基于LabVIEW 诱变育种仪的设计

温 泉，庄 凌，马 瑞

（北京航天长征飞行器研究所，北京 100000）

大气压冷等离子体射流以其射流温度低、活性物种平均浓度高、操作效率高、本身对环境没有污染和危害、可控性好、经济实用等显著优点[1]，逐渐成为当今国际应用领域的研究热点，特别是在等离子体微生物诱变育种领域应用较好。常压室温等离子体诱变育种仪能够在常压（1 atm）下产生温度在25～40℃之间，具有高活性粒子（如处于激发态的氦原子、氧原子、氮原子、OH 等）浓度的射流[2]，适用于生物技术领域。对比另外几种传统诱变育种技术，ARTP 优点为操作方式简单、设备结构不复杂、实验条件较为安全、对操作人员没有伤害、反应速度快。一次实验（数分钟以内）就可以得到数量为4 万个往上突变菌株，并且具有突变比例大、突变库容较丰富的特点[3]。尤其ARTP 气体源各种条件都可以控制，仅需改变诱变育种仪操作的条件，就可很大程度上增强操作物种突变强度与突变库丰富性，为其余诱变育种所不存在优点与可发展空间。而和新一代分子育种技术相比，作为一种物理诱变方法，其操作简便性和诱变速度均高于DNA shuffling 和gTME等技术。相对IBIM 和ADBDM 两种育种方法，ARTPM进行微生物诱变具有生物学效应明显、设备结构简易、造价低、使用简单、反应状况平和、对操作人员没有危害等诸多优点，为极具潜力的研究方向。

1 常压室温等离子体射流发生装置

本文中的诱变育种仪使用常压室温等离子体射流源，其采用的是双介质覆盖型针—环电极结构，其示意图如图1 所示。将惰性气体通入管道后，接通交流电源，不断增加电压，当针电极与环电极之间电压超过击穿电压时，惰性气体被击穿，电子与正离子相分离，使得电流得以通过环电极与针电极形成回路，完成放电[4]。同时，惰性气体对等离子体的喷射起到了推动作用，让等离子体在管道中成为射流而射出。并且通过查阅文献，明确影响因素有两类：一是射流发生因素，如气压、流速、成分、电功率一类因素[5]；二是诱变育种实验因素，比如操作时长[6]。所以，具体工作气体、气体流速以及操作时间还要根据操作目标具体讨论。

图1 双介质覆盖型针—环极型发生器Fig.1 Dual media covered needle-toroidal generator

采用双介质覆盖型针—环极型发生器设计简单，由于针电极外覆盖有机玻璃介质[7]，所以其工作电流降低为不会对操作人员造成危险的安全电流，仅为1～10 mA，同时还能保证输出的稳定性。

本文设计的常压室温等离子体射流源的设计图如图2 所示。其中耗材包括铜、钨针、石英玻璃、聚四氟乙烯、有机玻璃等。其中用铜来制作环电极；用钨针来制作针电极；用有机玻璃来包裹放电电极，来达到操控电流强度的目的，以防温度过高，提高射流的稳定程度；用石英玻璃来制作进气管道；用聚四氟乙烯来制作外壳，并起到绝缘保护及方便于夹持携带的作用。

图2 发生器设计图Fig.2 Generator design diagram

图2 中的软管接惰性气体；红色阳极内部和针电极连接，外部和高频高电压电连接；黑色的阴极内部与环电极相连；环电极接地。射流长度可达到40 mm，且射流强度稳定，可以满足本课题中对生物样品进行处理的要求。

2 运动控制子系统

本文由于需要用电机拖动等离子体射流源及96 孔板，由于本系统负载质量较小且对精度要求不高，所以用步进电机作动力源。步进电机停转时具有最大转矩，同时有优秀起停反转响应、简易电机结构以及完善的驱动模块等优点。要应用适配的驱动器来启动电机，以及24 V 的稳压电源。工业计算机将信号传输到驱动器，再经由其放大后来带动电动机工作[8]，其接线如图3 所示。

图3 运动控制系统接线图Fig.3 Motion control system wiring diagram

本文以工业控制计算机与运动板卡为核心对电机进行操控，以电机、与其适配的驱动器和运动板卡形成平台。经过筛选对比，本文采用研华PCI-1245E 运动板卡，此板卡功能是运动操控4 轴通用步进/脉冲型伺服电机PCI 卡，PCI-1245E 融合了DSP 与FPGA 设计，可以弹性添加各种先进操作应用，如多组路径规划表、点对点移动、T/S 曲线、2 组2 轴直线插补、加/减速度等功能，使运动效能提高。PCI-1245E 运动控制卡在执行各类运动控制功能的时侯，不因为工业控制计算机处理器负载变化而受到引响，可提高系统运行的稳定性。

在工业控制计算机上利用LabVIEW 软件更改参数。运动控制卡内部存有丰富完善的运动函数库，下载驱动后可以供用户随意调用，进而改变输出的脉冲信号以及方向信号，进而完成对步进电机的运动控制。此软件利用LabVIEW 软件内置ActiveX 应用PCI-1245E 内部函数库，然后再对这些函数进调整来实现预定功能。

用调整输入信号频率系统来实现改变电机运动快慢，用调整脉冲多少来操控电机运行距离，用调整方向信号正负来操控电机正转反转，以实现控制射流源与生物样品托盘相对位置。

3 电信号采集及处理子系统

等离子体电学特征量采集系统对常压室温等离子体射流源在放电过程中电源的电信号进行实时采集与处理，完成了电压波形的实时显示，使得实验人员可以实时、便捷地对放电状态进行监测。下面将重点讲解电学特征量采集硬件系统设计。

本模拟量采集卡使用研华公司PCI-1715U-AE多通道数据采集卡，基于PCI 上12 位32 通道模拟写入，包含了32 模拟单端写入通道和16 差分写入通道，所有通道增益均可编程，并能提供通道/增益自动扫描功能，采样频率可以达到500 kS/s，分辨率可以达到12 位，隔离保护电压值为2500 V，并且提供了可存储1024 个样本的先入先出寄存器（FIFO），为高速采集系统的设计提供了条件。

用PCL-10137H 双绞线通讯电缆将32 路模拟量接至采集卡处；ADAM-3937 为接线板，将连接待测量信号线连接。另外，此平台为通用电信号的采集平台，直流交流以及电压电流的值均可测量，如需采集电流信号，则在接地端串入恰当大小电阻元件通过测量电压的大小来得到电流的大小。阻值的选择应以保证转换后的电压信号幅值在±10 V 或0～10 V 之内为宜。在板卡最大耐压±15 V 之内，也可以通过电源主机输出电流检测的接口直接测量。

4 变育种仪软件系统设计

常压室温等离子体诱变育种仪的LabVIEW 软件系统分为2 个子系统，即电学特征量采集子系统以及运动控制子系统。本软件通过模拟量采集卡PCI-1715U 进行电压和电流数据的采集处理，此外，在用户窗口中收集的电压和电流波形监视放电。同时，LabVIEW 软件还可以调用PCI-1245E 板卡内部函数库，由端子板将脉冲信号和方向信号递送到电机驱动器来达到目的，进而实现运动控制。软件总体设计流程如图4 所示。

图4 软件总体流程Fig.4 Overall software flow chart

4.1 射流源电源远程控制

采集到的电信号，经过分析对比后，需要控制产生等离子体的电源，然后采用RS232 串口通讯方式实现电路板对电源的调控。

这里简要介绍使用RS232 串口通讯方法。具体方案如下：

（1）开射频指令：01 05 00 00 FF 00 8C 3A

解读：01（地址）05（命令）00 00（起始数据地址）FF 00（数据：1）8C 3A（校验）

返回：01 05 00 00 FF 00 8C 3A（同上）

（2）设定功率（举例设定350 W）：01 06 00 00 01 5E 09 A2

解读：01（地址）06（命令）00 00（起始数据地址）01 5E（设定功率值350）09 A2（校验）

返回数据：01 06 00 00 01 5E 09 A2（同上）

（3）读出设定功率指令：01 03 00 00 00 01 84 0A

返回：01 03 02 01 5E（读出设定功率350 W）38 2C

（4）关射频指令：01 05 00 00 00 00 CD CA

返回：01 05 00 00 00 00 CD CA

该方法较为繁琐，设计时间周期较长。最终设计出的射流控制软件前面板及程序框图，如图5 所示。

图5 射流电源控制系统用户界面Fig.5 Jet power control system user interface

4.2 电学特征量采集及处理子系统设计

为了了解常压室温射流源工作实时状态，本文对常压室温射流源放电电压、电流信号达到实时采样、记录并显示其波形在用户界面。PCI-1715U 模拟量采集卡对交流信号采用快速采集方式，1 s 内可采集最高达500 k 个采样点。具体软件设计如图6所示。

图6 电学特征量采集框图Fig.6 Block diagram of electrical feature quantity acquisition

与本子系统功能相对应图形界面及程序框图，如图7 所示。

图7 电学特征量采集及数据处理系统用户图形界面Fig.7 User graphic interface of electrical feature quantity acquisition and data processing system

用户可以由图7 中的停止按键控制软件关闭。当软件处于开启状态时，电压、电流波形就会实时的显示在虚拟仪器的示波器的窗口当中。另外，在电学特征量采集的基础上添加了通道设置、采样设置、实时保存功能，用户可以改变面板左侧的控制面板参数来进行配置，方便波形的显示和保存。同时用户还可以调整XY 标尺最大值最小值使波形显示更加完整。

5 测试验证

5.1 运动控制测试验证

本文根据运动控制软件的工作原理，设计了运动控制软件，设计了符合子系统功能的用户图形界面和程序，如图8 所示。

图8 运动系统用户界面Fig.8 Motion system user interface

用户可以通过图8 中的运动控制卡选择装载于工业计算机上的运动控制卡，选择好之后按下启动按钮即可启动程序。软件处于开启状态后，选择要控制的电机，输入运行距离数值（这里的数值指输出的脉冲个数，对于本系统，640 个脉冲输出对应步进电机1 mm 的行程），按下Move 键即可控制指定电机运动。右侧标识可表达步进电机当前情况以及位置改变是否成功。

5.2 电学特征量采集及处理验证

实际操作环境内采集到电学信号往往与多样的杂波混合，并非全部数据都是有用的。因此，电信号在采集时需要预先处理。根据工程需要，系统需要通过滤波和信号2 种信号进行预处理。但它可以使编程高效，确保系统测量结果精确。添加噪声的滤波效果比较如图9 所示。

图9 添加噪声的滤波效果比较Fig.9 Comparison of filtering effects of added noise

通过对比可以得到，增加阶数的时侯，波形被处理后很显著的变平滑，然而处理后波形经观察也有缺点，即波形起点存在边界效应，并且去噪效果也存在极限。经对比截止频率为20 Hz 应用3 阶Butterworth 拓扑结构低通滤波对添加了高斯白噪声电信号具有较好效果，以及可以满足信号采集电路需求，可以应用在电学特征量采集电路上，而过高阶数可能导致信号失真过多，所以最终应用3 阶滤波结构。

优化电路后，添加NI 公司的PCI-6220 虚拟板卡进行仿真调试，电流波形图表XY 标尺最大值最小值及调节采样频率前后电流、电压信号及滤波后信号采集情况分别如图10 所示。

6 结语

本文研制的常压室温等离子体诱变育种仪主要研究成果包括：设计了常压室温等离子体射流源。该双介质覆盖针—环电极型常压室温等离子体射流源可稳定、安全的进行放电，有效长度最长可达40 mm；本文选取了步进电机、驱动器、电源组建了运动控制平台，该平台实现了X 轴方向有效行程为130 mm，Y 轴方向有效行程为90 mm，运行精度为1 mm 的预期指标。能够满足本诱变育种仪对尺寸和精度的要求；利用本文设计的电学特征量采集系统对常压室温等离子体放电进行检测。

通过仿真结果表明，本系统能够测得射流源电源的放电电压与放电电流波形，可以应用于系统数据采集处理部分。