一種基因擴增儀的遠程監控裝置的製作方法
2023-09-23 02:02:30
專利名稱：一種基因擴增儀的遠程監控裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種遠程監控裝置，特別涉及一種對基因擴增儀進行監控的裝置。
背景技術：
基因擴增儀(PCR儀)是依靠人機互動界面對儀器進行程序設定以及顯示儀器狀 態。目前，人機互動界面主要通過機械按鈕輸入、數碼管或LCD輸出信息來實現人機互動。 機械式按鈕操作雖然在硬體與軟體上實現簡單，但壽命有限，數量多且分布緊湊，數碼管和 LCD面積小，可顯示的信息量有限。這樣的儀器在進行PCR程序編寫時操作過程繁瑣耗時， 且易造成誤操作。在PCR儀運行時，用戶只能通過人機互動界面了解儀器狀態，這意味著如 果要查看儀器的運行狀態，用戶就必須在儀器旁邊，而一個PCR程序運行的時間一般為2 4小時，難以實時監控，且勢必會降低用戶的工作效率。PCR儀是生物醫療設備，操作和運行 時對實驗室有無菌無汙染等要求，若用戶通過儀器進行程序設定和狀態監控，必然會在進 出實驗室的同時帶來一些汙染，對反應結果造成影響，甚至造成假陽性等結果的出現。
實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是提供一種基因擴增儀的遠程監控裝置，通過它
可實現對PCR儀遠程的程序設定和運行狀態的實時監控，方便地進行人機互動。 本實用新型解決其技術問題所採取的技術手段是該基因擴增儀的遠程監控裝置
包括基因擴增儀和監控終端，所述基因擴增儀包括熱循環器、ARM處理器、存儲器、無線網絡
模塊、人機互動界面、A/D轉換電路、D/A及功率放大電路和電源模塊電路，所述熱循環器包
括樣品塊溫度傳感器、熱蓋溫度傳感器、半導體加熱片和熱蓋，所述樣品塊溫度傳感器和熱
蓋溫度傳感器分別與A/D轉換電路連接，所述半導體加熱片和熱蓋分別與D/A及功率放大
電路連接，所述ARM處理器分別與A/D轉換電路、D/A及功率放大電路、無線網絡模塊、存儲
器、電源模塊電路和人機互動界面連接，所述監控終端與無線網絡模塊通過網際網路連接。 進一步地，本實用新型所述無線網絡模塊為USB無線網卡，所述USB無線網卡的
USB連接口與ARM處理器的USB埠連接。 進一步地，本實用新型所述USB無線網卡和監控終端通過基於802. lla/b協議的 無線網絡和基於TCP/IP協議的網際網路連接。 進一步地，本實用新型所述A/D轉換電路由A/D轉換晶片和CPLD晶片組成，所述 A/D轉換晶片與CPLD晶片連接，所述ARM處理器與CPLD晶片連接，所述樣品塊溫度傳感器 和熱蓋溫度傳感器分別與A/D轉換晶片連接。 進一步地，本實用新型所述人機互動界面由液晶顯示器和觸控螢幕組成，所述液晶 顯示器和觸控螢幕分別與ARM處理器連接。 進一步地，本實用新型所述存儲器由Nand Flash和SDRAM組成，所述NandFlash 和SDRAM分別與ARM處理器相連接。[0010] 進一步地，本實用新型所述D/A及功率放大電路由D/A晶片、P麗控制器、H橋驅動 晶片和H橋雙極性電路組成，所述D/A晶片、P麗控制器、H橋驅動晶片和H橋雙極性電路依 次串聯，所述D/A晶片與ARM處理器連接，所述H橋雙極性電路與半導體加熱片和熱蓋分別 連接。 具體地說，本實用新型的基因擴增儀的遠程監控裝置以ARM處理器為控制核心， 包括PCR儀和監控終端，PCR儀包括熱循環器、ARM處理器、存儲器、無線網絡模塊、人機互動 界面、A/D轉換電路、D/A及功率放大電路和電源模塊電路，所述熱循環器包括樣品塊溫度 傳感器、熱蓋溫度傳感器、半導體加熱片和熱蓋，樣品塊溫度傳感器和熱蓋溫度傳感器分別 與A/D轉換電路連接，半導體加熱片和熱蓋分別與D/A及功率放大電路連接，ARM處理器分 別與A/D轉換電路、D/A及功率放大電路、無線網絡模塊、存儲器、電源模塊電路和人機互動 界面連接，監控終端與無線網絡模塊通過網際網路連接。ARM處理器通過PCR儀中的樣品塊溫 度傳感器和熱蓋溫度傳感器實時獲取PCR儀樣品塊和熱蓋的溫度信息，此信息通過網際網路 發送到遠程的監控終端，遠程的監控終端對數據進行接收、處理、分析與發布，同時通過互 聯網將控制信息傳送回ARM處理器，實現對PCR儀的監控。PCR儀包括 (l)ARM處理器可使用高性能32位ARM9處理器S3C2410，完成整個系統的數據採 集、數據遠程傳送和系統控制。本PCR儀的遠程監控裝置的ARM處理器也可使用其它可支 持無線網絡的ARM系列處理器。 (2)存儲器由SDRAM和Nand FLASH組成，用於固化程序，存儲PCR程序與記錄運 行數據。該存儲器還可以由SRAM、 EEPROM等存儲器組成。 (3)人機互動界面由液晶顯示器和觸控螢幕組成，液晶顯示器尺寸大顯示內容豐 富，觸控螢幕方便用戶輸入信息。人機互動界面還可以由機械按鈕和顯示設備組成。 (4)無線網絡模塊可為USB無線網卡，PCR儀通過USB無線網卡與網際網路連接，實 現與監控終端的通訊。無線網絡模塊還可以選擇使用CF、 PCMCIA等接口的無線網卡。 (5)A/D轉換電路由A/D轉換晶片和CPLD晶片組成，A/D轉換晶片與PCR儀中的 樣品塊溫度傳感器和熱蓋溫度傳感器連接，CPLD晶片與A/D轉換晶片連接，ARM處理器與 CPLD晶片連接。A/D轉換晶片將PCR儀中的樣品塊溫度傳感器和熱蓋溫度傳感器採集到的 模擬信號進行模數轉換，轉換後的數位訊號傳輸給CPLD晶片，ARM處理器通過CPLD晶片獲 取數據。 (6)D/A及功率放大電路由D/A晶片、P麗控制器、H橋驅動晶片和H橋雙極性電路 組成，D/A晶片、P麗控制器、H橋驅動晶片和H橋雙極性電路依次串聯，D/A晶片與ARM處 理器連接，H橋雙極性電路與半導體加熱片和熱蓋分別連接。D/A及功率放大電路將ARM處 理器輸出的數位訊號轉換成模擬信號驅動半導體加熱片和熱蓋進行加熱和製冷。(7)電源 模塊電路對電路各元器件提供穩定的工作電壓和參考電壓。 熱循環部分主要包括 (D半導體加熱片，用於實現PCR儀升溫-降溫的熱循環過程； (2)熱蓋，用於維持試管頂部溫度，防止試液蒸發並在試管頂部形成冷凝水； (3)PT100溫度傳感器，用於實時檢測反應塊和熱蓋的溫度； 監控終端即遠程PC機通過網際網路實現與ARM處理器的相互通信，實現對PCR儀的 遠程監控。本監控終端也可以使用工業控制計算機、可攜式計算機等。[0023] 與現有技術相比，本實用新型對PCR儀的監控所帶來的有益效果是 (1)實時性強，網際網路的實時性強，傳輸速率高，同時本實用新型採用的高性能 ARM處理器，工作頻率達到203MHz，系統無延時，可以完全滿足實時同步接收處理PCR儀的 儀器狀態數據與輸入、發送儀器運行信息的要求； (2)實時方便，一個房間只需一個網絡接口與一臺無線路由器即可，如用戶有現成 的WiFi無線網絡接入點，則無需任何配套設備； (3)監控範圍廣，可打破目前PCR儀必須留守儀器旁邊進行監控的局限性，還在一 個監控室內，擴展至對多臺PCR儀進行遠程監控，節省了人力，提高了工作效率。
以下結合附圖對本實用新型作進一步說明。
圖1是本實用新型遠程監控裝置的結構示意框圖。 圖2是本實用新型中的ARM處理器與存儲器中的Nand Flash的接口示意圖。 圖3是本實用新型中的ARM處理器與存儲器中的SDRAM的接口示意圖。 圖4是本實用新型中的ARM處理器與人機互動界面中的液晶顯示器的接口示意圖。 圖5是本實用新型中的ARM處理器與人機互動界面中的觸控螢幕的接口示意圖。 圖6是本實用新型中的ARM處理器與A/D轉換電路的接口示意圖。 圖7是本實用新型中的ARM處理器和無線網絡模塊與監控終端之間的網絡連接示意圖。 圖8是本實用新型中的ARM處理器與D/A及功率放大電路的接口示意圖。
具體實施方式如
圖1所示，本實用新型遠程監控裝置包含PCR儀和監控終端。其中，PCR儀包括 熱循環器、ARM處理器、存儲器、無線網絡模塊、人機互動界面、A/D轉換電路、D/A及功率放 大電路和電源模塊電路，所述熱循環器包括樣品塊溫度傳感器、熱蓋溫度傳感器、半導體加 熱片和熱蓋，樣品塊溫度傳感器和熱蓋溫度傳感器分別與A/D轉換電路連接，半導體加熱 片和熱蓋分別與D/A及功率放大電路連接，ARM處理器分別與A/D轉換電路、D/A及功率放 大電路、無線網絡模塊、存儲器、電源模塊電路和人機互動界面連接，監控終端與無線網絡 模塊通過網際網路連接。 本實用新型的PCR儀可使用三星公司的32位ARM9處理器S3C2410為控制核心。 當然，本實用新型也可使用其它可支持無線網絡的ARM系列處理器。 ARM處理器S3C2410通過外圍的A/D轉換電路讀取PCR儀中的樣品塊溫度傳感器 和熱蓋溫度傳感器的溫度信息，並由ARM處理器對信息數據進行處理。ARM處理器通過D/A 及功率放大電路控制PCR儀中的半導體加熱片和熱蓋以保證溫度處於預設值。ARM處理器 與電源模塊電路連接，並由電源模塊電路提供穩定的工作電壓。 圖2為本實用新型ARM處理器和存儲器中的Nand Flash的接口示意圖。其中， ARM處理器使用的是三星公司生產的S3C2410 ARM9處理器；Nand Flash可使用三星公司 生產的K9F1208的32M Nand FLASH。 ARM處理器的時鐘引腳、鎖存引腳、讀寫控制引腳和輸入輸出引腳分別和Nand Flash存儲器的對應引腳相連。Nand Flash存儲器保存本實用新 型遠程監控裝置在PCR儀端的配套程序。通過專門的編程器可實現對Nand Flash保存的 程序的改寫。本實用新型遠程監控裝置通電後，ARM處理器會將保存在Nand Flash的程序 自動調入SDRAM中執行。當然，本實用新型也可以使用三星、東芝等公司生產的其它型號的 NANDFLASH。 本實用新型遠程監控裝置啟動後，ARM處理器將保存在存儲器的NandFlash上的 程序調入存儲器的SDRAM中執行。用戶可以通過人機互動界面的觸控螢幕進行儀器運行信息 的輸入和獲取儀器狀態，即輸入目標溫度值、熱循環次數和程序運行時間，以及獲取樣品塊 的溫度值、熱蓋的溫度值、熱循環次數和程序已運行的時間等。通過在ARM處理器上移植 Web伺服器和資料庫伺服器，遠程的用戶即可通過監控終端的Internet瀏覽器進行儀器運 行信息的輸入或獲取儀器狀態，即輸入目標溫度值、熱循環次數和程序運行時間，以及獲取 樣品塊的溫度值、熱蓋的溫度值、熱循環次數和程序已運行的時間。所有信息均通過網際網路 發送到遠程監控裝置的監控終端，由監控終端對數據進行接收、處理、分析與發布，同時將 控制信息傳送回ARM處理器，實現對PCR儀的實時監控。 如圖3示出了 ARM處理器和存儲器的SDRAM之間的連接關係。其中，SDRAM可使 用三星公司生產的型號為MT48LC4M32B2的16M SDRAM。 ARM處理器的地址總線、數據總線 和控制總線分別與SDRAM的相應總線相連。由於本實用新型遠程監控裝置的程序不能直接 在Nand Flash上執行，ARM處理器擴展SDRAM作為程序執行環境。當然，本實用新型也可 以使用三星、東芝等公司的其它型號SDRAM。 本實用新型的人機互動界面可由液晶顯示器和觸控螢幕組成。 圖4所示為ARM處理器和人機互動界面中的液晶顯示器的接口示意圖。液晶顯示 器的CLK、 LCDVR0、 LCDVF1、 LCDVF2引腳分別與ARM處理器的VCLK、 VLINE、 VFRAME、 VM引腳 連接，液晶顯示器的數據引腳和ARM處理器的數據弓|腳連接。液晶顯示器可實時顯示PCR 儀的信息。 圖5所示為ARM處理器和人機互動界面中的觸控螢幕的接口示意圖。觸控螢幕的四個 模擬量輸出口通過M0S管分別與ARM處理器自帶的四個開關控制口連接，四個模擬量中的 XP、YP分別與ARM處理器自帶的兩路A/D輸入口連接，以選擇X、Y方向的輸入信號；ARM處 理器自帶的兩路A/D轉換通道分別對X、Y方向的輸入模擬量進行模數轉換以確定觸筆按下 位置。 圖6所示為ARM處理器和A/D轉換電路的接口示意圖。A/D轉換電路由A/D轉換 晶片和CPLD晶片組成，A/D轉換晶片與CPLD晶片連接。ARM處理器的控制總線、地址總線 和數據總線分別與CPLD晶片的I/O引腳連接。圖6示出的A/D轉換晶片AD7711有兩個。 其中一個A/D轉換晶片AD7711的RTDl和AIN-引腳分別與熱蓋溫度傳感器的一端連接並接 地，RTD2和AIN+引腳分別與熱蓋溫度傳感器的另一端連接，時鐘、數據和讀寫控制引腳分 別與其中一個CPLD晶片的I/O引腳連接；另一個A/D轉換晶片AD7711的RTD1和AIN-引 腳分別與樣品塊溫度傳感器的一端連接並接地，RTD2和AIN+引腳分別與樣品塊溫度傳感 器的另一端連接，時鐘、數據和讀寫控制引腳分別與另一個CPLD晶片的I/O引腳連接。在 ARM處理器和A/D轉換晶片之間增加CPLD晶片進行時序整合，可方便實現ARM處理器和低 速的A/D轉換晶片AD7711之間的數據交換。ARM處理器通過讀取CPLD晶片的IO引腳的電平信息就可以獲取經A/D轉換晶片轉換後的PCR儀中的溫度信息。通過該A/D轉換電路， ARM處理器可獲取PCR儀中樣品塊和熱蓋的實時溫度信息，通過D/A及功率放大電路驅動 PCR儀中的半導體加熱片和熱蓋，進行加熱和製冷。 本實用新型的無線網絡模塊使用的是USB無線網卡，也可以是使用CF、 PCMCIA等 接口的無線網卡。圖7示出了本實用新型的ARM處理器和無線網絡模塊與監控終端之間通 過網絡連接的示意圖。ARM處理器通過USB HOST埠與USB無線網卡VNUWLC51直接相連。 USB無線網卡和監控終端通過基於802. 1 la/b協議的無線網絡和基於TCP/IP協議的網際網路 連接。無線網卡支持802. lla/b網絡協議，可通過網際網路與遠程監控端通訊，實現數據的收 發。在本實用新型遠程監控裝置開始運行時，USB無線網卡通過DHCP或手動分配IP位址 即可實現和網際網路連接。在ARM處理器上移植Web伺服器和資料庫，ARM處理器將PCR儀 運行時的儀器狀態信息記錄在資料庫中，也從資料庫中讀取儀器運行信息，Web伺服器可以 訪問、輸入和修改資料庫並且提供給遠程終端訪問、輸入和修改。監控終端可通過Internet 瀏覽器訪問ARM處理器上的Web伺服器以獲取PCR儀運行時的儀器狀態，同時可以輸入和 修改儀器運行信息。 圖8所示為ARM處理器與D/A及功率放大電路的接口示意圖。D/A及功率放大電 路由D/A晶片、P麗控制器、H橋驅動晶片和H橋雙極性電路組成，其中，D/A晶片、P麗控制 器、H橋驅動晶片和H橋雙極性電路依次串聯，D/A晶片與ARM處理器連接，H橋雙極性電路 與半導體加熱片和熱蓋分別連接。如圖8所示，本實用新型使用的D/A晶片可以是AD5326， P麗控制器可以是UC3637，H橋驅動晶片可以是IR2110。當然，本實用新型也可以使用其它 型號的D/A晶片、P麗控制器和H橋驅動晶片。D/A晶片、P麗控制器、H橋驅動晶片和H橋 雙極性電路串聯。ARM處理器與D/A晶片連接，ARM處理器輸出的數位訊號經D/A晶片轉換 為模擬信號，此模擬信號與反饋電流比較來決定P麗控制器UC3637的輸出P麗波形的佔空 比，此P麗波形為IR2110的邏輯輸入，進而控制與IR2110相連的H橋式雙極性電路的功率 MOSFET的通斷，產生方向可逆的直流電流。佔空比的多少決定輸出電流值的大小，此電流流 經半導體加熱片和熱蓋，進行加熱和製冷。利用取樣電阻來進行電流檢測形成閉環的反饋。
權利要求一種基因擴增儀的遠程監控裝置，其特徵是它包括基因擴增儀和監控終端，所述基因擴增儀包括熱循環器、ARM處理器、存儲器、無線網絡模塊、人機互動界面、A/D轉換電路、D/A及功率放大電路和電源模塊電路，所述熱循環器包括樣品塊溫度傳感器、熱蓋溫度傳感器、半導體加熱片和熱蓋，所述樣品塊溫度傳感器和熱蓋溫度傳感器分別與A/D轉換電路連接，所述半導體加熱片和熱蓋分別與D/A及功率放大電路連接，所述ARM處理器分別與A/D轉換電路、D/A及功率放大電路、無線網絡模塊、存儲器、電源模塊電路和人機互動界面連接，所述監控終端與無線網絡模塊通過網際網路連接。
2. 根據權利要求1所述的一種基因擴增儀的遠程監控裝置，其特徵是所述無線網絡 模塊為USB無線網卡，所述USB無線網卡的USB連接口與ARM處理器的USB埠連接。
3. 根據權利要求2所述的一種基因擴增儀的遠程監控裝置，其特徵是所述USB無線 網卡和監控終端通過基於802. lla/b協議的無線網絡和基於TCP/IP協議的網際網路連接。
4. 根據權利要求1所述的一種基因擴增儀的遠程監控裝置，其特徵是所述A/D轉換 電路由A/D轉換晶片和CPLD晶片組成，所述A/D轉換晶片與CPLD晶片連接，所述ARM處理 器與CPLD晶片連接，所述樣品塊溫度傳感器和熱蓋溫度傳感器分別與A/D轉換晶片連接。
5. 根據權利要求1所述的一種基因擴增儀的遠程監控裝置，其特徵是所述人機互動 界面由液晶顯示器和觸控螢幕組成，所述液晶顯示器和觸控螢幕分別與ARM處理器連接。
6. 根據權利要求1所述的一種基因擴增儀的遠程監控裝置，其特徵在於所述存儲器 由Nand Flash和SDRAM組成，所述Nand Flash和SDRAM分別與ARM處理器相連接。
7. 根據權利要求1所述的一種基因擴增儀的遠程監控裝置，其特徵在於所述D/A及 功率放大電路由D/A晶片、P麗控制器、H橋驅動晶片和H橋雙極性電路組成，所述D/A芯 片、P麗控制器、H橋驅動晶片和H橋雙極性電路依次串聯，所述D/A晶片與ARM處理器連 接，所述H橋雙極性電路與半導體加熱片和熱蓋分別連接。
專利摘要本實用新型涉及一種基因擴增儀的遠程監控裝置，它包括基因擴增儀和監控終端，所述基因擴增儀包括熱循環器、ARM處理器、存儲器、無線網絡模塊、人機互動界面、A/D轉換電路、D/A及功率放大電路和電源模塊電路，所述熱循環器包括樣品塊溫度傳感器、熱蓋溫度傳感器、半導體加熱片和熱蓋，所述樣品塊溫度傳感器和熱蓋溫度傳感器分別與A/D轉換電路連接，所述半導體加熱片和熱蓋分別與D/A及功率放大電路連接，所述ARM處理器分別與A/D轉換電路、D/A及功率放大電路、無線網絡模塊、存儲器、電源模塊電路和人機互動界面連接，所述監控終端與無線網絡模塊通過網際網路連接。本實用新型可實現對PCR儀遠程的程序設定和運行狀態的實時監控，方便地進行人機互動。
文檔編號C12M1/38GK201477420SQ200920195799
公開日2010年5月19日 申請日期2009年9月10日 優先權日2009年9月10日
發明者劉娟容, 周斯忠, 姚英豪, 賀惠農, 陳章位, 黃靖 申請人:浙江大學