多成为主要的模板。从 理论上讲，合成产物的数量经过每轮循环反映都将增添一倍，以2 “的指数级递增， 但实际扩增效率由于种种因素通常比预期的要低，这可能是由于反应系统的条 件、d n a 聚合酶的质量、所选定扩增d n a 片段的顺序结构和长度等因素引起的。 在整个p c r 过程中，d n a 的扩增趋势不可能无限制地增加。 由上描述可知，在p c r 反应过程中温度控制的实现是一个重要凼索，也正 是本论文要实现的主要内容之一。 图卜1 聚台酶链式反应过程 f i g lt h ep r o c e s so fp c r 第1 章绪论 1 3p c r 芯片国内外研究现状 最初是由k o r a n a 于1 9 7 1 年提出了体外核酸扩增技术设想， 1 9 8 5 年美国 p e - c e t u s 公司人类遗传研究室的m u l l i s 等将这些设想变为现实，发明了聚合酶 链式反应( p o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n ) n 副，经过2 0 余年的发展，经历了三代 技术革新。第一代p c r 是p e - c e t u s 公司的热循环仪；第二代是静态的微反应槽 p c r 芯片( m i c r oc h a m b e rp c rc h i p ) ；第三代是p c r 微流控芯片( c o n t i n u o u sf l o w p c rc h i p ) n 3 1 。第三代p c r 微流控芯片属于微全分析系统( m i n i a t u r i z e dt o t a l a n a l y s i ss y s t e m s ，u t a s ) 的一种，如图1 - 2 所示。微全分析系统的概念是在1 9 9 0 年由一瑞士公司的m a n z 和w i d m e r 提出n 0 1 。1 9 9 4 年，美国橡树岭国家实验室 r a m s e y 等在m a n z 的工作基础上发表了一些列论文，改进了芯片毛细管电泳的进 样方法，提高了其性能与实用性。1 9 9 6 年m a t h i e s 等1 又将基因分析中有重要 意义的聚合酶链式反应( p c r ) 扩增与毛细管电泳集成在一起，展示了微全分析 系统在此方面的应用价值与潜力。 图l - 2 微全分析系统及微流控芯片 f i g l 2m i c r o a n a l y t i c a ls y s t e m sa n dm i c r o f l u i d i cc h i p s 传统p c r 系统通常具有较大的热容量，温度变化缓慢。在上个世纪9 0 年代 中期通过m e m s ( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ) 技术成功地在硅片上完成p c r 扩增n 毛1 副。从那以后，以硅、玻璃、聚合物为基地材料的p c r 生物芯片得到了飞 速发展，他们都具有热容量小、热循环快、集成化搞等特点u 们。 就温度控制系统而言，p c r 芯片主要有两种结构：时域p c r ( t i m ed o m a i n p c r ) n 7 j 8 和空域p c r ( s p a c ed o m a i np c r ) n9 2 0 1 。前者实际上是传统p c r 的微型化， 反映物存于在反应池内，反应池内的温度循环反复变化，这种方法需要考虑p c r 北京t 、j k 大学t 学硕十学何论文 ! i i i 系统的热容量以便准确控制反应时间和反映温度；后者是让试剂连续流经三个不 同的恒温带，以温度在空间上的交替变化代替温度在时间上的变化。文献 1 3 ，1 8 ， 2 1 - 3 7 反映了国内外学者对这两中结构形式的p c r 扩增研究。空域微流控p c r 芯 片如图卜3 所示。 空域p c r 微流控芯片温控系统中有两种加热方式：一种是金属块加热，通常 是铜块1 8 ，2 神7 1 和铝块冽；另一种是薄膜加热，有钨m 1 、铂瑚1 、铟锡氧化物口、 薄膜电阻加热m 3 2 1 、铝薄膜电阻加热器。3 1 、电热器加热n 引、珀耳帖效应热电器加 热口叼和红外加热嘶3 等。 同时也有两种温度测量的方式：一是使用薄膜传感器，有热敏电阻器n 、铂 薄膜电阻传感器d 旭矧、铝薄膜传感器b 3 1 等；另一种是非薄膜传感器，如铂电阻 传感器n 3 8 箱一6 一l 捌、温度传感器2 7 1 以及热电偶啪一2 川3 础等。 人口出u 5 5 0 c 7 2 0 c 隔热网 9 5 0 c删 图卜3 空域微流控p c r 芯片 f i g l - 3t h es p a c ed o m a i nc o n t i n u o u s 。f l o wp c rc h i p 金属块加热器的一个缺点是体积大、热容量大，通常需要加热器、传感器与 比例积分微分控制器( p r o p o r t i o n a li n t e g r a ld e r i v a t i v e ，p i d ) 、模拟电子控 制器以及反馈控制器一起来实现空域p c r 芯片的精确温控，这使得整体系统复杂， 温度的实时检测比较困难而且体积较大。 但p c r 微流控芯片不仅是一种有效的扩增工具，还是微全分析系统的重要组 成部分。当前p c r 芯片发展趋势是通过和其它芯片的联用，如毛细管电泳芯片， 杂交芯片等，实现自动控制的微全分析。使用嵌入式系统可以在很好地实现温控 第1 章绪论 系统小型化的同时，依托于其高性能和多任务处理能力可实现在此基础上的微全 分析系统的集成化。 1 4 嵌入式系统 1 4 1 嵌入式系统简介 英国的电气工程师学会( i e e ) 定义嵌入式系统为：嵌入式系统是“控制、 监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”。 近年来随着i c 技术的不断发展，硬件性能不断提高体积确越来越小，嵌入 式系统及其相关技术也得到了快速发展。嵌入式系统是以应用为中心，软、硬件 可剪裁，是用于对功能、可靠性、体积等性能有严格要求的专用计算机系统。具 有软件代码小、高度自动化、响应迅速等特点，特别适合于要求实时和多任务的 体系。为p c r 微流控芯片的温度控制实现提供了新的实现方法，应用嵌入式系统 及其相关技术可以实现温控系统的小型化。另外再结合嵌入式操作系统，可以为 p c r 微流控芯片提供一个高性能的控制平台不仅可用于温度监测，还可方便 地集成其他的控制功能，比如微泵的控制、p c r 反应完成后的检测任务等等。再 在嵌入式操作系统的基础上加入网络应用，可以实现p c r 微流控芯片的远程监视 与实时异地数据共享。 1 4 2 嵌入式系统的发展 从2 0 世纪7 0 年代单片机出现，到今天各式各样的嵌入式系统微控制器的大 规模应用，嵌入式系统已有近2 0 年的发展历史。单从软件角度考虑嵌入式技术 的发展，可大致分为以下几个阶段汹1 。 嵌入式系统最初是以基于单片机的形式出现的。1 9 7 6 年，i n t e l 公司推出了 最早的单片机8 0 4 8 。之后的2 0 世纪8 0 年代初，i n t e l 公司在8 0 4 8 的基础上推 出了大名鼎鼎的8 0 5 1 ，至今5 1 系列单片机还活跃在各项应用中，成为最成功的 单片机芯片。这一时期汽车、家电、工业机器、通信装置，以及成千上万种产品 可以通过内嵌电子装置来获得更佳的行用性能。但这时的应用知识使用8 位芯 片，执行一些单任务程序。这一阶段的嵌入式系统是以单芯片为核心的系统，具 有与一些外围设备相结合的功能。因为性能上限制，一般无操作系统支持。同汇 编语言对芯片进行直接控制。特点是：系统接口和功能单一，针对性强，无操作 系统支持。 从2 0 世纪8 0 年代早期开始，嵌入式系统的程序员为了缩短开发周期、减低 北京t 、i k 大学下学硕十学何论文 曼曼曼曼葛皇量曼曼曼皇曼曼舅舅曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼鼍i i ii i l 曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼鼍量 开发成本和提高开发效率，开始在商业化的操作系统上编写应用软件。这一阶段 的嵌入式系统主要以嵌入式处理器为基础，以简单监控式操作系统为核心。系统 的特点是：处理器种类繁多，通用性较差；开销小，效率高；一般配备系统仿真 器，具有一定的兼容性和扩展性；用户界面不够友好，主要用来控制系统负载以 及监视程序运行。这时比较著名的操作系统有r e a d ys y s t e m 公司的v r t x 、 i n e g r a t e ds y s t e mi n c o r p o r a t i o n 公司的p s o s 、w i n d r i v e r 公司的v x w r o s k 以 及q n x 公司的q n x 。他们具有许多传统操作系统的特征，包括任务管理、任务间 通信、同步互斥、中断支持和内存管理等功能。其具有的嵌入式特征为：采用抢 占式任务调度，响应时间短，并且实时性强、可靠性高：系统可剪裁，对硬件资 源要求少，可移植到不同的处理器上。这些促成了嵌入式系统向更广阔的领域发 展。 2 0 世纪9 0 年代以后，随着芯片性能的不断提高，软件规模的不断扩大，应 用环境也越趋复杂，逐渐发展出了实时多任务操作系统( r t o s ) ，并作为一种软 件平台逐步成为目前国际嵌入式系统的主流。这一阶段的嵌入式系统的特点是： 具有强大的通用操作系统功能，如具备了文件管理、可运行多任务、支持设备驱 动、支持网络、图形窗口以及用户界面等功能：具有丰富的a p i 函数库和应用软 件。随着应用范围的不断扩大，市场需求日趋旺盛。这时更多的公司看中了嵌入 式系统的广阔发展前景，开始大力发展自己的嵌入式操作系统，新出现了p a l m o s 、w i n c e 、嵌入式l i n u x 、u c o s 以及国内的h o p e n 啪1 和d e l t ao s n 操作系统， 这些系统中有实时的也有分时的，根据应用与商业化的不同各有其市场领域。 现今随着i n t e r n e t 的不断发展，加入网络应用的嵌入式系统日益体现其巨 大的应用价值与市场，成为重要的发展方向。嵌入式系统与i n t e r n e t 的结合， 嵌入式系统与应用设备的无缝结合代表着嵌入式操作系统发展的未来口引。 1 5 本课题主要研究内容 p c r 微流控芯片是p c r 技术与微全分析系统( u - t a s ) 相结合的技术。微全分 析系统要求相关整个系统尽可能的集成化、小型化。同时温度控制是p c r 的关键 技术之一，也即是p c r 芯片的关键技术。因此本文研究的目的是，创建一个可加 载不同功能模块的嵌入式平台，并在此嵌入式平台的基础上实现温度控制等功能 模块。因此本论文的主要研究内容包括：( 1 ) 设计硬件平台，实现系统的小型化。 ( 2 ) 为了实现功能的集成化，选择合适的操作系统组成嵌入式系统，并实现温 度控制功能模块。( 3 伴随着i n t e r n e t 的发展，信息共享已成为必然的发展方 向，可在嵌入式操作系统的基础上加入网络应用，实现p c r 微流控芯片的远距离 第1 章绪论 控制与实时异地数据共享。 第2 章控温系统设计 传统的p e r 温控系统，使用加热器、传感器与比例秋分微分 卒州器 ( p r o p o rl l o n t 1i n t e g r a ld e r l v a t lv e ，p i d ) 模块、模拟电r 控制器、传感器 以及多个电源一起来实现p e r 芯片的精确温控这使得整体系统复杂，温度的实 时检测比较困难而且体积较大。 本论文就是要使用嵌入式系统实现微型化，但微型化并不代表性能的缩减。 随着i c ( i n t e g r a t ec i r c u i t ) 技术的不断发展，无论模拟i c 还是数字i c 集成 化程度越来越高，性能在上不断提升、尺寸上却不断减小。这就给p c r 微流控芯 片控温系统的微型化提供了支持。 21 设计目标 图2l 展示的是p e r 芯片和作为监控目标的芯片加热板，针对该目标需要做到 ( 1 ) 搭建一个通用的嵌入式控制平台 ( 2 ) 温度的实时控制 ( 3 ) 控制部分与p c 机通过以太网通讯，实现远群宴刚监控： ( 4 ) 整个系统体积要尽可能小。 鳓日“* 22 系统整体构成 图2 - 1p e r 芯片和加热板1 f i 9 2 一lp e rc h i pa n dh e a t e ds h e e t b 整个系统包括硬件和软件两部分，在现有以上p e r 芯片和加热板的基础卜宴 第2 章拧温系统设计 现温度控制系统。系统构成如下： ( 1 ) 硬件设备( 温度采集单元；主控单元；加热驱动单元) ( 2 ) 软件实现 整体框架如图2 - 2 所示： 图2 2 控温系统结构 f i 9 2 - 2d i a g r a mo ft e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m 其中p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，脉宽调制) 是利用微处理器的数字输出来 对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。p i d 分别指比例、积分、微分算法。 主控单元、加热驱动单元、感温单元属于嵌入式系统( 包括软件和硬件) 部 分；p c r 软件单元在p c 机上实现，是上位机监视软件。两者间通过以太网交互 采样数据和控制信息。 接下来对嵌入式系统的选型进行阐述，2 3 2 6 描述硬件部分的选型，2 7 描述对嵌入式操作系统的选择。 2 3 传感器 温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段：传统的分立式温度传感器：模 拟集成温度传感器控制器；智能温度传感器( 数字温度传感器) 池1 。 按国际温标i p t s - 6 8 规定，在- 2 5 9 3 4 c - 6 3 0 7 4 温域内，以铂电阻温度 计作基准器。而且铂电阻可以做成薄膜状，从而进行“面 上的测量，提高了温 度检测的准确性。所以在p c r 控温系统首先考虑的是控温精度的情况下，我们优 先选用铂电阻温度传感器。其不足之处是外围电路复杂，但因为其外围电路主要 是多个电阻加a d 转换器，电阻使用贴片式的可以做到很小，a d 转换器可以集成 在主控芯片中，所以其不足之处不会影响整个系统的体积。至于另一个不足“需 非线性较准、温度补偿”，在模拟电路为主的时代主要使用硬件电路完成而且调 试困难，但在这里可以利用嵌入式系统的优势，以软件校准的方法完成非线性较 北京- i - , i k 大学丁学硕十学位论文 准和温度补偿。 相较于我们的系统要求，列表2 - 1 比较各类型传感器如下： 表2 - 1 温度传感器比较 t a b l e 2 1c o m p a r i s o no ft e m p e r a t u r es e n s o r s 优点不足实例 传统的温度传测量精度高；需非线性较准、温度补铂电阻( p t i o o ) 感器可对“面”测量温度偿： 外围电路复杂 模拟集成温度适合远距离测温、控测量精度不够；a d 5 9 0 ( 最大测量 传感器控制器温：封装固定，适合“点”上误差0 5 c ) 不需要非线性较准的测量 智能温度传感内部包含各种集成电测量精度不够( o 5 c ) ；d s l 8 8 2 0 ( 最大测 器路，外围电路简单，容封装固定，适合“点”上量误差0 5 c ) 易控制的测量 2 4 检测电路信号放大芯片 温度传感器选择了p t l 0 0 ，检测电路构架就已基本确定使用惠斯登电桥， 问题是如何做到小型化。又因为p t l 0 0 是电阻式温度传感器，为了尽量消除或减 小线路电阻对测量的影响，因此在电桥测量中可采用三线制或四线制接法。在自 动控制系统中，测量桥路中的热电阻感受温度的变化，并使桥路输出相应的直流 毫伏级的电压信号。即通过温度一电阻一电压的转换方式，实现温度的检测。 正因为传感器检测电路输送来的信号是毫伏级的电压信号，所以必须在放大 后才能被a d 转换器检测。 传统的小信号放大方法是使用3 ( 或2 ) 个精密运算放大器，放大弱电压信 号，但需要外接很多电阻进行放大参数调整，并需要双电源或双极性电源供电。 不利于实现系统小型化的目标。其中一种三运放电路如图2 3 所示： 第2 章拧温系统设计 s e n s e o u t p u t r e f 图2 3 三运算放大器电路 f i 9 2 33 - o p e r a t i o na m p l i f i e rc i r c u i t 不过随着集成电路的发展，各种集成化的运放芯片给了我们更多的选择。比 如高精度电压转换接口芯片、仪表放大器等等，在同样体积的芯片上，集成了更 多的运算放大器与相应的电路元件，使我们只需更简单的外部电路就可以实现相 同的功能。 考虑到仪表放大器能在单电源供电下工作，可大大减小控温系统的体积。而 温度数据采集电桥就是采用低电压单电源供电，所以比较相似i c 后，决定采用 可单电源供电的仪表放大器a d 6 2 7 。 对于单电源供电的a d 6 2 7 ( + 2 2 v - - - - + 3 6 v ) ，有两个至关重要的特性。首先， 其输入范围可在正电源和负电源之间( 或接地电压) 扩展。其次，a d 6 2 7 的输出 摆幅也接近电源电压的两端( 轨一轨) ，提供一个与电源电压的任一端或地电位相 差1 0 0m v ( 或小于1 0 0m v ) 以内的输出摆幅( v - + 0 1 v v + 一0 1v ) 。比较起来， 一个标准的双电源仪表放大器的输出摆幅只能与电源电压的任一端或地电位相 差1 v 或2 v 以内。当采用5v 单电源工作时，这些仪表放大器仅具有l v 或2 v 输出电压摆幅，而做为真正的轨一轨输出仪表放大器a d 6 2 7 能提供几乎与电源电 压一样高的峰峰输出摆幅。另一个重要点是单电源或轨一轨仪表放大器采用双电 源仍能工作( 甚至更好) 并且通常其工作电源电压比传统的双电源器件低。 如图2 - 4 所示，与图2 - 3 同样的功能只需使用一个a d 6 2 7 外加一个放大倍数 控制电阻即可实现。再在v 。端接入惠斯登电桥输出的微弱检测信号，即完成 温度信号的检测、放大功能。 北京丁、j k 大学t 学硕十学位论文 2 5 控制芯片 + v s 图2 - 4a d 6 2 7 桥电路 f i 9 2 - 4a d 6 2 7b r i d g ec i r c u i t n p u t 2 5 1 各类控制芯片比较 控制芯片是整个系统的核心，它对整个系统进行控制和数据处理。它的选择 关系到整个嵌入式系统的性能，以下几类芯片如仅仅从实现温度控制的角度考虑 都可满足要求： c 5 1 ，c 8 0 5 1 f ，a v r ，p i c ，a r m 系列，p o w e r p c ，d s p ，f p g a 以上大体可分为三类： ( 1 ) 8 位机类硬件最简单，字长一般为8 位，也有1 6 位的，存储空间小。 集成的片内外设较少。同时由于硬件的局限性，导致软件上就不能太大，主频 1 2 - - 2 4 mh z 上下，一般没有操作系统支持，也就是说无法实现复杂的多任务软 件。 ( 2 ) 嵌入式处理器类其特点是硬件集成度高，集成的片内外设很多，通常集 成串口，u s b ，c a n 等各种控制器，通讯方便。字长一般3 2 位，也有1 6 位或6 4 位的。性能高，速度快，主频一般1 0 0 m 左右，a r m 9 可达6 0 0 m 。存储空间大，可 以支持操作系统，从而能完成更复杂的任务。 ( 3 ) 可编程逻辑器件该类属于可硬件可编程器件，作为专用集成电路( a s i c ) 领域中的一种半定制硬件电路而出现的，即解决了定制电路的不足，又克服了原 有可编程器件门电路数有限的缺点。 如用作数据采集，其区别总结如表2 2 所示： 第2 章摔温系统设计 表3 2 主控制器比较 t a b l e 3 2c o m p a r i s o no fc o n t r o lu n i t s 举例硬件特点软件特点功能 8 位机 c 5 1 1 ) 可能需要外扩一些芯片1 ) 单任务、顺序1 ) 数据采集 c 8 0 5 i f 来支持数据采集或者通讯执行式( 适用于：采集速度 p i c功能，集成度低：2 ) 一般无操作系低，通道较少，数据 a v r2 ) 采集速度低。统精度低的场合) 3 ) 难以完成复杂的实时运 2 ) 单任务处理 算。 嵌入式a r m 系列1 ) 一般集成了许多外设，集1 ) 带操作系统1 ) 数据采集( 适用 处理器p o w e r p c成度高，可靠性好。于采集速度高，采集 d s p 2 ) 运行速度快。可以同时进 2 ) 多任务并发处通道多，数据精度 等行复杂的实时运算。理能力强 高) 3 ) 实时性高2 ) 实时、多任务 3 ) 迅速的故障响应 和处理 可编程 f p g a 1 ) 半定制硬件电路，内部 1 ) 直接对硬件门适用于高速数据采 逻辑器由可编程的门电路构成电路编程集、复杂控制逻辑、 件2 ) 运行速度快 2 ) 可内嵌操作系精确时序逻辑等场 统i p 核合 如果从仅仅需要实现温度控制的角度考虑，任意一个都可以满足要求，但在 此希望实现一个微型化的微全分析系统的通用控制平台，同时要实现与上位p c 机的网络通讯功能，这就要求主控制器集成度高、有多任务处理的能力，也就是 说要能支持操作系统。 总的比较下来，嵌入式处理器系列芯片更占优势，其中a r m 系列芯片比较合 适，原因如下： ( 1 ) 集成度高可内置a d c ，并有p l m 输出。有些a r m 芯片内置2 8 通道8 1 2 位通用a d c ，用在我们的控温系统中可以省去模数转化电路，减小硬件系统体 积。p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，脉宽调制) 是利用微处理器的数字输出来对模 拟电路进行控制的一种非常有效的技术。有些a r m 芯片有2 8 路p w m 输出，可 以用于电机控制或模拟d a c 转换等。在控温系统中，可用它作为加热驱动电路的 输入控制信号，实现用数字电路控制模拟电路，从而简化电路的复杂性与适用范 围。 ( 2 ) 可内嵌操作系统：性能足够，可内嵌操作系统完成复杂、多任务的控制功 北京下q k 大学t 学硕十学何论文 能。即便这类芯片内没有集成以太网、u a r t 、u s b 控制器，我们也可以利用操 作系统加相应的外围电路实现u s b 接口、t c p i p 网络功能，存取采样数据等功 能。这一点正式8 位单片机和f p g a 的薄弱环节。 ( 3 ) 同属嵌入式处理器的p o w e r p c 芯片属双内核芯片，主要面向通信领域的 应用。同时d s p 优势在于它的高速数字处理能力。它们的特点突出、性能也都很 高，不过对p c r 微流控芯片温控系统来说这些额外的性能并不是必须的。 2 5 2a r m 系列芯片 a r m 由英国的a d v a n c e dr i s cm a c h i n e sl i m i t e d 公司推出，目前这一名字被 用作对该处理器的通称。该公司由a c o r n 计算机公司和a p p l e 公司于1 9 9 0 年在 英国合资组建，1 9 9 8 年正式使用现在的公司名称。目前a r m 微处理器有多达十 几种的内核结构，每种内核又有四个可选的功能模块，分别用t 、d 、m 和i 表示： ( 1 ) t 是t h u m b 的首字母，是3 2 位a r m 的1 6 位压缩指令集。 ( 2 ) d 是d e b u g 的缩写，指芯片内核中增加了用于调试的结构，支持片上调试。 ( 3 ) m 是m u l t i p l i e r 的首字母，指内核中有3 2 8 位的硬件乘法器。 ( 4 ) i 表示嵌入式i c e ，可实现断电观测及变量观测的逻辑电路部分。 另外还有十几个芯片生产厂家，根据不同需求而演进出的千变万化的内部功 能配置组合，面对这么多的选择，对a r m 芯片做一些研究比较是十分必要的。 下面简单比较常见的几种内核： ( 1 ) a r m 7 系列 a r m 7 系列处理器为低功耗3 2 位r i s c 处理器，提供三级流水线结构，指令系 统与a r m 9 系列、a r m 9 e 系列和a r m i o e 系列兼容，便于产品的升级换代。主要应 用于：工业控制、i n t e r n e t 设备、网络设备、移动电话等嵌入式应用。 a r m 7 处理器包括一系列的内核结构，其中a r m 7 2 0 t 以上带有m m u ( m e m o r y m a n a g e m e n tu n i t ) 功能，支持w i n d o w sc e 或标准l i n u x 等操作系统。而a r m 7 t d m i 则没有删u ，不支持w i n d o w sc e 和标准l i n u x ，但目