專利名稱：一種小型化空間實(shí)驗(yàn)用微型基因擴(kuò)增裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
發(fā)明涉及一種空間實(shí)驗(yàn)用微型基因擴(kuò)增裝置，屬于空間生物試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
基因的聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(Polymerase Chain Reaction, PCR)技術(shù)自20世紀(jì)80年代初發(fā)明以來，已迅速發(fā)展成為生物科學(xué)研究和基因診斷領(lǐng)域最重要的新技術(shù)之一。隨著空間生物領(lǐng)域的發(fā)展，迫切需要通過一種應(yīng)用于空間搭載實(shí)驗(yàn)的新型擴(kuò)增裝置，研究航天環(huán)境(輻射和微重力)下基因的聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)過程中的錯義突變情況，為闡明空間環(huán)境對生物體的繁殖、發(fā)育、以及航天員健康可能造成的影響提供重要基礎(chǔ)理論依據(jù)。目前實(shí)驗(yàn)室廣泛使用的基因擴(kuò)增儀，主要采用國際上通用的半導(dǎo)體溫控系統(tǒng)，成本較高且不易實(shí)現(xiàn)。且上述基因擴(kuò)增儀體積大，功耗高，適用于大劑量樣品的擴(kuò)增，很難應(yīng)用于微量樣品的擴(kuò)增情況。此外，空間搭載實(shí)驗(yàn)環(huán)境對搭載裝置的相關(guān)指標(biāo)有嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn)，針對基因擴(kuò)增裝置需要具備自主供電，自主運(yùn)行，低功耗，重量和體積符合搭載主體設(shè)計(jì)要求，通過宇航級力學(xué)試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)等環(huán)境試驗(yàn)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。為了研究航天環(huán)境中輻射和微重力等因素對基因擴(kuò)增過程中的錯義突變情況的影響，要求擴(kuò)增裝置能夠滿足一些靈活的試驗(yàn)方案。例如為了研究基因開始擴(kuò)增反應(yīng)前在航天環(huán)境中所處時間的長短對其的影響，就需要裝置能在設(shè)定的時間段先后完成兩組基因的擴(kuò)增試驗(yàn)，并實(shí)時記錄溫度和系統(tǒng)工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)，以供后期對比分析。此外，考慮到搭載環(huán)境對搭載設(shè)備的功耗、體積和重量等指標(biāo)的嚴(yán)格要求，需要開發(fā)一種能夠高效、快速地?cái)U(kuò)增微量樣品下各種長度DNA片段的擴(kuò)增裝置。并且在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段，可以通過多次試驗(yàn) 的途徑，方便快捷的修正并最終確定相關(guān)樣品合適的擴(kuò)增參數(shù)。
發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供了一種小型化空間實(shí)驗(yàn)用微型基因擴(kuò)增裝置，實(shí)現(xiàn)了基因擴(kuò)增裝置的小型化，并在空間及同等環(huán)境下自主控制實(shí)驗(yàn)流程。本發(fā)明的小型化空間實(shí)驗(yàn)用微型基因擴(kuò)增裝置包括承載機(jī)構(gòu)、電路系統(tǒng)、電源、兩組擴(kuò)增生物芯片、指示燈和電源開關(guān)，其中，承載機(jī)構(gòu)包括矩形金屬盒體和軟包，金屬盒體采用整體壁板密閉式結(jié)構(gòu)，電源固定安裝在金屬盒體的后端面上，金屬盒體前端面的上半部分安裝電源開關(guān)和指示燈，前端面的下半部分開口，金屬盒體開口處兩側(cè)的內(nèi)壁上對稱加工有兩組水平方向的凸形滑軌，兩組凸形導(dǎo)軌分別位于金屬盒體內(nèi)中部的水平面和底部的水平面上，電路系統(tǒng)由一塊印制電路板實(shí)現(xiàn)，其上包括單片機(jī)、存儲器、信號變換電路、溫度開關(guān)、電源管理模塊和通訊接口，電路系統(tǒng)固定安裝在印制電路板托板上，印制電路板托板的兩相對邊上設(shè)有與金屬盒體凸形導(dǎo)軌配合的凹形滑槽，電路系統(tǒng)通過印制電路板托板水平插裝在承載機(jī)構(gòu)的中部。兩組擴(kuò)增生物芯片通過擴(kuò)增生物芯片托板同樣以印制電路板托板的形式水平插裝在金屬盒體的底部，固定螺釘穿過金屬盒體的表面將印制電路板托板和擴(kuò)增生物芯片托板進(jìn)行固定，最后由前面板將金屬盒體前端面的下半部分開口封閉，電源、電路系統(tǒng)和擴(kuò)增生物芯片與承載機(jī)構(gòu)形成整體固定連接；軟包將金屬盒體整體包覆，軟包采用宇航級帆布制作，軟包外由扎帶縱橫包扎固定，以實(shí)現(xiàn)裝置整體在空間艙內(nèi)的搭載。電源開關(guān)控制電源的通斷，工作狀態(tài)指示燈以不同的顏色和閃爍方式指示系統(tǒng)所處于的工作階段；電源采用宇航級銀鋅電池供電，擴(kuò)增生物芯片由溫度傳感器、反應(yīng)腔室和加熱片組成，擴(kuò)增生物芯片采用多層疊加法制作，通過該方法制成芯片每層結(jié)構(gòu)，再經(jīng)層層疊加構(gòu)成反應(yīng)腔室，反應(yīng)腔室附著于加熱片上，并在反應(yīng)腔室的測溫區(qū)埋入溫度傳感器；電路系統(tǒng)主控單元選用MSP430單片機(jī)，其上自帶ADC采樣模塊、兩個計(jì)數(shù)定時器、看門狗、flash和串口通信UART等輔助模塊，電路系統(tǒng)專門配備大容量存儲器NAND Flash用于實(shí)現(xiàn)對整個試驗(yàn)過程的數(shù)據(jù)記錄。電路系統(tǒng)內(nèi)部與其他部件之間的連接關(guān)系:電源與電路系統(tǒng)的電源管理模塊連接，電源輸出的單一電平經(jīng)過電路系統(tǒng)的電源管理模塊處理得到多種電平，分別為電路系統(tǒng)的各個模塊和擴(kuò)增生物芯片的加熱片供電；單片機(jī)通過溫度開關(guān)與擴(kuò)增生物芯片的加熱片連接，單片機(jī)通過溫度開關(guān)控制擴(kuò)增生物芯片加熱片的加熱狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)增生物芯片反應(yīng)腔室的升溫和降溫；溫度傳感器通過信號變換電路與單片機(jī)的ADC采樣模塊連接，溫度傳感器的阻值通過電路系統(tǒng)中的信號變換電路轉(zhuǎn)換為電壓信號，單片機(jī)的ADC采樣模塊獲取該電壓信號，并轉(zhuǎn)換為實(shí)際的溫度值；存儲器NAND Flash與單片機(jī)連接，用于存儲試驗(yàn)過程中采集到的溫度值、溫控開關(guān)工作狀態(tài)及系統(tǒng)實(shí)時時間等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對整個試驗(yàn)過程的數(shù)據(jù)記錄，試驗(yàn)完成后可讀取存儲器中的數(shù)據(jù)，并通過單片機(jī)的UART接口上傳至計(jì)算機(jī)做進(jìn)一步的顯示和分析。工作原理和流程:本發(fā)明為微量基因的擴(kuò)增反應(yīng)提供適宜的反應(yīng)場所和溫度循環(huán)條件，可快捷方便的進(jìn)行相關(guān)參數(shù)修改，并對反應(yīng)過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和存儲。本發(fā)明的工作流程主要有以下幾個步驟:將待擴(kuò)增的生物樣品加注至本發(fā)明的擴(kuò)增生物芯片中并固封；完成裝置的整體硬件連接，對電路系統(tǒng)的單片機(jī)燒寫控制程序，完成參數(shù)配置；根據(jù)試驗(yàn)需要將承載機(jī)構(gòu)固封和安裝，打開裝置的電源開關(guān)，等待試驗(yàn)完成后即可取出擴(kuò)增樣品做進(jìn)一步分析，并讀取存儲器中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中，單片機(jī)的控制流程如下:1、打開裝置開關(guān)對電路系統(tǒng)上電后，單片機(jī)首先對系統(tǒng)時鐘及各個功能模塊進(jìn)行初始化和系統(tǒng)狀態(tài)自檢，狀態(tài)正常時指示燈顯示綠色，否則為紅色；單片機(jī)隨后進(jìn)入主循環(huán)"while (I)； ”，等待響應(yīng)定時器、UART及看門狗模塊觸發(fā)的中斷；2、單片機(jī)根據(jù)初始化過程中對定時器相關(guān)寄存器的配置模式定期響應(yīng)其中斷，每秒響應(yīng)一次Timer B中斷；在Timer B中斷中，具體實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)時時鐘(RTC)秒，分及小時的實(shí)時更新，以供單片機(jī)判斷裝置所處工作階段，保證反應(yīng)過程中對溫度循環(huán)時間的精確控制；3、若需要通過上位機(jī)軟件對相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行重新配置，程序響應(yīng)UART中斷，將接收到的參數(shù)更新并回傳至上位機(jī)，以驗(yàn)證各參數(shù)是否正確更新；4、當(dāng)單片機(jī)定期響應(yīng)Timer A中斷后，使能ADC采樣模塊采樣的中斷,單片機(jī)隨即對外部電路輸入的溫度信號進(jìn)行采樣并響應(yīng)ADC采樣模塊中斷；在八0(:采樣模塊中斷中，單片機(jī)根據(jù)溫度傳感器的測溫公式， 將采集到的數(shù)字信號計(jì)算轉(zhuǎn)化為溫度值；隨后單片機(jī)將根據(jù)RTC和經(jīng)過濾波處理后的溫度值與相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)比較的結(jié)果，判斷系統(tǒng)所處的工作階段，并控制指示燈和溫度開關(guān)做出相應(yīng)的變化；此外，單片機(jī)會將溫度信息寫入片外存儲器NandFlash進(jìn)行存儲或者通過串口發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時顯示，同時將單片機(jī)的狀態(tài)信息存入片內(nèi)flash模塊中；如果單片機(jī)(根據(jù)設(shè)定的反應(yīng)流程)判斷擴(kuò)增反應(yīng)已經(jīng)完成，裝置將進(jìn)入低功耗模式，否則程序退出Timer A中斷重新回到主循環(huán)，等待響應(yīng)新的中斷；5、如果裝置在長時間的擴(kuò)增反應(yīng)過程中發(fā)生了死機(jī)的情況，單片機(jī)自帶的看門狗模塊將會觸發(fā)中斷并引發(fā)系統(tǒng)復(fù)位；單片機(jī)復(fù)位后，單片機(jī)將從片內(nèi)flash中讀取之前實(shí)時存儲的狀態(tài)信息，恢復(fù)到死機(jī)前所處的工作狀態(tài)。在地面常規(guī)試驗(yàn)中，可以利用計(jì)算機(jī)端的上位機(jī)軟件通過UART接口對系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)的配置和試驗(yàn)進(jìn)程的控制，并將相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)直接上傳至上位機(jī)軟件進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和保存，為前期的試驗(yàn)分析和參數(shù)修正提供快捷直觀的解決手段。有益效果:1、本發(fā)明的電路系統(tǒng)以及兩組擴(kuò)增生物芯片通過托板水平插裝在金屬盒體的內(nèi)部，并由螺釘穿過金屬盒體的表面將托板進(jìn)行固定，其固定形式能充分利用金屬盒體內(nèi)部空間，并實(shí)現(xiàn)對電路系統(tǒng)和擴(kuò)增生物芯片與金屬盒體的高強(qiáng)度連接，確保在惡劣的空間環(huán)境下試驗(yàn)過程能夠穩(wěn)定的進(jìn)行。2、本發(fā)明從結(jié)構(gòu)上將電源、擴(kuò)增生物芯片和電路系統(tǒng)與金屬盒體形成可靠的機(jī)械式固定連接，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性符合空間搭載環(huán)境的相關(guān)要求；此外，電路系統(tǒng)的元器件選取以及密閉式的金屬承載機(jī)構(gòu)符合搭載環(huán)境對本發(fā)明的力學(xué)性能和電磁兼容性能的相關(guān)要求。3、本發(fā)明電路系統(tǒng)的單片機(jī)內(nèi)部資源豐富，控制精度高，功耗低，其12位ADC采樣模塊可直接獲取溫度傳感器的信息，省去了額外的采樣電路，具有更快的溫控反饋速度，同時減小了電路系統(tǒng)的體積并降低制造成本；測溫方式采用測溫電橋加放大電路對溫度信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換和調(diào)理，使電路能很好的實(shí)現(xiàn)對測溫電路的調(diào)零、調(diào)滿及放大系數(shù)的調(diào)節(jié)。4、本發(fā)明的擴(kuò)增生物芯片采用多層疊加法制作而成，可根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)方案快速設(shè)計(jì)并制作完成；芯片具有良好的熱均勻性，升溫和降溫迅速可靠；5、本發(fā)明采用宇航級銀鋅電池供電，電池體積小，重量輕，容量和工作性都能滿足長期搭載環(huán)境的要求，實(shí)現(xiàn)了裝置整體的小型化和自主化，且對外無任何電氣接口，能夠靈活簡便地適應(yīng)多種搭載環(huán)境。6、本發(fā)明試驗(yàn)及操作的綜合成本低、物理尺寸合適；擴(kuò)增裝置的自動化程度高，同時具有大容量數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)上傳的功能；可通過上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的快捷設(shè)定，實(shí)時監(jiān)控試驗(yàn)過程中的溫度狀況并保存相關(guān)數(shù)據(jù)至計(jì)算機(jī)。
圖1為本發(fā)明的外部結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的硬件組成結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的硬件組成打開前面板結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明的控制流程圖。其中:1-金屬盒體 、2-指示燈、3-電源開關(guān)、4-電源、5-前面板、6-印制電路板托板、7-擴(kuò)增生物芯片托板。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。如附圖1所示，本發(fā)明提供的一種小型化空間實(shí)驗(yàn)用微型基因擴(kuò)增裝置包括承載機(jī)構(gòu)101、指示燈102和電源開關(guān)103、電源104、電路系統(tǒng)105、兩組擴(kuò)增生物芯片106。其中，承載機(jī)構(gòu)包括矩形金屬盒體和軟包，如附圖2和3所示，金屬盒體I采用整體壁板密閉式結(jié)構(gòu)，電源4固定安裝在金屬盒體I內(nèi)部的后端面上，金屬盒體I前端面的上半部分安裝指示燈2和電源開關(guān)3，前端面的下半部分開口。金屬盒體前面板5開口處兩側(cè)的內(nèi)壁上對稱加工有兩組水平方向的凸形導(dǎo)軌，兩組凸形導(dǎo)軌分別位于金屬盒體內(nèi)中部的水平面和底部的水平面上。電路系統(tǒng)105由一塊印制電路板實(shí)現(xiàn)，其上包括單片機(jī)、存儲器、信號變換電路、溫度開關(guān)、電源管理模塊和通訊接口，電路系統(tǒng)固定安裝在印制電路板托板6上，印制電路板托板6的兩相對邊上設(shè)有與金屬盒體I凸形導(dǎo)軌配合的凹形滑槽，電路系統(tǒng)通過印制電路板托板6水平插裝在承載機(jī)構(gòu)的中部。兩組擴(kuò)增生物芯片通過擴(kuò)增生物芯片托板7同樣以印制電路板托板6的形式水平插裝在金屬盒體I的底部，固定螺釘穿過金屬盒體I的表面將印制電路板托板6和擴(kuò)增生物芯片托板7進(jìn)行固定，最后由前面板5將金屬盒體I前端面的下半部分開口封閉，電源4、電路系統(tǒng)6和擴(kuò)增生物芯片7與金屬盒體I形成整體固定連接。軟包將金屬盒體I整體包覆，軟包采用宇航級帆布制作，軟包外由四條20_扎帶縱橫包扎固定，金屬盒體I的尺寸為150mmX 150mmX 160mm,承載機(jī)構(gòu)總重量不超過600克，抗沖擊能力1500G。電源開關(guān)控制電源的通斷，工作狀態(tài)指示燈以不同的顏色和閃爍方式指示系統(tǒng)所處于的工作階段；電源采用宇航級低壓直流電源銀鋅電池供電，額定工作電壓為5V，額定功率3W，額定電流1A。擴(kuò)增生物芯片由溫度傳感器、反應(yīng)腔室和加熱片組成，具體的制作流程為:將N0A81光膠注入由圍堰和基底圍成的固定形狀的凹槽內(nèi)，設(shè)計(jì)有通道的掩膜覆蓋在光膠上表面，在紫外光照射下將通道形狀影印到光膠中；將圍堰、基底和掩膜去除，利用有機(jī)溶劑沖洗掉未固化的光膠，即可得到有通道形狀的光膠層；重復(fù)以上操作制作不同通道層；利用光刻的方法將光膠層黏貼到一起后固定到熱制片上，并在測溫區(qū)域埋入測溫電阻PtlOOO0最后，生物擴(kuò)增芯片經(jīng)過高溫老化后即可使用。擴(kuò)增生物芯片上的通道即最終的擴(kuò)增反應(yīng)腔室，其數(shù)量和體積可根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。電路系統(tǒng)主控單元選用MSP430單片機(jī)，其上自帶ADC采樣模塊、兩個計(jì)數(shù)定時器、看門狗、flash和串口通信UART等輔助模塊，電路系統(tǒng)專門配備大容量存儲器NAND Flash用于實(shí)現(xiàn)對整個加熱循環(huán)過程的數(shù)據(jù)記錄。
電路系統(tǒng)內(nèi)部與其他部件之間的連接關(guān)系:電源與電路系統(tǒng)的電源管理模塊連接，電源輸出的單一電平經(jīng)過電路系統(tǒng)的電源管理模塊處理得到多種電平，分別為電路系統(tǒng)的各個模塊和擴(kuò)增生物芯片的加熱片供電；單片機(jī)通過溫度開關(guān)與擴(kuò)增生物芯片的加熱片連接，單片機(jī)通過溫度開關(guān)控制擴(kuò)增生物芯片加熱片的加熱狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)增生物芯片反應(yīng)腔室的升溫和降溫；溫度傳感器通過信號變換電路與單片機(jī)的ADC采樣模塊連接，溫度傳感器的阻值通過電路系統(tǒng)中的信號變換電路轉(zhuǎn)換為電壓信號，為了實(shí)現(xiàn)測溫電路的線性化和更高的精度及靈敏度，采用測溫電橋加放大電路對溫度信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換和調(diào)理。單片機(jī)的ADC采樣模塊獲取經(jīng)過信號變換電路調(diào)理放大后的電壓信號，并轉(zhuǎn)換為實(shí)際的溫度值；存儲器NAND Flash與單片機(jī)連接，存儲器用于存儲試驗(yàn)過程中采集到的溫度值、溫控開關(guān)工作狀態(tài)及系統(tǒng)實(shí)時時間等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對整個試驗(yàn)過程的數(shù)據(jù)記錄，試驗(yàn)完成后可讀取存儲器中的數(shù)據(jù)，并通過單片機(jī)的UART接口上傳至計(jì)算機(jī)做進(jìn)一步的顯示和分析。本發(fā)明為微量基因的擴(kuò)增反應(yīng)提供適宜的反應(yīng)場所和溫度循環(huán)條件，可快捷方便的進(jìn)行相關(guān)參數(shù)修改，并對反應(yīng)過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和存儲。本發(fā)明的工作流程主要有以下幾個步驟:將待擴(kuò)增的生物樣品加注至本發(fā)明的擴(kuò)增生物芯片中并固封；完成裝置的整體硬件連接，對電路系統(tǒng)的單片機(jī)燒寫控制程序，完成參數(shù)配置；根據(jù)試驗(yàn)需要將承載機(jī)構(gòu)固封和安裝，打開裝置的電源開關(guān)，等待試驗(yàn)完成后即可取出擴(kuò)增樣品做進(jìn)一步分析，并讀取存儲器中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中，單片機(jī)的控制流程如附圖4所示:1、打開裝置開關(guān)對電路系統(tǒng)上電后，單片機(jī)首先對系統(tǒng)時鐘及各個功能模塊進(jìn)行初始化和系統(tǒng)狀態(tài)自檢，狀態(tài)正常時指示燈顯示綠色，否則為紅色；單片機(jī)隨后進(jìn)入主循環(huán)"while (I)； ”，等待響應(yīng)定時器、UART及看門狗模塊觸發(fā)的中斷；2、單片機(jī)根據(jù)初始化過程中對定時器相關(guān)寄存器的配置模式定期響應(yīng)其中斷，每秒響應(yīng)一次Timer B中斷；在Timer B中斷中，具體實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)時時鐘(RTC)秒，分及小時的實(shí)時更新，以供單片機(jī)判斷裝置所處工作階段，保證反應(yīng)過程中對溫度循環(huán)時間的精確控制；3、若需要通過上位機(jī)軟件對相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行重新配置，程序響應(yīng)UART中斷，將接收到的參數(shù)更新并回傳至上位機(jī)，以驗(yàn)證各參數(shù)是否正確更新；4、當(dāng)單片機(jī)定期響應(yīng)Timer A中斷后,使能ADC采樣模塊采樣的中斷,單片機(jī)隨即對外部電路輸入的溫度信號進(jìn)行采樣并響 應(yīng)ADC采樣模塊中斷；在八0(:采樣模塊中斷中，單片機(jī)根據(jù)溫度傳感器的測溫公式，將采集到的數(shù)字信號計(jì)算轉(zhuǎn)化為溫度值；單片機(jī)將根據(jù)RTC和經(jīng)過濾波處理后的溫度值與相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)比較的結(jié)果，判斷系統(tǒng)所處的工作階段，并控制指示燈和溫度開關(guān)做出相應(yīng)的變化；此外，單片機(jī)會將溫度信息寫入片外存儲器NandFlash進(jìn)行存儲或者通過串口發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時顯示，同時將單片機(jī)的狀態(tài)信息存入片內(nèi)flash模塊中；如果單片機(jī)(根據(jù)設(shè)定的流程)判斷擴(kuò)增反應(yīng)已經(jīng)完成，裝置將進(jìn)入低功耗模式，否則程序退出Timer A中斷重新回到主循環(huán)，等待響應(yīng)新的中斷；5、如果裝置在長時間的擴(kuò)增反應(yīng)過程中發(fā)生了死機(jī)的情況，單片機(jī)自帶的看門狗模塊將會觸發(fā)中斷并引發(fā)系統(tǒng)復(fù)位；單片機(jī)復(fù)位后，單片機(jī)將從片內(nèi)flash中讀取之前實(shí)時存儲的狀態(tài)信息，恢復(fù)到死機(jī)前所處的工作狀態(tài)。在地面常規(guī)試驗(yàn)中，可以利用計(jì)算機(jī)端的上位機(jī)軟件通過UART接口對系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)的配置和試驗(yàn)進(jìn)程的控制，并將相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)軟件進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和保存，為前期的試驗(yàn)分析和參數(shù)修正提供快捷直觀的解決手段。綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種小型化空間實(shí)驗(yàn)用微型基因擴(kuò)增裝置，其特征在于，包括:承載機(jī)構(gòu)、電路系統(tǒng)、電源、兩組擴(kuò)增生物芯片、指示燈和電源開關(guān)，其中，承載機(jī)構(gòu)包括矩形金屬盒體和軟包，金屬盒體采用整體壁板密閉式結(jié)構(gòu)，電源固定安裝在金屬盒體的后端面上，金屬盒體前端面的上半部分安裝電源開關(guān)和指示燈，前端面的下半部分開口，金屬盒體開口處兩側(cè)的內(nèi)壁上對稱加工有兩組水平方向的凸形滑軌，兩組凸形導(dǎo)軌分別位于金屬盒體內(nèi)中部的水平面和底部的水平面上，電路系統(tǒng)由一塊印制電路板實(shí)現(xiàn)，其上包括單片機(jī)、存儲器、信號變換電路、溫度開關(guān)、電源管理模塊和通訊接口，電路系統(tǒng)固定安裝在印制電路板托板上，印制電路板托板的兩相對邊上設(shè)有與金屬盒體凸形導(dǎo)軌配合的凹形滑槽，電路系統(tǒng)通過印制電路板托板水平插裝在承載機(jī)構(gòu)的中部。兩組擴(kuò)增生物芯片通過擴(kuò)增生物芯片托板同樣以印制電路板托板的形式水平插裝在金屬盒體的底部，固定螺釘穿過金屬盒體的表面將印制電路板托板和擴(kuò)增生物芯片托板進(jìn)行固定，最后由前面板將金屬盒體前端面的下半部分開口封閉，電源、電路系統(tǒng)和擴(kuò)增生物芯片與承載機(jī)構(gòu)形成整體固定連接；軟包將金屬盒體整體包覆，軟包采用宇航級帆布制作，軟包外由扎帶縱橫包扎固定，以實(shí)現(xiàn)裝置整體在空間艙內(nèi)的搭載。
2.如權(quán)利要求1所述的小型化空間實(shí)驗(yàn)用微型基因擴(kuò)增裝置，其特征在于，所述電路系統(tǒng)選用MSP430單 片機(jī)，其上自帶ADC采樣模塊、兩個計(jì)數(shù)定時器、看門狗、flash和串口通信UART，電路系統(tǒng)配備大容量存儲器NAND Flash。
3.如權(quán)利要求1或2所述的小型化空間實(shí)驗(yàn)用微型基因擴(kuò)增裝置，其特征在于，所述電路系統(tǒng)內(nèi)部與其他部件之間的連接關(guān)系為:電源與電路系統(tǒng)的電源管理模塊連接，電源輸出的單一電平經(jīng)過電路系統(tǒng)的電源管理模塊處理得到多種電平，分別為電路系統(tǒng)的各個模塊和擴(kuò)增生物芯片的加熱片供電；單片機(jī)通過溫度開關(guān)與擴(kuò)增生物芯片的加熱片連接，單片機(jī)通過溫度開關(guān)控制擴(kuò)增生物芯片加熱片的加熱狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)增生物芯片反應(yīng)腔室的升溫和降溫；溫度傳感器通過信號變換電路與單片機(jī)的ADC采樣模塊連接，溫度傳感器的阻值通過電路系統(tǒng)中的信號變換電路轉(zhuǎn)換為電壓信號，單片機(jī)的ADC采樣模塊獲取該電壓信號，并轉(zhuǎn)換為實(shí)際的溫度值；存儲器NAND Flash與單片機(jī)連接，用于存儲試驗(yàn)過程中采集到的溫度值、溫控開關(guān)工作狀態(tài)及系統(tǒng)實(shí)時時間等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對整個試驗(yàn)過程的數(shù)據(jù)記錄，試驗(yàn)完成后可讀取存儲器中的數(shù)據(jù)，并通過單片機(jī)的UART接口上傳至計(jì)算機(jī)做進(jìn)一步的顯示和分析。
4.如權(quán)利要求3所述的小型化空間實(shí)驗(yàn)用微型基因擴(kuò)增裝置，其特征在于，所述單片機(jī)的控制流程如下: (1)、打開裝置開關(guān)對電路系統(tǒng)上電后，單片機(jī)首先對系統(tǒng)時鐘及各個功能模塊進(jìn)行初始化和系統(tǒng)狀態(tài)自檢，狀態(tài)正常時指示燈顯示綠色，否則為紅色；單片機(jī)隨后進(jìn)入主循環(huán)"while (I)； ”，等待響應(yīng)定時器、UART及看門狗模塊觸發(fā)的中斷； (2)、單片機(jī)根據(jù)初始化過程中對定時器相關(guān)寄存器的配置模式定期響應(yīng)其中斷，每秒響應(yīng)一次Timer B中斷；在Timer B中斷中，具體實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)時時鐘(RTC)秒，分及小時的實(shí)時更新，以供單片機(jī)判斷裝置所處工作階段，保證反應(yīng)過程中對溫度循環(huán)時間的精確控制； (3)、若需要通過上位機(jī)軟件對相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行重新配置，程序響應(yīng)UART中斷，將接收到的參數(shù)更新并回傳至上位機(jī)，以驗(yàn)證各參數(shù)是否正確更新；(4)、當(dāng)單片機(jī)定期響應(yīng)TimerA中斷后,使能ADC采樣模塊采樣的中斷，單片機(jī)隨即對外部電路輸入的溫度信號進(jìn)行采樣并響應(yīng)ADC采樣模塊中斷；在ADC采樣模塊中斷中，單片機(jī)根據(jù)溫度傳感器的測溫公式，將采集到的數(shù)字信號計(jì)算轉(zhuǎn)化為溫度值；隨后單片機(jī)將根據(jù)RTC和經(jīng)過濾波處理后的溫度值與相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)比較的結(jié)果，判斷系統(tǒng)所處的工作階段，并控制指示燈和溫度開關(guān)做出相應(yīng)的變化；此外，單片機(jī)會將溫度信息寫入片外存儲器Nand Flash進(jìn)行存儲或者通過串口發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時顯示，同時將單片機(jī)的狀態(tài)信息存入片內(nèi)flash模塊中；如果單片機(jī)根據(jù)設(shè)定的反應(yīng)流程判斷擴(kuò)增反應(yīng)已經(jīng)完成，裝置將進(jìn)入低功耗模式，否則程序退出Timer A中斷重新回到主循環(huán)，等待響應(yīng)新的中斷； (5)、如果裝置在長時間的擴(kuò)增反應(yīng)過程中發(fā)生了死機(jī)的情況，單片機(jī)自帶的看門狗模塊將會觸發(fā)中斷并引發(fā)系統(tǒng)復(fù)位；單片機(jī)復(fù)位后，單片機(jī)將從片內(nèi)flash中讀取之前實(shí)時存儲的狀態(tài)信息，恢復(fù)到死機(jī)前所處的工作狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種小型化空間實(shí)驗(yàn)用微型基因擴(kuò)增裝置，屬于空間生物試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，裝置包括承載機(jī)構(gòu)、電路系統(tǒng)、電源、兩組擴(kuò)增生物芯片、指示燈和電源開關(guān)，待擴(kuò)增的生物樣品通過加注孔加注至擴(kuò)增生物芯片，經(jīng)紫外固封后，電路系統(tǒng)、電源和兩組擴(kuò)增生物芯片裝配固封在承載機(jī)構(gòu)內(nèi)部，承載機(jī)構(gòu)上的電源開關(guān)控制擴(kuò)增任務(wù)的執(zhí)行；同時，根據(jù)飛行任務(wù)需要可以與外部通用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ迷O(shè)備經(jīng)由RS232接口與電路系統(tǒng)相連，通過上位機(jī)軟件設(shè)置任務(wù)參數(shù)；本發(fā)明在空間環(huán)境和地面環(huán)境下能獨(dú)立完成基因擴(kuò)增試驗(yàn)，裝置體積小、功耗低，可自主控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)程并顯示工作狀態(tài)，能夠承受空間搭載的惡劣條件等特點(diǎn)。
文檔編號C12M1/38GK103215184SQ20131012589
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月12日
發(fā)明者鄧玉林, 李曉瓊, 楊春華, 徐建棟, 胡曉明 申請人:北京理工大學(xué)