基于Qt的电润湿器件驱动控制系统设计
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摘 要：为了实现电润湿器件的驱动和控制，该系统设计包含驱动电路和上位机软件两部分。驱动电路使用PIC单片机通过FT245组成的USB接口模块接收上位机的控制命令，按照预定义的格式解析生成控制信号控制DA芯片AD5535输出电压信号，使用集成化的电压芯片实现电平转换和升压电路；上位机软件基于qt软件开发框架在Windows平台下采用C++语言编写，实现对驱动参数的各种操作和电润湿器件电极的状态显示功能。经实验验证，该系统工作性能良好，满足设计要求。
关键词：电润湿器件；驱动电路；上位机软件；Qt
中图分类号：TH122.5 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）10-00-02
0 引 言
在传统的以微量样品为对象的生化分析实验中，一般使用较为昂贵的实验设备，且需要专业的实验人员进行操作。基于电润湿器件的液滴操作技术可大大简化生化样品分析的实验操作步骤，降低生化实验对设备的依赖程度，且其需要的生化样品更少、样品实验时间更短[1]。
电润湿器件利用微观尺度下表面张力起主导作用的原理，通过改变液滴在固体接触面的表面张力大小从而造成液滴的形变进而改变液滴的运动状态[2]。液滴与固体接触时，液滴会沿着固体的表面延展，达到稳定状态时液滴形状保持不变，此时固液界面在空气、液滴和固体三种物质交点的切线与固液接触面形成接触角；根据Lippmann-Young方程[3]，电润湿器件按时序施加一定频率和幅值的方波电压后接触角减小；接触角减小使液滴发生形变，当液滴左右曲率半径变化导致的液滴内部压力差大于其受到的阻力时，液滴开始运动[4]。因此，通过对电润湿器件进行驱动和控制就可以实现液滴的基本操作。
1 系统总体方案
电润湿器件驱动控制系统包括驱动电路和上位机软件两部分。上位机软件将驱动参数按照一定的控制命令格式发送，通过USB接口模块传输到单片机，单片机将控制命令按照预定义的控制命令格式进行解析，解析后利用SPI通信接口发送控制信号给DA芯片，DA芯片输出控制命令指定的电压信号；上位机对用户提供一种可视化的电润湿器件操作界面，用户选择驱动电路与PC的连接端口进行数据传输测试，测试成功后即可在驱动参数输入表格输入驱动参数，本设计提供驱动参数的文件打开和文件保存功能，方便用户打开预定义的驱动参数文件和保存已调试完毕的控制命令，同时设计了电极模拟显示区域，方便用户更加直观地观察电极状态变化。基于Qt的电润湿器件驱动控制系统总体结构如图1所示。
2 驱动电路
驱动电路采用模块化设计方案，分为单片机控制模块、USB接口模块、DA输出模块和电压转换模块，每个模块完成其对应的功能。
2.1 单片机控制模块
在本设计中，单片机模块实现上位机软件控制命令的接收、解析和DA输出模块控制信号的发送，是整个系统设计的数据处理和控制中心。本设计采用PIC24系列单片机的PIC24 HJ256 GP206芯片，该芯片是16位采用RISC指令集单片机，拥有改进的哈佛结构，工作频率在32 MHz时指令速度可达16 MIPS，完全满足系统设计的要求[5]。单片机控制流程图如图2所示。
2.2 USB接口模块
USB接口模块实现单片机I/O口与USB接口的数据转换功能。本设计采用并行FIFO双向数据传输的USB接口芯片FT245实现USB接口模块的功能，该芯片集成微控制器和USB通信协议，同时提供PC端的设备驱动程序，一般用户只需进行简单的硬件设计和软件编程即可实现USB通信[6]。PIC24单片机与FT245的管脚连接如图3所示。
2.3 DA输出模块
本设计选用具有多通道高电压输出的高精度DA芯片AD5535完成电压信号的输出，AD5535拥有32通道、14位DAC，内置高压输出放大器，其输出电压范围通过REFIN引脚编程设置。AD5535通过三线通信接口SPI与PIC24单片机连接，接收单片机传输的电压数字数据，并根据该数据输出对应的电压信号。
2.4 电压转换模块
电压转换模块将5 V电源转换成单片机控制模块、USB接口模块和DA输出模块需要的电平，使用集成化的电压芯片不仅缩小了电压误差，还大大减小了升压电路的体积。其中使用LM2611、5SVV200S实现5 V到-5 V和200 V的转换，使用ISL60002实现5 V到2.048 V的转换，再放大到4.096 V。
3 上位机软件
本设计中的上位机软件开发基于跨平台的C++图形用户界面和应用软件开发框架Qt，在跨平台集成开发环境Qt Creator中使用C++语言进行编写和编译[7，8]，运行在Windows平台上。上位机软件由端口、测试、发送、驱动参数和显示5部分组成，实现驱动参数的输入、打开、保存、清除、执行、邮件发送和电极模拟阵列的动态生成、状态显示等功能。
3.1 端口
端口部分包含搜索、选择、打开和关闭功能。USB接口模块与PC连接后，在PC主机上该USB接口显示为标准串行总线，在PC主机的设备管理器中可以查看对应的端口号。通过搜索功能将计算机上可用端口更新在可选列表中，选择使用的端口打开即可，使用完毕后可以关闭端口。默认使用的端口通信参数为波特率9 600 b/s、数据位8 b、停止位1 b、无校验位。
3.2 测试
下位机与上位机连接之后，要想二者正常通信必须保证通信通路正常连通，测试部分用来测试上下通信是否正常连通。在打开使用的端口之后，需要先进行数据传输测试。
3.3 发送
发送部分包含一个E-mail按钮，该按钮用来调用计算机上默认的邮件客户端。用户在调试完毕驱动参数之后，可以以TXT文件的形式保存驱动参数到计算机内，当需要以邮件的形式发送参数文件时只需点击按钮即可。
3.4 驱动参数
一个电极的控制命令由通道号、电压值和时间三个驱动参数组成，用户在上位机软件的表格内根据电极数量输入对应数量的控制命令，其中电极数量以行列的形式输入，即电极数量等于行数量与列数量的乘积。
（1）用户使用打开功能可以打开存储在本地的驱动参数文件，软件会自动将其中的驱动参数填充到表格内；
（2）保存功能可以将表格内的驱动参数存储在本地，便于用户下次使用；
（3）清除功能将表格内所有驱动参数清除；
（4）执行功能将表格内驱动参数以预定义的控制命令格式发送给驱动电路。
3.5 显示
显示区根据用户输入的电极数量创建电极模拟阵列，并根据控制命令的执行情况模拟电极的活动情况[9，10]。电极活动状态规定见表1所列。
清除功能用于清除显示区内电极模拟阵列，清除轨迹功能用于清除电极的使用状态，恢复初始状态。上位机软件界面如图4所示。
在系统测试实验中，按照上位机软件使用流程操作，驱动电路正确输出幅值和频率都符合驱动参数的电压信号，且电润湿器件工作正常，实现预设的液滴操作。
4 结 语
本设计实现了一种基于Qt的电润湿器件驱动控制系统，该系统的上位机软件基于跨平台的C++图形用户界面和应用软件开发框架使用C++语言编写，实现驱动参数的输入、打开、保存、清除、执行、邮件发送和电极模拟阵列的动态生成、状态显示等功能。驱动电路的单片机通过USB接口模块接收上位机的驱动参数，同时将控制命令按照预定义的指令格式解析后生成控制信号发送到DA芯片，使DA输出模块输出驱动参数定义的电压信号。经实验验证，该系统工作正常，各项性能均符合预设指标。
参考文献
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