专利名称：基于嵌入式技术的基因分析仪器测控系统的制作方法生物基因信息的检测技术是近年来逐渐发展起来的一门新兴学科，包含了多个领域的最新研究成果。所以，用于生物基因信息检测的分析仪器亦涉及到多个专业的关键技术，其检测原理基于生物学、化学、物理等多个学科，光学、电子、机械等精密部件构成了仪器的主体，生物信息受激显现、微弱信号检测、样品的精确进样、条件苛刻的检测环境的建立、危险因素的可靠规避、人机安全的有效保障等是仪器测控系统必须实现的功能，仪器的测控和工作精度要求非常高。如何对已有的基因分析仪器及类似仪器提供全部组件的精确测量和控制，安全、可靠地保障仪器的功能实现和稳定运行，一直是这一领域需要攻克的难题。发明内容有鉴于此，为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于嵌入式技术的基因分析仪器测控系统，以实现基因分析仪器的整机测控功能，为类似仪器提供全部组件的精确测量和控制，安全、可靠地保障仪器的功能实现和稳定运行。本发明提供的一种基于嵌入式技术的基因分析仪器测控系统，其构成包括中央信息处理单元、通信单元、光谱数据采集单元、光电传感器驱动单元、综合驱动单元、运动部件控制单元和面板操控单元，所述中央信息处理单元与通信单元、光谱数据采集单元、综合驱动单元、运动部件控制单元、面板操控单元均相连，所述光谱数据采集单元与光电传感器驱动单元相连。进一步，所述的中央信息处理单元包括一个嵌入式主处理器，所述的光谱数据采集单元和运动部件控制单元分别包括一个嵌入式从处理器。三个处理器构成了有机的多处理器的测控系统，分散了处理器的测控载荷和故障风险，提高了测控系统的实时性和可靠性。进一步，所述的中央信息处理单元包括嵌入式微处理器MCU、晶振、内存、程序存储器、数据存储器、可编程逻辑器件CPLD和电源监视复位电路，所述的嵌入式微处理器MCU分别与晶振、内存、程序存储器、数据存储器、可编程逻辑器件CPLD、电源监视复位电路均电气连接，所述的嵌入式微处理器MCU还与所述的通信单元、综合驱动单元、运动部件控制单元电气连接，所述的可编程逻辑器件CPLD与所述的光谱数据采集单元、综合驱动单元和面板操控单元电气连接，可编程逻辑器件CPLD驱动光谱数据采集单元中的双口 RAM，实现中央信息处理单元和光谱数据采集单元之间的数据通信，所述的可编程逻辑器件CPLD驱动综合驱动单元中的模数转换器和数模转换器，实现中央信息处理单元对综合驱动板的实时测控，所述的可编程逻辑器件CPLD，与综合驱动单元和面板操控单元中的开关量传感器接口和开关量驱动接口电气连接，各开关量信息在CPLD内进行逻辑组合，通过这些开关量，由 MCU实现仪器工作状态的实时测控。进一步，所述的通信单元包括以太网控制器A、以太网控制器B、异步串行通信控制器、RS232收发器、网络变压器A、网络变压器B、RJ45插座A、RJ45插座B和DB9插座，所述的以太网控制器A与网络变压器A、RJ45插座A电气连接，通过RJ45插座A与仪器外部计算机连接，实现该类分析仪器与外部计算机工作站之间的通信；所述的以太网控制器B 与网络变压器B、RJ45插座B电气连接，通过RJ45插座B与仪器外部调试用计算机或其它外设连接，实现该类分析仪器与其它扩展外设之间的以太网通信；所述异步串行通信控制器与RS232收发器、DB9插座电气连接，通过DB9插座，实现MCU对该类分析仪器内部具有异步串行接口部件的控制和监测。进一步，所述光谱数据采集单元包括嵌入式从处理器DSP1、双端口 RAM、模数转换器、模拟信号调理电路和多电压电源监视复位电路，所述嵌入式从处理器DSPl与双端口 RAM、模数转换器、多电压电源监视复位电路、多电压电源监视复位电路电气连接，所述模拟信号调理电路与模数转换器电气连接，将光电传感器驱动单元放大的CCD输出信号调理后，由模数转换器转换成数字量信息，CCD的驱动时序由DSPl产生，并经光电传感器驱动单元中的CCD时序驱动电路放大到CCD驱动所需的电平，在此时序驱动的同时，DSPl采集数字化的CXD输出信号，并根据CXD当前时序打包成数据包，通过双端口 RAM，将CXD采集的光信息传输给中央信息处理单元。进一步，所述光电传感器驱动单元包括电荷耦合器件CCD、CCD致冷控制电路、CCD 时序驱动电路、CCD输出放大电路、CCD供电电路。所述电耦合器件CCD与CCD致冷控制电路、CCD时序驱动电路、CCD输出放大电路、CCD供电电路电气连接，所述CCD致冷控制电路与CCD的制冷控制端均电气连接，控制CCD内部的致冷器件，使CCD在较低的温度下工作， 以增加CCD的信噪比，所述CCD时序驱动电路与光谱数据采集单元电气连接，将由光谱数据采集单元产生的CCD驱动时序进行放大，驱动CCD的工作在要求的工作状态下，所述CCD输出放大电路与CCD的输出端连接，用于放大CCD的输出信号，放大后的信号输出至光谱数据采集单元，由光谱数据采集单元进行采集和转换。进一步，所述综合驱动单元包括模数转换器A、模数转换器B、数模转换器、工作环境生成部件时序驱动电路、工作环境生成部件功率放大电路、工作环境生成部件被控量传感信号调理电路、环境温度传感信号调理电路、电源直流电压取样电路、特殊电压生成组件接口调理电路、光学组件接口调理电路和仪器状态开关量传感器监测电路，所述模数转换器A与工作环境生成部件被控量传感信号调理电路电气连接，所述模数转换器A与中央信息处理单元电气连接，由中央信息处理单元中的MCU控制采集工作环境生成器件的被控量，所述模数转换器B与环境温度传感信号调理电路、电源直流电压取样电路、特殊电压生成组件接口调理电路、光学组件接口调理电路电气连接，所述模数转换器B与中央信息处理单元电气连接，由中央信息处理单元中的MCU控制采集环境温度传感值、电源直流电压值、特殊电压生成组件输出电量值和光学组件输出光功率值，所述模数转换器与特殊电压生成组件接口调理电路、光学组件接口调理电路电气连接，所述数模转换器与中央信息处理单元电气连接，由中央信息处理单元中的MCU控制数模转换器转换输出合适的模拟量， 控制特殊电压生成组件和光学组件工作在给定的工作状态下，所述工作环境生成部件时序驱动电路与工作环境生成部件功率放大电路电气连接，驱动工作环境生成部件实现恒温恒湿等控制功能，所述工作环境生成部件时序驱动电路与中央信息处理单元中的CPLD电气连接，由中央信息处理单元中的MCU产生工作环境生成器件的被控量控制时序，通过CPLD 传输给工作环境生成部件时序驱动电路，所述仪器状态开关量传感器监测电路与中央信息处理单元中的CPLD电气连接。进一步，所述运动部件控制单元包括嵌入式从处理器DSP2、静态存储器、多电压电源监视复位电路、步进电机驱动器A、步进电机驱动器B、步进电机驱动器C、步进电机驱动器D、电磁铁驱动电路和定位传感器接口，所述的嵌入式从处理器DSP2与静态存储器、多电压电源监视复位电路、步进电机驱动器A、步进电机驱动器B、步进电机驱动器C、步进电机驱动器D，电磁铁驱动电路、定位传感器接口电气连接，所述步进电机驱动器与仪器内运动电机电气连接，驱动运动部件完成进样或其它操作，所述电磁铁驱动电路与仪器内电磁铁电气连接，驱动电磁阀门的开合动作，所述定位传感器接口与仪器内运动部件的定位传感器电气连接，将运动部件的位置信息传输给嵌入式从处理器DSP2，DSP2监测和控制运动部件的执行。进一步，所述面板操控单元包括照明触控接口、复位接口、进样机构操控接口、环境温度传感器、仪器状态显示组件及声报警组件，所述照明触控接口通过接插件与仪器内部照明电路电气连接，实现照明电路的通断控制，所述复位接口通过接插件和逻辑电路与嵌入式微处理器MCU电气连接，实现操作面板的复位控制功能；所述进样机构操控接口通过接插件和逻辑电路与嵌入式微处理器MCU电气连接，实现操作面板的进样机构操控功能；所述的环境温度传感器与综合驱动单元电气连接，经综合驱动单元进行模数转换后，由嵌入式微处理器MCU读取并监视仪器所处环境温度变化；仪器状态显示组件及声报警组件通过驱动电路与嵌入式微处理器MCU电气连接，显示仪器的工作状态，并在仪器工作出现异常时，发出声光报警。本发明的有益效果在于(1)本发明实现了基因分析仪器硬件设计的全部要求，作为仪器中所有核心部件的控制处理中心，它可监测各个部件的工作状态，组织各部件按照一定的时间要求协调工作，自动控制各部件工作在指定的状态下(如指定的温度、电压、电流)；与各个部件进行实时的数据通信；与外部计算机进行通讯，接受外部主机的管理；在仪器出现问题时，本发明发出声光报警，并及时将出现问题的部位和状态告知外部计算机；在仪器启动时，本发明自动检查样机各部件的健康状态；其功能完全满足基因分析仪器的使用；(2)本发明独特的主从式硬件设计结构、分散式运行模式，很好的解决了多个复杂部件的多功能、高精度、实时、可靠、安全、稳定、高效的有序运行；(3)本发明根据功能划分，在硬件实现上由多块电路板组成，硬件资源分配比例适当，便于硬件电路的维护与升级，有很强的硬件功能扩展和升级能力；(4)基于本发明的中央信息处理单元内嵌入式主处理器，可运行多线程软件架构的嵌入式测控软件，层次和功能模块划分合理，有效提高测控系统的实时性，又增强了系统的功能扩展和升级能力；(5)本发明采用双端口 RAM设计的CCD数据采集与传输方式，利用对应的数据采集传输与通讯协议，实现了对电荷耦合器件CCD的复杂时序驱动与控制，使得数据输出与时序控制同步，实现了数据的转换、存储、传输的同步工作； (6)本发明的关键逻辑和安全保护功能均采用CPLD等硬逻辑实现，工作稳定可靠，具有良好的抗干扰能力。[0020]图1是本发明适用的基因分析仪器的硬件框图。[0021]图2是基于嵌入式技术的基因分析仪器测控系统的连接框图。[0022]图3是中央信息处理单元的硬件框图。[0023]图4是通信单元的硬件框图[0024]图5是光电传感器驱动单元的硬件框图[0025]图6是光谱数据采集单元的硬件框图[0026]图7是综合驱动单元的硬件框图[0027]图8是运动部件控制单元的硬件框图[0028]图9是面板操控单元的硬件框图现结合附图及实施例对本发明作进一步的描述。本实施例中的中央信息处理单元采用三星公司的基于ARM920T内核的16/32位 RISC嵌入式微处理器，内部含有丰富的硬件资源如IXD控制器、4个PWM定时器、4通道DMA、 USB主从接口、3个UART等，运行频率可达203MHz，可以方便的实现10M/100M以太网接口、 USB接口和串口通信，满足系统数据传输和通信的需要，同时其丰富的I/O和PWM接口可实现复杂的检测和控制功能。本实施例中的光谱数据采集单元和运动部件控制单元分别采用TI公司的 TMS320F2812DSP作为嵌入式从处理器，该处理器是运动控制芯片中功能强大的一款，能够实现多台电机的高精度控制和复杂时序的产生。三个处理器构成了有机的多处理器的测控系统，分散了处理器的测控载荷和故障风险，提高了测控系统的实时性和可靠性。本实施例中的中央信息处理单元的核心由ARM920T内核的嵌入式微处理器、 12MHz晶振、64MB SDRAM内部存储器、64MB程序存储器、2Kb EEPROM数据存储器组成，以此为最小系统。该单元还采用ALTERA公司的可编程逻辑器件MAX3256与光谱数据采集单元和综合驱动单元电气连接，驱动光谱数据采集单元中的双口 RAM，实现中央信息处理单元和光谱数据采集单元之间的数据通信，MAX3256同时驱动综合驱动单元中的模数转换器和数模转换器，实现对综合驱动板的实时测控，MAX3256还与综合驱动单元及面板操控单元中的开关量传感器接口和开关量驱动接口电气连接，各开关量信息在MAX3256内进行逻辑组合，通过这些开关量，由MCU实现仪器工作状态的实时测控。MCU还通过其数据总线和地址总线与通信单元进行连接，通过芯片内部的UART接口与运动部件控制单元进行连接。中央信息处理单元的电源电压为5V。为降低功耗，板上器件除MCU核心电路(采用1.8V供电) 外均选为3. 3V供电，因此设计三路3. 3V电源转换器，分别为板级接口驱动、通信接口驱动、 MCU最小系统供电；设计一路1.8V电源转换器，为MCU的核心电路供电。电源监视复位芯片采用MAX811组成，对关键电压进行监视，当相关电压跌落至某一限值时，MAX811对MCU进8行复位，以确保系统工作在确定的工作条件下，防止逻辑紊乱，对人机安全造成危害。本实施例中的通信单元由以太网控制器CS8900、以太网控制器DM9000、异步串行通信控制器ST16C550、RS232收发器MAX3M3、带有网络隔离功能的RJ45插座A和带有网络隔离功能的RJ45插座B及DB9MALE插座组成。其中，以太网控制器CS8900由一个20MHz 晶振驱动，以太网控制器DM9000由一个25MHz晶振驱动，两个控制器与中央信息处理单元 MCU的数据总线、地址总线连接，实现与中央信息处理单元的通信。CS8900与带有网络隔离功能的RJ45插座A连接，由此RJ45插座再与仪器外部计算机连接，实现仪器与外部计算机工作站之间的通信；DM9000与带有网络隔离功能的RJ45插座B连接，由此RJ45插座与仪器外部调试用计算机或其它外设连接，实现仪器与其它扩展外设之间的以太网通信。与此类似，异步串行通信控制器ST16C550由一个14. 7456MHz的晶振驱动，向上与中央信息处理单元M⑶的数据总线、地址总线连接，向下与MAX3243连接，由DB9MALE插座接口，实现MCU 对仪器内部具有异步串行接口部件的控制和监测。本实施例中的光谱数据采集单元由嵌入式从处理器TMS320F2812、256KX18bit 双端口 RAM IDT70V631S、16bit模数转换器ADS8505、模拟信号调理电路、多电压电源监视复位电路组成。嵌入式从处理器TMS320F2812通过I/O 口产生驱动时序控制光电传感器驱动单元中的CCD和电磁开关，根据不同工作状态提供不同的CCD驱动时序和电磁开关的打开与闭合，使CCD芯片工作在相对应的采集模式下；光电传感器驱动单元放大的CCD输出信号经调理后，由模数转换器ADS8505转换成数字信号，由TMM20F2812根据CXD当前时序打包成数据包，通过双端口 RAM IDT70V631S传输给中央信息处理单元。C⑶芯片的驱动电源电压经分压电路引至TMS320F2812自带的12位模数转换模块的输入端，转换成数字量后进行监控，实现多电压电源监视功能。本实施例的CCD时序驱动单元采用开关晶体管、下拉电阻、功率驱动集成电路及后端匹配电阻组成。由于仪器结构空间限制，CCD芯片与CCD时序驱动电路分别位于两个不同的模块中，驱动电路需要通过约1米长的扁平电缆来驱动CCD芯片，因此要求所设计的CCD时序驱动电路应具有很强的功率驱动能力和精确的阻抗匹配能力，以便使CCD芯片能够输出高信噪比的光谱信号。本实施例选用开关晶体管与下拉电阻组合，将DSPl输出的 CXD驱动脉冲幅度(0-3. 3V)调整到-8V至2. 6V之间，然后输入到功率驱动集成电路中，使驱动脉冲幅度调整到-8V至+6V之间，从而达到CXD芯片驱动电平的要求。该集成电路不仅增加了各路CCD驱动脉冲的功率，而且还对各路脉冲的上升、下降沿及幅度进行了调整， 使其能够满足驱动CCD芯片的要求。实现了对CCD芯片的精确驱动控制。该单元还负责为 CCD半导体制冷片提供电源，通过运算放大器组成的模拟电路控制制冷温度，同时，将对应此温度的模拟电信号传输至综合驱动单元进行模数转换后传至中央信息处理单元进行CCD 工作温度的实时监测。本实施例综合驱动单元中的模数转换器A采用TI公司的ADS83^芯片，工作环境生成部件被控量传感信号经过信号调理电路后，通过RC低通滤波电路接入ADS83^的模拟输入接口，经由ADS8328内部电路转换成数字量后，由ADS83^的数字接口传送给中央信息处理单元。本实施例综合驱动单元中的工作环境生成部件被控量传感信号调理电路由两级运算放大电路、限压电路组成，它将传感器信号转换成电压模拟量，并将电压模拟量限定于模数转换器A要求的范围内。[0037]本实施例综合驱动单元中的模数转换器B采用TI公司的TLV2556芯片，该芯片最多可以输入10路模拟信号，模拟量经由芯片内部电路转换成数字量后，经由TLV2556的数字接口与中央信息处理单元相连。该电路转换的模拟量主要有光学组件输出功率监测量、 光学组件输出电流监测量、特殊电压生成组件输出的电流监测量、特殊电压生成组件输出电压的监测量、外部环境温度监测量、CXD温度监测量、特殊电压生成组件控制电压量及系统供电电压的监测量等。其中CCD温度监测量由CCD时序驱动单元提供；系统供电电压的监测量系由直充供电电压经分压获得；光学组件的输出功率监测量和光学组件电流监测量经由光学组件接口调理电路调理后输入TLV2556 ；特殊电压生成组件电流监测量、特殊电压生成组件输出电压监测量、特殊电压生成组件输出电流的取样量经由特殊电压生成组件信号调理电路后输入TLV2556，环境温度监测量经它所属的信号调理单元后输入TLV2556。本实施例综合驱动单元中的数模转换芯片采用TI公司的DAC7552芯片，该芯片可以将中央信息处理单元发送的数字量转换成所要求的两路模拟信号，分别用于控制特殊电压生成组件的输出电压或者光学组件的输出功率。本实施例综合驱动单元中的工作环境生成部件的时序控制单元由数字逻辑芯片构成，该逻辑电路的输入信号与中央处理单元相连，输出接口与工作环境生成部件驱动/ 功率控制单元相连，以实现工作环境生成部件的升温、降温、恒温、恒湿等功能。本实施例中的运动部件控制单元由嵌入式从处理器TMS320F2812、256K静态存储器IS61LV25616、多电压电源监视复位电路TPS3307、电机驱动器件TB6560及大功率驱动器件晶体管等组成。运动控制单元通过观12内置的UART模块与中央信息处理单元实现串行通信，接收上位机命令并执行；通过锁存器74LVTH16373与电机驱动器TB6560实现对四个步进电机的控制，分别驱动相关部件运动到指定位置；通过总线驱动器74LVTH16244实现位置传感器信号的采集，包括原点光电开关信号和光电编码器正交脉冲信号；通过大功率驱动晶体管控制电磁铁的吸合与打开，实现对相关通路的开关控制；该单元采用TPS3307 提供电源电压实时监控及复位功能，并采用可编程逻辑器件实现单元所需的地址编码逻辑。本实施例中面板操控单元由亚克力材质的触摸屏及与其紧密贴合的触摸控制电路板构成。触摸屏印有进样及照明图标。通过触摸进样图标感应触摸控制芯片产生脉冲信号，提供给中央信息处理单元，对进样机构进行相应控制；通过触摸照明图标使得控制电路板上的逻辑电路输出电平翻转，实现机箱内部照明灯的开闭功能。实施例中复位接口采用12 X 12贴片按键构成，在触摸屏边缘留有Imm 2mm圆孔，可通过该孔，采用细小棍状物伸入，触动该按键，实现复位功能。实施例中环境温度传感器采用热敏电阻，该热敏电阻通过印制板和软线连接至中央信息处理单元，由其进行温度监测；实施例中的仪器状态显示组件由一个三色发光二极管组件构成，其驱动部件为三个三极管，每个三极管驱动三色发光二极管中的一色发光，实施例中的声报警组件由一个直流5V供电的无源电磁式蜂鸣器及驱动其发声的三极管组成，中央信息处理单元根据仪器的工作状态，由嵌入式微处理器 MCU的I/O 口向仪器状态显示组件驱动电路发出仪器状态指示，通过三色发光二极管发出红光、绿光或黄光，以常亮或闪光的方式向操作者指示仪器的工作状态，当仪器运行出现严重故障时，伴随着仪器状态显示组件的红色闪光，嵌入式微处理器MCU通过内部的时钟电路形成声音报警信号，由三极管驱动蜂鸣器发出声响报警。10[0042] 尽管通过参照发明的某些优选实施例，已经对发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。