基于ARM9的滚简式生物芯片点样仪的研发

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第 34卷 第 l0期2013年 10月仪 器 仪 表 学 报Chinese Journal of Scientific InstrumentVo1．34 No．1OOct．20l3基于 ARM9的滚筒式生物芯片点样仪的研发 冰蔡锦达，齐建虹，顾 豪(上海理T大学机械T程学院 上海 200093)摘 要：研发了一种新型滚筒式生物芯片点样仪，着重描述了点样仪的机械结构设计和控制系统软、硬什部分的设计。以基丁ARM9$3C2416微处理器带有触摸屏的控制器作为控制核心，实现 了点样仪的双闭环高精度控制。最后用激光干涉仪测量了点样仪的控制精度，测试结果表明：系统定位精度为 l1 m，重复精度为5 m，满足控制要求。现场实践证明：该点样仪结构设计合理 、运行稳定 、定位精准；硬件系统与软件系统巧妙结合，充分发挥了 ARM9微处理器的硬件资源和触摸屏人机交 界面的强大功能，使点样仪控制系统具有可靠性高、实时性高、控制精度高等优点。

关键词：生物 芷：片点样仪；滚筒；ARM9；触摸屏 ；控制系统；精度测试中图分类号：TH788 ．5 文献标识码 ：A 国家标准学科分类代码：460．40Research and development of roller biochip microarrayer based on ARM9Cai Jinda，Qi Jianhong，Gu Hao(Colege Mechanical Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China)Abstract：A FleW roler biochip microarrayer was researched and developed．This paper emphaticaly des<’ribes themechanical slructure design，and the control system software and hardware design of the microarrayer．The controlerbased on an ARM9$3 C24 1 6 microprocessor with a touch screen is the control core；the high accuracy dou1)le close—loop control of the microarrayer is achieved．The control accuracy of the mic,roarrayer was tested using a laser interfer—ometer；the test results show that the system positioning accuracy is 1 1 m and the repeatability accuracy is 5 Ixnt，which meets the control requirement．Application practice has proved that the biochip microarrayer features reasona—ble structure design，stable operation and precise positioning；with the hardware and software systems combined skill—fully，the designed biochip microarrayer makes full use of the ARM9 microprocessor hardware resources and the pow—erful functions of the man—machine interaction interface of the touch screen，which makes the control system of thebiochip microarrayer have high reliability，high real—time performance，high control accuracy and other advantages.

Keywords：biochip microarrayer；roller；A RM9；touch screen；control system；accuracy test1 引 言生物 芷：片是将半导体T业的微型制造技术与分子生物学技术相结合，通过把寡核苷酸、肽核酸或 DNA等生物样品同定在一块面积极小的硅片、玻片或尼龙膜等基片上而构成?。生物芯片的制备是生物芯片技术的关键环节，故生物 1 4"片仪器的研发与生物 片技术的发展有着密切联系。

生物 片点样仪是制备牛物芯片的关键没备 ，是一 种复杂的、高精度T作的精密仪器，因此其造价很昂贵。目前市场上产品化的平台式点样仪大都是国外顶级的专业公司生产 ，这些平台式点样仪结构复杂，空间利用率低，维修困难，国内只有少数公司和科研机构进行收稿日期 ：2013-07 Received Date：2013-07基金项 目：上海市研究生创新基金(JWCXSL1302)、2012国家重大科学仪器设备开发专项(2011YQI50040)、2011年上海市重大技术装备研制专项(ZB-ZBYZ-03—1 1-1709)资助项目第 1O期 蔡锦达 等：基于ARM9的滚筒式生物芯片点样仪的研发 2199这方面的研究，而且周内外尚无滚筒式点样仪的川现。

为适应我闰生物技术的发展需要，研发了一种新型滚筒式牛物芯片点样仪。采用基于 ARM9$3C2416带有触摸屏的控制器作为控制核心，实现点样仪的高精度控制。

该点样仪适用于接触式或非接触式点样，机械结构简单、体积小 、精度高、效率高、操作灵活方便 、软件控制简单，是一台号用的牛物芯片制备仪器。

2 机械结构设计及工作过程规划2．1 机械机构设计机械结构作为精度、速度、功能等的依托和执行者，它在生物 片点样仪中起着举足轻_蕈=的作用 。合理的机械结构不仅可以为设备提供足够的刚度，使追求高精度、高速 度成 为 可能，而且也 应具 有较 高 的空 间利用率 。

点样仪机械结构没计主要有滚筒和二维运动导轨 2部分。为了尽量减小体积，首次采用铝质滚筒作为生物芯片基质的承载面，并采用 r悬挂式的机械结构， 轴为滑块横向运动轴 ，’，轴为滑块竖直运动轴，l，轴联接在 轴上。点样仪依靠安装有点样针架的滑块 —l，轴的移动和轴滚筒的旋转运动实现点样针与基质膜之间的动作 ，从而加丁牛物芯片。针架上一般安装多个点样针以提高点样效率，要求各根点样针安装准确，运动平稳 ，保证点样位置精确尤误。针 架左侧安装有 CCD(charge—coupleddevice)镜头，用于实时检测点样状态。T作平台上从左至l彳 依次放置有清洗槽、样品盒和频闪液滴观测系统。

为达到点样精度，运动系统采用高精度交流伺服电机加精密滚珠丝杠直线导轨 。滚筒与伺服电机直接连接，传动误差小，定位精度高。滚筒式生物芯片点样仪的机械结构图如图 1所示。

滚筒；2翻 滚筒纠服电机：3清洗糟；4样t 盒；5频闪液滴观测系统6脯 横向导轨：7 CCD镜头；8针架：9】晋由纵向导轨电机：l0，轴 纵向导轨：1I点样针：12硒曲横向导轨电机图 1 滚筒式生物芯片点样仪机械结构图Fig．1 Mechanical structure of the rolerbiochip microarrayer用滚筒代替平台式生物芯片基质承载面，简化 厂点样仪机械结构，减小 r体积，缩短了点样管路，减少 r产生气泡的可能性，大大节省了点样时间，方便了生物芯片的制作。这也是与目前国内外市场上现有点样仪产品相比的创新之处之一。在滚筒外表面开了若干个网周槽(见图2)，南于网周槽对应于基质膜的吸干区域(见图3)，点样针可通过接触基质膜的吸干区域，借助基质膜良好的吸附性，将点样针上的残余样品吸干。点样针在接触吸干区域时，只接触基质膜本身，不会直接接触滚筒的主体而损坏点样针。这样的设计不仅省去 r专门的干燥装置，节省了仪器制造成本，而且在点样过程中就可完成点样针的吸干，大大缩短了生物芯片制备时间，提高了点样效率滚筒：2圆周槽：3抽真空孔图2 滚筒细节图Fig．2 Detail drawing of the roler口 口 厂] 厂_]口 口 口 厂l 1
． ． ．__J
／ 口 口 口 口口 口 厂_] 厂_] 【． ．_JI． ． ． ． ． ． ． ． ． 口 口 口 口／生物芯片基质膜：2吸 f区域：3生物芯片图3 生物芯片基质膜细节图Fig．3 Detail drawing of the biochip substrate2．2 工作过程规划生物芯片点样仪的工作过程主要包括清洗、取样 、预点样 、频闪观测、吸干、点样、CCD镜头检测。点样仪工作流程如图4所示。

2200 仪 器 仪 表 学 报 第 3 4卷凋整参数N放置样晶盒通过人机界面进行点样运动轨迹规划氧样针清洗五再蔷 I生 至兰预点样频闪观点样是否合格＼ ／ 上 Y吸干工点样 CCD镜头榆测点样状态图4 滚筒式生物芯片点样仪T作流程图Fig．4 Working flow chart of the roler biochip microarrayer准备T作完成，点样针清洗和取样后，利用频闪液滴观测系统进行预点样的液滴检测，预点样检测结果合格后，使针架运动到滚筒左侧第 1个圆周槽位置，然后使点样针向下运动接触基质膜的吸干区域，将点样针上的残余样品吸干。点样针吸干完成后 ，使针架运动到点样起针架滚筒始位，将样品喷射到基质膜的预定位置上，每点完一个位置，控制滚筒旋转一个设定的角度，点样针在新的位置进行点样。点样的同时，CCD镜头实时检测是否漏点样和点样位置是否正确 ，以确保点样质量。滚筒旋转一圈实现基质膜纵向的点样 ，同时控制点样针在水平方向移动一个点阵距离，此时移动到滚筒的第 2个圆周槽位置进行点样针的吸干。点样针吸干完成后，使其在水平方向移动一个点阵距离，开始基质膜新一圈的点样。如此循环，直至将基质膜的预定位置都点满，制备出要求的生物芯片，然后换另一张基质膜，为下一轮的点样做好准备。在纵向点样过程中，由于装有点样针架的滑块并不移动，管路系统保持静止状态，影响点样精度的压力变化很小 ，故大幅提高了点样精度和点样效率。

3 控制系统研发滚筒式生物芯片点样仪控制系统主要功能是使点样仪实现自动清洗 一 取样一 预点样 一 频闪观测 一 吸干一 点样 一 清洗等多个合成循环，同时还包括滚筒旋转、针架 轴和 y轴的运动、位置检测及反馈、故障检测和辅．助设备等相关控制。

3．1 硬件设计基于 ARM9 S3C2416的控制器是滚筒式生物芯片点样仪的控制核心。该控制器利用 $3C2416微处理器作为一 个桥梁将触摸屏与其他的硬件联系在一起，结合其他辅助装置组成了一个完整的生物芯片点样仪控制系统。

该控制系统充分利用控制器软硬件资源，提高了系统的可靠性，缩短了系统的设计周期。滚筒式生物芯片点样仪的硬件设计如图5所示。

— — — ’1 皇型 塑矍h— — 匝 匦 垦堡霉 y轴步进电机H y轴步进驱动器 叫y轴 粤P 一z轴伺服电机l z轴伺服驱动器 z轴： l、 Y、z轴回零传感器、 y、z轴限位传感器急停按钮触摸屏人交互界面基于ARM9S3c24l6的控制器壁 卜—] 声波清洗模块： ．I湿度 1 。‘?
执行：内嵌式环境：传感叫 慎块图5 滚筒式生物芯片点样仪控制系统硬件框图Fig．5 Hardware block diagram of the roller biochip mieroarrayer control system～一一一一一第 10期 蔡锦达 等：基于 ARM9的滚筒式生物芯片点样仪的研发 2201从图 3可看m：滚筒式生物芯片点样仪的控制环节主要分为 3部分。第 1部分为 、l，和 z轴的运动控制 ，由于点样仪要求较高的控制精度 ，故选用交流伺服 电机作为 轴和 z轴的驱动单元 ，采用步进电机控制 Y轴的运动。传动系统选用交流伺服电机加精密滚筒丝杠的结构 J，伺服电机每接受 1O0 000个脉冲转～ 圈 ，并通过 自带的编码器反馈脉冲，滚珠丝杠 的螺距为 5 rain，南理论计算知 ，单个脉 冲的传动距离为0．05 m，完全能够达到精度要求。位置反馈选用英国 雷 尼 绍 (Renishaw)光 栅 尺 ，其 定 位 精 度 为0．001 Lm。采用双闭环的运动控制策略来兼顾 系统的稳定性与精度 ，系统中包括了南光栅尺组成的全闭环主回路和南伺服编码器组成的半闭环辅助 回路 ，如图6所示。双编码器反馈 功能可对机械间隙进行补偿 ，其中一个编码器为安装在伺服电机轴上的伺服编码器 ，另外 一 个 是 贴在 导 轨上 的光栅 尺 ，ARM9S3C24l6微处理器能够同时接受来 自2个编码器 的反馈信号 ，可获得更高的运动精度，从而保证 点样仪的点样精度 。第 2部分是辅助没备控制。点样仪 的辅助功能包括真空吸附基质膜 、超声波清洗等功能。

这些辅助设备虽然不直接参与生物芯片的制备 ，但起着不可或缺的作用 。通过这些辅助功能的设置能够使点样仪 自动 、可靠地完成点样任务。第 3部分为内嵌式环境控制，南于空气 中的灰尘会严重影响到生物芯片的制备 ，环境 的湿度 、温度对于样品的挥发影响极大 ，为解决上述 问题 ，该点样仪加入内嵌式环境控制模块 ，其结构紧凑，体积小 ，可对点样空间内洁净度 、相对湿度 、温度和通风量大小进 行调节和控制。

另外 ，为应对紧急事故，点样仪还设有急停按钮。

篓。 匾 壹I f 伺服编码器反馈信号
f一 实际位置反馈信图6 滚筒式点样仪双闭环运动控制系统框图Fig．6 Block diagram of the double—hoop motion controlsystem of the biochip microarayer除了运动系统之外还需要高精度微型泵和压 电喷头 。 。微型泵用来完成连续向喷头供给样品，以及在点样针清洗过程中冲洗喷头腔体等动作。微型泵与 ARM9控制器通过 RS232协议进行通信。微型泵的T作参数直接影响生物芯片的制备质量，包括压电陶瓷的脉冲电压 、脉冲宽度和脉冲频率。脉冲频率决定单位时间喷点的次数；脉冲宽度和脉冲电压共同决定着液滴的大小 。该点样仪采用压电式微喷法，压 电喷头是其至关重要的器件 。

3．2 软件设计软件设计是点样仪控制系统的重要组成部分 。

软件编程采用基于 ARM9$3C2416的控制器的C语言主控程序 ，触摸屏人机界面友好，操作简单，用于完成参数设置、位置校准、点样监控等操作。用户可将生物芯片微阵列的各个参数通过触摸屏进行设置，通过内部程序完成点样轨迹规划，进行 自动点样。具体流程如图 7所示。

南以上流程图可看出，点样仪的软件设计Fh 2部分组成。第 l部分是触摸屏人机界面的设计 ，它为用户提供交互式数据输入界面 ，用户通过触摸屏界面把预制备的生物芯片的有关参数输入系统 ，如样品盒的布局形式 、点样针间距 、芯片点阵间距等，软件 自动检测输入数据的合理性 ，然后通过控制器 内部程序 自动完成点样的轨迹规划 ，此时可发命令使点样仪 自动运行完成点样任务，也可进行手动调试。点样针运动轨迹为点到点 (PTP)式，而且 目标位置较多 ，可根据样品的数量 、微阵列的形式在触摸屏人机界面中方便快捷地修改参数 ，并与后续处理程序充分兼容 ，完成新的点样轨迹规划并进行 自动点样 。这样可充分利用样品，通过设置参数制备 具有各种复杂微阵列形式的生物芯片。在 自动点样过程 中，程序会 自动把样品点的信息保存到文件，每一个点都对应一组数字，即它的 —l，坐标 。第 2部分是点样仪的运动控制 ，这部分 由运动控制专用语言组成，它的主要功能是按照规划好的运动轨迹控制针架和滚筒的运动 ，从而进行点样 ，点样的同时进行误差检测 ，以达到精确控制的目的。在运动控制过程中实时检测各限位安全传感器的信号，以防止发生故障，导致事故产生 ，并且人机界面上显示工作情况，并对各种情况进 行及时的响应 ，并作出相应处理。

2202 仪 器 仪 表 学 报 第 3 4卷图7 滚筒式牛物芯片点样仪控制系统的软件流程罔Fig．7 Software flow chart of the roller biochip nlicroarrayer control systenl4 精度测试及分析 同标位置根据下式确定用 Renishaw激光干涉仪对点样仪针架滑块的定位精度和重复精度进行测试 ，测量分辨率达0．001)xm，以X轴为例。将反射镜安装在点样仪 轴的针架滑块上作为移动光学镜，线性干涉镜作为同定光学镜，使干涉镜 、反射镜互相准直并与点样仪 轴垂直 ，如图8所示。

]：涉镜图 8 点样仪 x轴定位精度激光干涉测试原理图Fig．8 Laser interference test principle of X axis positioning’ accuracy for the mieroarayer式中：P为目标位置的间距，i为同标位置的序号，r为消除反向间隙的越程。

轴的测量行程为300 ilm，几标位置间距取75 H1Il，目标数为5，并存每个点上重复定位5次。根据测试需要编写 ARM9运动控制程序，通过操作触摸屏实现滑块的具体运动 。在滑块向 轴每一个 日标点位置 P 运动时，将产生一定数量的不同实际定位点 P 。测量时，安装在针架滑块上的反射镜随滑块移动，相对于同定不动的干涉镜移动一个问距，干涉镜产生周期性的明暗变化，通过)匕电计数器计数就可得到线性干涉镜即滑块的实际定位点 P 减去 目标位置 P 即得 目标位置定位偏差根据 n次测量的偏差值就可确定该点的平均定位偏差值和标准偏差 s ，进而得到点样仪 轴定位精度和重复精度。

t n '平均定位偏差： = 1∑X = 1∑(P —P )， I ， I系统定位偏差：E=max(X，)一min(X )厂 —— —————一 标准偏差：5 =√ ∑( — ) 、／n—l第 l0期 蔡锦达 等 ：基于 ARM9的滚筒式生物芯片点样仪的研发 2203重复精度：R =max(尺 )：max(2S )定位精度：A=r玎ax(A )=max( +2S )南表 1的测试和计算数据 町得 ：点样仪 轴的定位精度为 l】Ixtn，晕复精度为5 Ixm，完全能满足用户要求。

表 1 点样仪 轴定位精度和重复精度测试数据统计表Table 1 Test data of the X-axis positioning accuracy andrepeatability accuracy for the microarrayer5 结 论牛物 片点样仪的研发是牛物芯片技术发展的重要环节 本文研发的新型滚筒式牛物芯片点样仪结构简单、体积小 、功能完备 、性价比高， EV0；t~现为众多生物研兖 位提供 l『一个不错的选择，能够满足科研环境下的微阵列 生物 片制备，也 能够适应 批产。采 用基 于ARM9 s3C24l6微处理器带有触摸屏的控制器作为控制核心，设计 厂完整的点样仪硬件系统，采用 C语言编写ARM9底层控制程序，并没计 r友好的触摸屏人机界面，使点样仪控制系统操作灵活方便，实时性高、稳定性好，在缩小体积的同时，提高 r仪器的控制精度。用激光干涉仪对点样仪的定位精度进行测试，测试结果表明：该点样仪的重复精度可达 5 ixm，达到预期控制精度要求。在上海某生物科研企业的实践证明：该点样仪运行稳定、可靠性高、点样质量较好，可以满足大多数科研机构和牛物芯片制造公司的精度要求。

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作者简介eeived her B．Sc．degree in 2012 from University of Shanghai forScience and Technology；now，she is a master student in Universi—ty of Shanghai for Science and Technology．Her main research in—terests include embedded automatic control and automatic controlof biomedical equipment.

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