张新磊 冯继宏 孔晶晶 袁玉强

（北京工业大学生命科学与生物工程学院生物医学工程中心，北京 100124）

引言

聚合酶链式反应（polymerase chain reaction，PCR）由克里穆利斯（Kary B.Mullis）博士于1983年发明。PCR能够准确筛选出特定的基因序列，并将其复制100万倍以上，使生物医学研究从宏观水平和细胞水平发展到分子水平［1］。

传统的PCR反应由3个步骤组成—变性、退火以及延伸，分别在95、55和75℃这3个不同的温度条件下进行。实时PCR（real-time PCR），是指在PCR指数扩增期间，通过连续监测荧光信号强弱的变化来即时分析目的基因的拷贝数目，通过与加入已知量的标准品进行比较，实现实时定量［2］。

目前，市场上主流的实时PCR仪温度变化速率为3.5℃/s，其控温方式主要有两种：一种是采用电热丝进行加热，并采用大功率风扇进行制冷，如Agilent-Stragene公司的SureCycler 8800；另一种则采用半导体加热制冷片来完成加热制冷，如Eppendorf公司的RealPlex-4。在闭环控制方面，采用PID算法进行温度调控，具体可分为常规PID算法、增量型PID算法与模糊PID算法3种。

本研究设计并实现了一套适用于实时PCR仪的温度控制系统。系统以DSP为核心，采用半导体加热制冷片进行加热制冷，采取常规PID算法进行温度控制。整体设计方案原理简单，功耗较低，实用性强，为研制商品化的实时PCR仪奠定了基础。

1 系统结构

1.1 硬件结构

整体温度控制系统如图1所示，包括数字信号处理器（digital signal processor，DSP）主控电路、驱动电路、半导体加热制冷片和温度传感电路。该系统的工作原理如下：首先，DSP主控电路产生控制信号脉冲宽度调节（pulse width modulation，PWM）方波；此信号经驱动电路后，进行光电隔离和功率放大，作用至半导体加热制冷片，完成加热制冷。……