一种基于嵌入式技术的热循环仪测控系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于嵌入式技术的热循环仪测控系统，包括微控制器系统模块、温度采集模块、功率驱动模块、系统状态监控模块和通讯接口模块。本发明专利技术可以为热循环仪或类似仪器提供全部组件的精确监测与控制，能够大幅降低仪器故障率，更加安全、可靠地保障了仪器的功能实现和稳定运行，从而有效降低类似仪器的后期维护成本，具有较大市场价值。

A measurement and control system of thermal cycle instrument based on Embedded Technology

The invention discloses a measurement and control system for a thermal circulator based on embedded technology, which comprises a microcontroller system module, a temperature acquisition module, a power drive module, a system status monitoring module and a communication interface module. The invention can provide accurate monitoring and control of all components for thermal circulator or similar instrument, greatly reduce the failure rate of the instrument, more safely and reliably ensure the function realization and stable operation of the instrument, thereby effectively reducing the later maintenance cost of similar instrument, and has great market value.

【技术实现步骤摘要】
一种基于嵌入式技术的热循环仪测控系统
本专利技术涉及测控
，具体涉及一种基于嵌入式技术的热循环仪测控系统。
技术介绍
美国PerkinE1mer(珀金埃尔默)公司的科学家Dr.Mullis所专利技术的生物分子学中的聚合酶链反应(PolymeraseChainReaction，简称PCR)，是二十世纪八十年代中期开始发展的分子生物学的体外核酸扩增技术，这种技术又被称为无细胞分子克隆或特异性DNA序列体外引物定向酶促扩增技术。PCR技术在理论和应用上是具有超越时代意义的革命性专利技术，Dr.Mullis由此获得了1993年化学诺贝尔奖。应用PCR技术，能在一个普通小试管中将所要研究的基因或某一小片DNA片段在短短几小时之内扩增到十万、数百万倍，使人们肉眼能直接观察和作出判断；可从一根毛发、一滴血、甚至一个细胞中扩增出足量的DNA供人们分析研究和检测鉴定。过去要花几天几星期才能做到的事情，使用PCR技术短短几小时便可完成。PCR技术可以非常简便快速地采取体外扩增的方式从微量生物材料中获取大量特定的遗传物质，它可以检测基因突变和基因组的不稳定性，已经广泛应用于遗传分析，所以被迅速应用到生命科学、医学研究、遗传工程、SARS等疾病诊断以及法医和考古学等领域。PCR技术原理是将待扩增的DNA做模板，用来与模板正链和负链互补的两种寡聚核苷酸做引物，经过模板DNA的变性、模板与引物结合复性以及在DNA聚合酶作用下发生引物链延伸反应等三步循环来扩增两引物间的DNA片段。每一循环的DNA产物经变性后又成为下一个循环的模板DNA。整个工作过程需要在三种不同温度下(即变性、退火、延伸)循环完成，每经历一次循环可使基因增加一倍，经过25—30次左右的循环，最终使基因扩增100万倍以上。热循环仪是指能够自动完成PCR反应的仪器，亦即是控制反应物在指定的变性温度、复性温度和延伸温度之间自动循环的仪器，主要由测控系统、半导体变温模块、热盖模块和触摸屏单机系统组成，半导体变温模块主要包括半导体制冷组件、散热风扇组件和电热片组件。工作时，由测控系统控制半导体变温模块与热盖模块进行快速升温–恒温–快速降温–恒温的往复循环变温过程，实现基因扩增过程中所需要的温度条件，从而完成PCR实验，并通过触摸屏单机系统实现人机交互功能。目前，热循环仪已经广泛应用于生命科学研究、法医鉴定、疫情快速检验、生化分析、临床诊断和药物分析等多个领域。热循环仪工作过程需要对反应物进行快速的升降温控制，升降温最大速率一般可达4℃/s，仪器的测控和温控精度要求非常高，相关功率组件及驱动模块很容易因系统内部电流、电压等扰动因素造成相关功率组件或元器件出现过热故障，影响仪器使用寿命，甚至导致相关元件直接烧毁，造成经济损失。如何对已有的热循环仪及类似仪器提供全部组件的实时监测与控制，安全、可靠地保障仪器的功能实现和稳定运行，一直是这一领域需要攻克的难题。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术旨在提供一种基于嵌入式技术的热循环仪测控系统，可以实现对热循环仪内各相关组件的电流、电压及温度进行有效的实时监测，以实现热循环仪的整机监测功能，及时有效地避免各相关组件因过流、过压及过温所造成的损坏，安全、可靠地保障仪器的功能实现和稳定运行。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于嵌入式技术的热循环仪测控系统，包括微控制器系统模块、温度采集模块、功率驱动模块、系统状态监控模块和通讯接口模块；所述微控制器系统模块主要包括嵌入式微控制器；所述嵌入式微控制器与系统状态监控模块电气连接，所述系统状态监控模块连接于热循环仪的半导体制冷片组件以及各路电源，用于半导体制冷片组件的工作电流进行实时监测，以及对半导体制冷片组件的端口电压、热循环仪的各路电源电压进行实时监测；所述嵌入式微控制器与温度采集模块电气连接，所述温度采集模块连接于热循环仪的半导体变温模块和热盖模块，用于对半导体变温模块和热盖模块的多路温度进行实时监测；所述嵌入式微控制器与功率驱动模块电气连接，所述功率驱动模块与热循环仪的半导体制冷片组件的接线端口连接，用于对半导体制冷片组件进行加热、制冷切换控制，以及对其功率的大小进行控制；所述嵌入式微控制器通过组件开关控制接口电气连接所述半导体变温模块的半导体制冷片组件、电热片组件和散热风扇组件，用于对半导体制冷片组件、电热片组件、散热风扇组件进行启停控制。进一步地，所述温度采集模块包括多路温度传感组件接口、调理放大电路、多路温度采集电压端口、8通道多路复用器和A/D转换器，所述多路温度传感组件接口、调理放大电路、多路温度采集电压端口、8通道多路复用器和A/D转换器依次串行电气连接，所述A/D转换器连接于所述嵌入式微控制器的SPIA接口，所述多路温度传感组件接口电气连接于热循环仪的半导体变温模块和热盖模块。进一步地，所述功率驱动模块包括闸极驱动器、半桥功率MOSFET驱动电路、LC低通滤波电路、H桥驱动电路；所述嵌入式微控制器通过PWM输出接口与闸极驱动器、半桥功率MOSFET驱动电路、LC低通滤波电路、H桥驱动电路依次串行电气连接，所述H桥驱动电路和半导体制冷片组件的接线端口串行电气连接；所述H桥驱动电路还与所述嵌入式微控制器的制冷加热切换控制接口电气连接。进一步地，所述系统状态监控模块包括监控电压调理电路、8通道多路复用器、另一A/D转换器、电流分流监测电路、功率驱动模块关断电路、声音报警驱动电路以及过流、过压、过温监控触发电路；所述监控电压调理电路与8通道多路复用器、另一A/D转换器依次电气连接，并且连接于半导体制冷片组件的驱动端口和热循环仪的各路电源；所述A/D转换器连接于所述嵌入式微控制器的SPIB接口和SPIC接口；所述电流分流监测电路分别与半导体制冷片组件的驱动端口和所述嵌入式微控制器的A/D接口电路电气连接；所述过流、过压、过温监控触发电路与电流分流监测电路、半导体制冷片组件的驱动端口、温度采集模块和功率驱动模块关断电路分别电气连接，所述功率驱动模块关断电路与功率驱动模块连接。更进一步地，所述过流、过压、过温监控触发电路与声音报警驱动电路电气连接。进一步地，所述通讯接口模块包括RS232收发器和DB9插座，所述嵌入式微控制器的UART接口与RS232收发器、DB9插座依次串行电气连接。进一步地，所述通讯接口模块包括限流配电开关和USB插座，所述嵌入式微控制器的USB接口与限流配电开关、USB插座依次电气连接，所述USB接口还与所述USB插座直接连接。进一步地，所述通讯接口模块包括CAN总线收发器和CAN插座，所述嵌入式微控制器的CAN接口与CAN总线收发器、CAN插座依次串行电气连接。本专利技术的有益效果在于：本专利技术可以为热循环仪或类似仪器提供全部组件的精确监测与控制，能够大幅降低仪器故障率，更加安全、可靠地保障了仪器的功能实现和稳定运行，从而有效降低类似仪器的后期维护成本，具有较大市场价值。附图说明图1为本专利技术实施例中测控系统和热循环仪各个部分以及外部计算机工作站的总体连接关系示意图；图2为本专利技术实施例的总体硬件连接示意图；图3为本专利技术实施例中微控制器系统模块的结构示意图；图4为本专利技术实施例中温度采集模块的结构示意图；图5为本专利技术实施例中功率驱动模块的结构示意图；图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于嵌入式技术的热循环仪测控系统，其特征在于，包括微控制器系统模块、温度采集模块、功率驱动模块、系统状态监控模块和通讯接口模块；所述微控制器系统模块主要包括嵌入式微控制器；所述嵌入式微控制器与系统状态监控模块电气连接，所述系统状态监控模块连接于热循环仪的半导体制冷片组件以及各路电源，用于半导体制冷片组件的工作电流进行实时监测，以及对半导体制冷片组件的端口电压、热循环仪的各路电源电压进行实时监测；所述嵌入式微控制器与温度采集模块电气连接，所述温度采集模块连接于热循环仪的半导体变温模块和热盖模块，用于对半导体变温模块和热盖模块的多路温度进行实时监测；所述嵌入式微控制器与功率驱动模块电气连接，所述功率驱动模块与热循环仪的半导体制冷片组件的接线端口连接，用于对半导体制冷片组件进行加热、制冷切换控制，以及对其功率的大小进行控制；所述嵌入式微控制器通过组件开关控制接口电气连接所述半导体变温模块的半导体制冷片组件、电热片组件和散热风扇组件，用于对半导体制冷片组件、电热片组件、散热风扇组件进行启停控制。

【技术特征摘要】
1.一种基于嵌入式技术的热循环仪测控系统，其特征在于，包括微控制器系统模块、温度采集模块、功率驱动模块、系统状态监控模块和通讯接口模块；所述微控制器系统模块主要包括嵌入式微控制器；所述嵌入式微控制器与系统状态监控模块电气连接，所述系统状态监控模块连接于热循环仪的半导体制冷片组件以及各路电源，用于半导体制冷片组件的工作电流进行实时监测，以及对半导体制冷片组件的端口电压、热循环仪的各路电源电压进行实时监测；所述嵌入式微控制器与温度采集模块电气连接，所述温度采集模块连接于热循环仪的半导体变温模块和热盖模块，用于对半导体变温模块和热盖模块的多路温度进行实时监测；所述嵌入式微控制器与功率驱动模块电气连接，所述功率驱动模块与热循环仪的半导体制冷片组件的接线端口连接，用于对半导体制冷片组件进行加热、制冷切换控制，以及对其功率的大小进行控制；所述嵌入式微控制器通过组件开关控制接口电气连接所述半导体变温模块的半导体制冷片组件、电热片组件和散热风扇组件，用于对半导体制冷片组件、电热片组件、散热风扇组件进行启停控制。2.根据权利要求1所述的基于嵌入式技术的热循环仪测控系统，其特征在于，所述温度采集模块包括多路温度传感组件接口、调理放大电路、多路温度采集电压端口、8通道多路复用器和A/D转换器，所述多路温度传感组件接口、调理放大电路、多路温度采集电压端口、8通道多路复用器和A/D转换器依次串行电气连接，所述A/D转换器连接于所述嵌入式微控制器的SPIA接口，所述多路温度传感组件接口电气连接于热循环仪的半导体变温模块和热盖模块。3.根据权利要求1所述的基于嵌入式技术的热循环仪测控系统，其特征在于，所述功率驱动模块包括闸极驱动器、半桥功率MOSFET驱动电路、LC低通滤波电路、H桥驱动电路；所述嵌入式微控制器通过PWM输出接口与闸极驱动器、半桥功率MOSFET驱动电路、LC低通滤波电路、H桥驱动电路依次...

【专利技术属性】
技术研发人员：范志永，李子晓，郑海东，史佳新，杜菲，王守山，陈力，金川，张涛，
申请(专利权)人：公安部第一研究所，北京中盾安民分析技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11