1 系統的組成和工作原理
本系統由基本PCR部分、熒光檢測部分和上位計算機部分等組成。
基本PCR部分是該儀器的基礎，包括加熱絲、溫度采集與處理等部分，它必須具有控溫、快速升降溫、溫度場(chǎng)均一等PCR儀的基本要求，保證PCR過(guò)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。
上位計算機部分包括數據采集和系統分析軟件，主要負責從下位機采集數據，形成實(shí)時(shí)圖形，并進(jìn)行數據處理和圖形分析，得到目標DNA片段的含量和其它檢測報告信息等。
工作時(shí)，主計算機首先投入運行，同時(shí)工作人員把所測樣品放入PCR反映腔體的樣品架上，工作人員根據所測樣品的PCR反應條件設置相應的溫度參數、控溫時(shí)間以及循環(huán)次數等，接著(zhù)工作人員點(diǎn)擊相應的按鈕控件，系統就進(jìn)入快速升溫、恒溫、快速降溫、恒溫等PCR循環(huán)過(guò)程，直至所有的循環(huán)結柬，同時(shí)在每一循環(huán)的低溫段恒溫結柬前系統進(jìn)行樣品的熒光信號實(shí)時(shí)采集，主計算機根據采集到的信號形成實(shí)時(shí)圖形，并進(jìn)行數據處理和圖形分析，得到目標DNA片段的含量和其它檢測報告信息等。
2 系統的硬件設計
系統的硬件主要由溫度信號采集處理部分、熒光信號采集處理部分、單片微機控制系統部分、驅動(dòng)電路部分以及計算機系統等組成。
2.1 溫度信號采集處理部分
這一部分包括溫度傳感器、傳感器接口電路以及信號放大電路，在這里溫度傳感器采用熱電偶，由于熱電偶通過(guò)微小電壓進(jìn)行溫度測量，容易受干擾，在具體的設計中，干擾問(wèn)題往往很難一下拿出明確的解決方案，要根據干擾的種類(lèi)找原因，對癥下藥。在本設計中，主要采取了以下的抗干擾措施，Roche_Light Cycler 480II熒光定量PCR儀保證溫度采集的準確性:(1)在熱電偶的輸出端追加濾波電容;(2)加變送器，利用熱電偶的接口芯片，把溫度信號直接轉換成電壓信號，這個(gè)信號不易受干擾。
2.2 熒光信號采集處理部分
熒光信號采集處理部分主要包括光檢測系統和信號采樣處理系統兩部分。
2.2.1 光檢測系統
光檢測系統主要包括光源(待測樣品)、濾光片、光電倍增管以及敏感度選擇電路等。微處理器在檢測過(guò)程中，按光檢測值大小動(dòng)態(tài)調整電位器輸出，改變光電倍增管控制電壓板的電壓輸入，自動(dòng)調整光電倍增管測量靈敏度。
光電倍增管采用H5783型倍增管，它具有如下特性:
(1)結構上將倍增管、電磁屏蔽筒、高低壓供電單元、電壓控制單元全部集成在一起，使用方便;(2)光譜靈敏度高，暗電流小;(3)可根據測量光信號強度的不同，通過(guò)程序調節控制電壓，自動(dòng)調整測量系統的靈敏度。
2.2.2 信號采樣處理電路
光電倍增管輸出的電流信號可作為恒流源，將運算放大器作為負載電阻實(shí)現電流電壓的轉換， 信號處理電路,其輸出電壓U0=一gf~xf，式中g(shù)f為運算放大器的反饋電阻，反饋電阻Rf值的選擇要按光電倍增管陽(yáng)極的大輸出電流、A/D采樣輸入滿(mǎn)量程值、運算放大器的開(kāi)環(huán)增益等來(lái)確定，同時(shí)還要考慮保證系統的高頻特性。
輸出電路的小可測量電流受到運算放大器的偏置電流、溫飄、反饋電阻特性以及電路板的絕緣性能的影響。
2.3 單片微機控制系統
這一部分主要負責溫度的采集、溫度的控制、熒光信號的采集以及對光電倍增管控制極電壓的調整、外圍執行機構的驅動(dòng)控制以及與上位計算機的實(shí)時(shí)通訊等。主要由微處理器、A/D轉換芯片、通信接口芯片等組成。在該系統中，微處理器采用P89C51微處理器。該芯片具有并行可編程的非易失性FLASH程序存儲器。是80C51的派生器件，指令系統與80C51*相同，其主要特性為:
(1)速度可達32M;(2)片內FLASH程序存儲器，可在線(xiàn)編程;(3)RAM 可擴展到65K字節;(4)全雙工增強型UART~(5)4個(gè)8位I/O 口;(6)6個(gè)中斷源。上述特性可實(shí)現本系統所要求的實(shí)時(shí)檢測處理、控制、通訊等功能。
A/D轉換芯片采用AD674，該芯片是美國模擬器件公司(Analog Devices)生產(chǎn)的12位逐次逼近快速A/D轉換器。
片內配有三態(tài)輸出緩沖電路，可直接與各種典型的8位或16位微處理器相連，而無(wú)須附加邏輯接口電路，且能與CMOS及1vrL電平兼容，并且片內含有高精度的參考電壓源和時(shí)鐘電路，這使它在不需要任何外部電路和時(shí)鐘信號的情況下完成一切A/D轉換功能，應用非常方便。為了保證A/D采樣的準確性模擬信號輸入端可加采保器LF398。要注意的一點(diǎn)是與P89C51單片機接口電路設計時(shí)。單片機的時(shí)鐘一定要接12M及以上，防止因AD674數據總線(xiàn)傳輸速度快而造成時(shí)序不匹配。
2.4 驅動(dòng)電路部分
考慮到風(fēng)門(mén)電機、磁吸開(kāi)關(guān)、轉盤(pán)電機、加熱風(fēng)扇等外圍執行設施較多，而且要分別單獨供電，同時(shí)，為了克服上述外設對微計算機系統可能造成的干擾，就把這一部分單獨做成一塊驅動(dòng)板，Roche_Light Cycler 480II熒光定量PCR儀由單片機系統I/O擴展口直接驅動(dòng)光電耦合器件，經(jīng)光電耦合器件的輸出端再加電流放大驅動(dòng)。
