芯片级PCR温度控制系统软件设计

一、软件系统工作原理
PCR仪中，最重要的部分是对反应温度的控制。PCR仪系统根据用户预先设定的参数来控制变温系统的反应温度。系统首先采集变温系统的当前温度，将当前温度和用户设定的变性温度进行对比，通过控制控制器的运算得到一个输出，将此输出加到被控对象上，使其温度上升至变性温度，达到变性温度后，根据输入的变性温度持续时间，控制变温系统温度持续时间。当此时间到达之后，进入下个反应的温度控制即退火温度的控制。执行完退火阶段温度控制后进入延伸阶段的温度控制。当执行完三个反应的温度控制后，一个循环周期结束，进入下一个循环周期。系统不断的重复控制三个温区的温度，当达到用户给定的循环次数后，反应结束。
二、主程序设计
系统软件设计中，采用将各个功能相对独立的部分编写成子函数。主程序从main（）函数开始运行，进入主程序，首先执行系统初始化，调用InitSystem（）函数。InitSystem（）函数完成初始化LCD12864、PID、PWM、红外接收工作。系统初始化完毕后，调用UserP araSet（），此函数设置PCR温控系统的三温区初始温度值、循环时间、循环次数等参数。温控阶段首先控制系统温度为变性温度，当变性温度持续时间达到用户设置的时间值时，程序跳出变性阶段控温，进入到退火阶段温度控制。当达到持续时间值时，进入到延伸阶段的温度控制。当三个阶段结束后，一个循环结束，进入到下一个循环，当达到用户设置的循环次数时，主程序结束，系统停止工作。主程序中控制三个温区的程序设计只需编写一个公共函数SetSysTemp（float T）函数即可，分别将三个温度值作为参数传递给此函数，即可控制系统分别达到用户设置的三点温度值。其中要对三个不同的温区进行温度控制。
进入到单温区温度控制时，调用GetTemp（）函数，并将温度值传递给LCD画图函数，显示温度曲线。GetTemp（）函数的温度值来源于A/D转换模块的温度值，之后将当前温度值传递给PID模块进行PID温控算法运算，得到一个控制PWM波输出占空比的值yout。这样可使PCR系统达到用户设置温度值。
三、模糊自整定PID算法的设计
本系统温度控制分为模糊PID控制区和直接控制区，控制温度接近目标温度达到一定误差限度时，启动模糊PID控制算法，使温度稳定在目标温度附近。而变温阶段则采用直接控制算法，过冷则全功率加热，过热则全功率制冷。
模糊控制系统采用而输入三输出模糊控制器，输入为误差（e）和温度变化（ec）,输出为三个PID作用系数（kp、ki、kd）。
三个PID作用系数模糊输出也划分为4个模糊状态，分别为0（零）、S（小）、M（中）、B（大）。
模糊推理决策采用双输入单输出的方式，控制规则由下列推理语言构成：
If A and B then C
遵循上式，通过经验可以总结出模糊控制器的初步控制规则，得到针对kp、ki、kd三个参数分别整定的模糊控制表。
四、PWM输出模块
要想操作PWM核，首先得调用altera_avalon_pwm_init（）函数初始化PWM核，此函数包括PWM核的物理地址address、分频时钟clock_pider、占空比duty_cycle三个参数。程序中调用PWM初始化程序对上述三个参数进行赋值。初始化成功后，需再调用altera_avalon_pwm_enable（）函数使能PWM核。这样PWM核就可以工作了。在主程序中，PWM核只需初始化一次，之后便可直接调用altera_avalon_pwm_change_duty_cycl e（）函数改变PWM波输出占空比，而不需每次都初始化。当不再需要输出PWM波时，可调用altera_avalon_pwm_disable（）函数禁止PWM核。
五、A/D转换模块
AD7705包括六个可供用户访问的片内寄存器。在与任意寄存器通讯前，都要向通信寄存器写入。流程图显示了两种不同的读方式，一个是查询 引脚以确定数据寄存器更新时何时进行的，第二个是查询通信寄存器中的
位以确定数据寄存器是否进行更新过。流程图还包括设置一些必要的命令字。其中需要注意的是在操作一个寄存器前，需前先写通信寄存器，并在命令字中设置下一个要访问的寄存器。然后再对要访问的寄存器进行操作。
六、红外遥控输入模块
红外遥控输入模块程序设计上主要任务是对红外接收头上的电平进行解码，判别是哪个按键按下，进而判定用户的输入。本设计采用按键码和按键反码进行相加的方式进行校验，如果和为0xff，则可判定为正确的键码。
七、液晶显示模块
本设计采用128×64液晶。液晶主要用来输出人机交互界面，提示用户输入信息，并将PCR温度以曲线的形式显示出来。
八、总结
本文详细介绍了PCR温控系统的软件部分的设计。软件设计主要包括主程序的设计和子模块程序设计两大部分。系统设计中，编写完各个模块的驱动程序后，对其以函数的形式封装好，然后再编写测试程序对其进行逐个测试，测试结果稳定及逻辑的正确性，满足PCR实验要求。

[参考文献]
[1]赵琦,李宾,周慧.PCR技术的新进展[J].生命化学, 2002,22(3): 288-289.
[2]迪芬巴赫.PCR技术实验指南[M].北京:科学出版社,1998.
[3]谢自美,罗杰.电子线路设计[M].华中科技大学出版社, 2008.1: 26-65.
（作者单位：湖北工业大学 湖北武汉）