基于DSP的实时PCR仪温度控制系统的研制

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1、摘要摘要聚合酶链式反应(PCR)最早由克里穆利斯博士于1983发明。PCR技术是生物医学领域中的一次革命，它使生物医学研究从整体水平和细胞水平发展到分子水平，现已广泛应用于病原体测定、免疫分析、基因表达、突变和多态性等领域。实时PCR仪在普通PCR仪的基础上，利用荧光积累信号来实时监测整个PCR反应过程，最后通过标准曲线对未知模板进行定量分析。本文旨在研发一套用于基于DSP(数字信号处理器)的实时PCR仪的温度控制与数据采集系统，该系统包括系统硬件设计和软件开发两部分。系统硬件的开发主要包括：温度采集电路和荧光信号采集电路、DSP主控板电路、USB2．0接口电路以及温度控制电路、实时PCR仪

2、整体电源的选择与考量。温度信号的范围是0～100℃，升降温速率要求在±3℃，温度控制精度O．2℃；系统采用Ptl00fPtl000作为温度传感器，温度调理芯片TL431对其施加激励电流，温度传感器两端的电压信号经过滤波、放大后，其信号幅度调整至0～3V，并滤除信号中的工频干扰和高频干扰，经过DSP内嵌的ADC模块送至TMS320F2812，完成一路温度信号的采集；系统采用光电倍增管作为荧光信号探测器，光电倍增管输出的光电信号经过放大滤波后同样经过DSP内嵌的ADC模块送至TMS320F2812，完成一路光电信号的采集；主控板电路包括DSP2812及其电源电路、复位电路、外部FLASH和SRA

3、M存储电路、USB接口控制电路，JTAG调试电路；USB2．0接口电路用于DSP与PC机之间的通信，USB接口芯片选用CY7C68013芯片；温度控制电路包括光电隔离电路和热电模块驱动电路，光电隔离电路用来隔离DSP端弱电电路和加热制冷端强电电路，用来保护DSP芯片，热电模块驱动电路用以驱动加热制冷片工作。软件开发是DSP程序开发，主要包括：A／D转换、温度控制PID算法，DSP与PC机通过USB2．0端口的通讯模块，PWM波输出以及提高模数转换精度算法。最后，对所研制的PCR仪温度控制与数据采集系统进行测试。实验证明，数据传输速度达12MB／s、精度大于4．8％；温控模块中升温速率为3℃／

4、S时，温度精度为0．2℃。本文研制的实时PCR仪中的温度控制与数据采集系统初步实现了数据采集以及温度控制的基本功能，为今后系统升级及优化奠定了基础。关键词：PCR；温度控制；USB2．0；DSP；数据采集北京丁业大学硕I二论文ABSTRACTPolymerasechainreaction(PCR)inventedbyDrKaryB．Mullisin1983hasbeenpromotedthemedicalstudyfromholisticandcellularleveltomolecularlevel．Now,ithasbeenwidelyusedinmeasuringpathogen,im

5、muneessay,geneexpression,mutation，polymorphismandSOon．RealtimePCRinstrumentsmonitorthewholeprocessofPCRmakinguseoftheaccumulatedsignaloffluorescenceinrealtimeandconsequentlyanalyzeunknowntemplatebycomparing、析tllthestandardCHIVe．Inthispaper,wehavedeveloppedatemperaturecontrolanddataacquisitionsystem

6、forarealtimePCRinstrument．Themajorworksarehardwaredesignandsoftwaredevelopment．Thesystemhardwaredevelopmentincludestemperatureacquisitioncircuit，fluorescencesignalacquisitioncircuit，DSP(DigitalSignalProcessor)corecircuit，USB2．0interfacecircuit，temperaturecontrolcircuitaswellasthechoiceofthewholepow

7、er．111etemperaturesignalrangesfrom0*Cto100。Candtemperaturerisingrateis士30C／swithprecision0．20C：Ptl00／Ptl000isthetemperaturesensorforthesystem．ThetemperaturerecuperationchipTL431exertstheexcitingcurrenttoPt1