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CB3LP芯片是北京泛析智能控制技術有限公司依據(jù)自主知識產(chǎn)權的科研成果“直覺智能控制技術”(Sensorial Intelligence Control，簡稱“SIC”)，而研制成功的一種芯片產(chǎn)品。該產(chǎn)品采用提高難控被控對象閉環(huán)自動控制性能的平臺技術，使工程師能夠簡便迅捷地設計各種全智能模糊控制器。 CB3LP具有本質抗干擾能力，任何用單片機構造的模糊控制器都不能與之比擬。對于時變參數(shù)、時變大純滯后難控被控對象，CB3LP控制波動小于0.2%；對于易控被控對象，CB3LP控制波動小于0.1‰。CB3LP外接一只電容和兩只二極管與內電路構造智能積分運算，實現(xiàn)控制無靜差；在線自動調整（嵌入單片機實施）或離線人工調整CB3LP外接電阻，使控制響應動態(tài)性能最優(yōu)化；CB3LP動、靜態(tài)控制品質優(yōu)于模糊控制；在線（或離線）調整控制性能簡單；抗干擾能力強。由于有這么多明顯的技術優(yōu)勢，其應用范圍很廣，普遍應用于高精度控制時變參數(shù)、時變大純滯后等難控對象；也可以替代PID控制器高精度控制易控被控對象。 CB3LP是函數(shù)型模糊控制芯片，它集成了一個函數(shù)化模糊推理，即直覺智能控制函數(shù)，一個運算放大器和一個PWM發(fā)生器，用于構造智能控制器。CB3LP的控制給定輸入和反饋輸入均為模擬電壓信號；控制輸出分為模擬和PWM兩路輸出，客戶自選；通過改變外電路器件，可以加入雙模態(tài)控制和智能積分運算。其引腳功能參見圖1。 圖1 CB3LP內部原理框圖 CB3LP芯片在熒光定量PCR溫度控制系統(tǒng)中的設計思路 熒光定量PCR系統(tǒng)由基本PCR、熒光檢測和上位機等部分組成。基本PCR是此儀器的基礎，包括半導體制冷片、溫度采集與處理等部分，必須具有精確控溫、快速升降溫、溫度均勻一致等PCR儀的基本要求，保證PCR過程的順利完成。熒光檢測部分包括激勵光源、光電倍增管、信號采集與處理等部分。上位機部分包括數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)分析軟件，主要負責從下位機采集數(shù)據(jù)，形成實時圖形，并進行數(shù)據(jù)處理和圖形分析，得到目標DNA片段的含量和其他檢測報告信息等；同時，在上位機里，根據(jù)所測樣品的PCR反應條件，設置相應的溫度參數(shù)、控溫時間以及循環(huán)次數(shù)等，然后使系統(tǒng)進入快速升溫、恒溫、快速降溫、恒溫等PCR循環(huán)過程，直至所有的循環(huán)結束。 圖2所示是CB3LP芯片在溫度控制系統(tǒng)中的原理框圖。上位機通過串口發(fā)出給定溫度信號給單片機，經(jīng)DAC芯片（AD667）轉換成模擬信號，由雙運放LM358放大后，加到CB3LP芯片的控制給定輸入端；同時，測溫電橋將PT100鉑電阻轉變成微弱的電壓信號，經(jīng)過三運放INA118和兩級單運放3140放大后，分兩路輸出，一路到CB3LP芯片，另一路到ADC芯片AD574，轉換成數(shù)字信號后送至單片機和設定溫度進行比較，控制單片機輸出加熱、制冷控制信號。最后，再通過光耦和CB3LP芯片輸出的PID控制信號混合輸出已經(jīng)PID調節(jié)好的加熱、制冷控制信號給半導體制冷片的電源換向電路，實現(xiàn)制冷片的加熱和制冷精確控溫。 圖2 CB3LP芯片在溫度控制系統(tǒng)中的原理框圖 CB3LP芯片在溫度控制系統(tǒng)中的具體應用設計 1.測溫電橋及信號放大電路 測溫電橋及信號放大電路如圖3所示，由R5、R7、R8、R9、PT1鉑電阻組成測溫電橋，將PT100鉑電阻轉變成微弱的電壓信號。PT100在0℃的時候電阻值為100Ω，然后溫度每升高一度，電阻值增加0.385Ω。在0℃條件下，使PT1電阻為100Ω，調節(jié)R9，使橋的B、D兩端電勢相等，這時電橋達到平衡。當外界溫度改變時，傳感器PT100阻值會有相應變化，B、D兩端電勢不再相等，這時電橋處于非平衡狀態(tài)。B、D之間有負載電阻R10、R11，其輸出電壓為VBD。如果使R5、R7和R8保持不變，那么PT1變化時VBD也會發(fā)生變化。 根據(jù)PT1與VBD的函數(shù)關系，通過檢測橋路的非平衡電壓VBD，能反應出橋臂電阻PT1的微小變化，這就是非平衡電橋工作的基本原理。為使測溫更準確，沒有使用外接電源的+5V供電，而是使用了穩(wěn)壓器TL431，其VOUT=(1+R3/R4)·Vref=2×2.5V=5V。 圖3 測溫電橋及信號放大電路 由PT100鉑電阻轉變成得微弱的電壓信號，經(jīng)三運放集成電路INA118放大10倍左右。INA118內部原理框圖如圖4所示。放大倍數(shù)G=1+50kΩ/R12=1+50/5.1=10.8。經(jīng)過三運放放大后的電壓信號再經(jīng)兩個3140單運放放大加到CB3LP芯片的放大器同名輸入端1腳，同時也加到AD轉換芯片U11（AD574）的13腳，轉換成數(shù)字信號后送給單片機89C52,和設定溫度進行比較，控制單片機P13、P14輸出加熱、制冷控制信號。 圖4 INA118內部原理框圖 傳感器使用PT100鉑電阻，由于鉑電阻通過微小電壓進行溫度測量，容易受干擾，而且鉑電阻非常小，容易折斷順壞，因此安裝時要仔細，并盡量遠離干擾源。信號放大電路使用運放電路，要仔細調節(jié)運放的調零電阻，使運放調零。 2.單片機及其外圍電路 圖5是單片機及其外圍電路圖，由ATMEL 89C52組成了單片機系統(tǒng)，AD和DA部分都使用了12bit轉換芯片(AD芯片AD574A，DA芯片DA667)以提高控溫精度。AD574A是美國模擬數(shù)字公司推出的單片高速12位逐次比較型A/D轉換器，內置雙極性電路構成的混合集成轉換芯片，具有外接元件少、功耗低、精度高等特點，并且具有自動校零和自動極性轉換功能，只需外接少量的阻容件即可構成一個完整的A/D轉換器。AD574A共有12根數(shù)據(jù)線，AT89C52的P0與AD574的高8位數(shù)據(jù)線直接相接，AD574A的低4位數(shù)據(jù)線與單片機的高半4位P0.4?P0.7直接相接，數(shù)據(jù)的讀取是依靠單片機的控制線進行分時選通進行。AD574A的12和8腳是數(shù)據(jù)格式選擇端，高電平時，12位數(shù)據(jù)同時有效；低電平時第一次輸出高8位，第二次輸出低4位有效，高4位為零。本電路此腳接地，選擇用2次輸出16bit數(shù)據(jù)，其中的12bit數(shù)據(jù)是我們需要的。AD574A的4腳A0/SC是字節(jié)選擇線，在轉換期間，當A0為0，AD574A進行12位數(shù)據(jù)轉換；當A0為1，AD574A進行8位數(shù)據(jù)轉換，P2.3接A0。P2.2接讀轉換數(shù)據(jù)控制腳R/C，R/C是讀/啟動信號，高電平讀數(shù)據(jù)，低轉換。STS是工作狀態(tài)輸出端，高電平表示正在轉換，低電平表示轉換完畢。AD574的13腳為被測電壓的輸入端，接收來自測溫電路的放大信號，因為還使用了一片AD667 D/A轉換芯片，所以CS端受單片機控制，轉換器使用±12V電源電壓供電。 圖5 單片機及其外圍電路圖 AD667也是美國模擬數(shù)字公司推出的單片高速12bit的D/A轉換器，控制信號端如下：CS：D/A鎖存器片選端(低電平有效)，只有CS端為有效信號時，才會啟動鎖存器。REFout：參考輸出。REFin：參考輸入。SPAN(10)，SPAN(20)：10V、20V量程。SUM：求和端。 數(shù)字輸入信號：DB0～DB11為數(shù)字輸入端，和單片機P0口相連，和AD574A一樣，數(shù)據(jù)的讀取是依靠單片機的控制線進行分時選通。A0～A3為地址譯碼輸入端，AD667的9腳Vout為模擬量輸出端，其輸出電壓范圍可通過硬件編程選擇，并可實現(xiàn)單極性和雙極性輸出。此腳輸出的模擬信號經(jīng)過雙運放LM358（U5）放大后加到CB3LP芯片的控制給定輸入端15腳。AD667的內部框圖如圖6所示。 圖6 AD667的內部框圖 圖7 CB3LP芯片控制電路 3.CB3LP芯片控制電路 圖7所示是CB3LP芯片控制電路圖。從上位機即PC給出的設定目標溫度值通過串口送到單片機89C52，由DA轉換芯片U12(DA667)轉換成模擬信號，經(jīng)過雙運放LM358（U5）放大后加到CB3LP芯片的控制給定輸入端15腳；CB3LP的PWM控制輸出端13腳輸出PWM信號，經(jīng)Q2射級跟隨加到光耦合器U6(TLP521-4)的1、3端，由U6的16、14端輸出；U6的16端輸出的控制信號加到三極管Q6的基級，經(jīng)集電極輸出回到U6的12端。P13輸出的加熱控制信號控制三極管Q3的導通，控制光耦U6的5腳，即控制光耦U6的12、11的導通與截至，在導通的情況下，由CB3LP芯片控制的信號經(jīng)過U6的12、11給出經(jīng)過PID調節(jié)的加熱信號。光耦U6的14端輸出的控制信號加到三極管Q5的基級，經(jīng)發(fā)射極輸出回到光耦U6的10端。P14輸出的制冷控制信號控制三極管Q4的導通，控制光耦U6的7腳，即控制光耦U6的10、9腳的導通與截至。在導通的情況下，由CB3LP芯片控制的信號經(jīng)過光耦U6的10、9腳給出經(jīng)過PID調節(jié)的制冷信號。 |
