生物分子相互作用分析仪的自动控制系统设计

　　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。