应用于基因测序仪的控制装置和基因测序设备的制作方法

本发明涉及医疗设备技术领域，特别是涉及一种应用于基因测序仪的控制装置和基因测序设备。

背景技术：

这里的陈述仅提供与本申请有关的背景信息，而不必然地构成现有技术。

基因测序是进行精准医疗诊断治疗的重要手段和前提。常采用基因检测系统如基因测序仪等测定目标核酸的序列。为实现基因测序的各项功能，基因检测系统中的各个模块之间需要协同工作，按照一定的时序对各物理量进行控制和测量。传统的基因测序仪电控系统使用独立模块，各独立模块之间通过通信模块建立通信链路从而进行信息转换和传递，降低了通信效率和实时性，故障维护难度高，难以使基因测序仪达到最佳性能。

技术实现要素：

基于此，有必要针对传统的基因测序仪电控系统难以使测序仪达到最佳性能的问题，提供一种应用于基因测序仪的控制装置和基因测序设备。

本发明实施例提供了一种应用于基因测序仪的控制装置，包括：电路板、中央处理器、泵控制电路、温度调节电路、制冷电路、阀控制电路、移动平台控制电路和光学控制电路；

泵控制电路的输出端用于连接基因测序仪中的各个泵；

光学控制电路用于控制调整光源的参数；

温度调节电路用于调节制冷电路向基因测序仪提供的试验温度；

阀控制电路用于控制基因测序仪中的各个阀门的开闭状态；

移动平台控制电路用于控制基因测试仪中用于搭载试剂存储装置的移动平台的位置；

中央处理器分别与温度调节电路、泵控制电路、制冷电路、阀控制电路、移动平台控制电路和光学控制电路连接，且中央处理器、温度调节电路、泵控制电路、制冷电路、阀控制电路、移动平台控制电路和光学控制电路集成在电路板上。

在其中一个实施例中，应用于基因测序仪的控制装置还包括集成于电路板上的加热电路，加热电路与温度调节电路连接，用于受温度调节电路控制，改变向基因测序仪提供的试验温度。

在其中一个实施例中，应用于基因测序仪的控制装置还包括集成于电路板上的气路控制电路，气路控制电路用于驱动基因测序仪中的试剂流动。

在其中一个实施例中，应用于基因测序仪的控制装置还包括温度传感器，温度传感器与中央处理器通信连接，温度传感器用于采集试验温度并反馈至中央处理器，中央处理器根据温度传感器反馈的温度发送温度调节指令至温度调节电路，使温度调节电路根据温度调节指令控制制冷电路的输出功率。

在其中一个实施例中，制冷电路包括驱动元件，保护电路，电子开关和制冷元件；电子开关串联在制冷元件的工作回路中；

中央处理器根据温度参数提供占空比可调的pwm控制信号至驱动元件；

驱动元件根据pwm控制信号输出电流信号，电流信号经过保护电路后传输至电子开关，使得电子开关断开和闭合。

在其中一个实施例中，保护电路包括第一限流元件、第二限流元件，第一限流元件和第二限流元件并联后串接在驱动元件和电子开关之间。

在其中一个实施例中，电子开关为晶体管，第一限流元件和第二限流元件并联后串接在驱动元件和晶体管的第一端之间；

晶体管的第二端接制冷元件；晶体管的第三端与中央处理器连接；

制冷电路还包括：电流采样电阻，电流采样电阻串联在晶体管的第三端和地之间。

在其中一个实施例中，应用于基因测序仪的控制装置还包括整流电路和至少三路dc/dc降压电路；

整流电路的输入端用于接外部交流电源，整流电路的输出端分别连接各dc/dc降压电路；

每路dc/dc降压电路输出不同的电压，为中央处理器、温度调节电路、泵控制电路、阀控制电路、移动平台控制电路、光学控制电路和气路控制电路提供工作电源。

在其中一个实施例中，阀控制电路包括多路继电器驱动电路，每路继电器驱动电路对应连接基因测试仪中的一个阀门上的继电器，各继电器驱动电路根据中央处理器发送的阀门控制指令控制对应继电器的通断状态来控制各阀门的开闭状态；

光学控制电路包括自动对焦电机控制电路，自动对焦电机控制电路与中央处理器连接，用于根据中央处理器的运动控制指令，调节光源对焦至腔室中的样品。

一种基因测序设备，包括上述应用于基因测序仪的控制装置。

本发明提供的一个或多个实施例至少具有以下有益效果：本发明实施例提供的应用于基因测序仪的控制装置，通过采用集成化电路，由中央处理器控制周围的温度调节电路、泵控制电路、制冷电路、阀控制电路、移动平台控制电路和光学控制电路，与各电路之间直接连接，简化电路结构，提高信号传输效率，更加快速有效地控制基因测序仪的工作温度、试剂流速等参数，从而提高基因测序仪工作时的性能。

附图说明

图1为一个实施例中应用于基因测序仪的控制装置的电路结构示意图；

图2为另一个实施例中应用于基因测序仪的控制装置的电路结构示意图；

图3为一个实施例中制冷电路的结构示意图；

图4为一个实施例中应用于基因测序仪的控制装置的供电部分的结构示意图；

图5为一个实施例中基因测序设备的结构框图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“安装”、“一端”、“另一端”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

传统的基因测序仪常包括基本的序列检测部件，试剂存储装置，混合腔室和温度供给部分。将样本放置在混合腔室中，试剂存储装置向混合腔室内供给试剂，使得试剂与样本之间混合反应，温度供给部分可以设置在放置样品的基座底部，对基座进行加热和降温，为样品的反应提供试验温度。反应后，采用光源向样品部分进行光投射，再配合相机对光投射后的样品进行图像获取，得到样品的荧光变化检测，从而实现对样品的基因测序。

在试验过程中，对于样本所处环境温度的要求较高，要求温度供给部分可以快速达到和长时间保持在某个温度范围，传统技术中独立的模块之间建立通信的时间较长，易出现由于温度控制异常而导致的反应失败，不利于基因测序试验的进行，容易延长试验反应时间，降低工作效率。

本发明实施例提供了一种应用于基因测序仪的控制装置，如图1所示，包括：电路板1、中央处理器2、泵控制电路3、温度调节电路4、制冷电路5、阀控制电路9、移动平台控制电路12和光学控制电路6；泵控制电路3的输出端用于连接基因测序仪中的各个泵；光学控制电路6用于控制调整光源的参数；温度调节电路4用于调节制冷电路5向基因测序仪提供的试验温度；阀控制电路9用于控制基因测序仪中的各个阀门的开闭状态；移动平台控制电路12用于控制基因测试仪中用于搭载试剂存储装置的移动平台的位置；中央处理器2分别与温度调节电路4、泵控制电路3、制冷电路5、阀控制电路9、移动平台控制电路12和光学控制电路6连接，且中央处理器2、温度调节电路4、泵控制电路3、制冷电路5阀控制电路9、移动平台控制电路12和光学控制电路6集成在电路板1上。

其中，基因测序仪(genesequencer)，又称dna测序仪，是测定dna片段的碱基顺序、种类和定量的仪器。基因测序仪中的各个泵可以包括但不限于用于连通用于检测基因的腔室的减压泵，减压泵工作时，腔室内的压强降低，在压强差作用下，试剂存储装置中的试剂通过与腔室的连通管道流向腔室中，使得试剂与待测的样品可以充分反应。基因测序仪中的制冷电路5是指用于为样品试验提供试验温度的电路。试验温度可以指基因测序仪中用于放置待检测样品的检验腔室的温度。

在进行基因测序时，需要用到光源对反应后的样品进行荧光变化检测，其中，光源的波长以及照射角度等参数均对试验结果有所影响，所以上述光源的参数可以包括但不限于光源的波长以及其照射角度，这里的照射角度可以是指与光源对焦样品时的中心光轴与实际光轴之间的角度差。光学控制电路6是指用于控制该光源的各类参数的电路。

基因测序仪中的各个阀门可以包括但不限于设置在连通减压泵和用于放置待检测基因样品的腔室的管道上的旋转阀，该旋转阀的运动可以实现试剂流速的调控。阀控制电路9与旋转阀连接，例如，旋转阀上端设置有电机，阀控制电路9与该电机电连接，电机的输出轴与旋转阀门机械连接，中央处理器2通过阀控制电路9控制该电机的转速和方向，从而驱动阀门旋转，调节阀门开度，实现基因测序时试剂流量的控制。其中，中央处理器2与阀控制电路9之间的通信实现可以借助spi接口等。

上述移动平台可以用于搭载试剂存储装置。由于在基因测序过程中，常需要用到多种试剂，也会有多个试剂存储装置，在对不同的靶基因进行分析时，需要用到不同的试剂。中央处理器2根据试验所需的试剂类型，发送控制命令至移动平台控制电路12，使其控制移动平台上的试剂存储装置移动，使目标试剂所对应的试剂存储装置的出液口对准上述腔室的进液口并与上述腔室连通，可通过管道等实现连通，以便为当前试验提供目标试剂。同理，若需要进行其他靶基因的测试时，中央处理器2再向移动平台控制电路12发送控制命令，使其带动移动平台上的其他试剂存储装置的出液口对准上述腔室的进液口，进行试剂供给。其中，移动平台控制电路12可以包括至少两路步进电机控制电路，这两路步进电机控制电路可以对应控制在x轴和y轴方向上的两个步进电机，从而实现在空间上的位置控制。

具体的，中央处理器2、温度调节电路4、泵控制电路3、制冷电路5和光学控制电路6集成在同一个电路板1上。中央处理器2直接与温度调节电路4、泵控制电路3、制冷电路5和光学控制电路6连接，实现控制信号的发送，根据基因测序试验的需求，按照一定的时序控制各部分电路的工作状态。本发明实施例提供的控制装置，采用集成化电路，实现对基因测序仪中各工作部分的控制，控制速度快，集成化程度高，占地面积小，设备构成简单，成本低，发生故障时，维修快。

在其中一个实施例中，如图2所示，应用于基因测序仪的控制装置还包括集成在电路板2上的加热电路7，加热电路7与温度调节电路4连接，用于受温度调节电路4控制，改变向基因测序仪提供的试验温度。

类似于上述实施例中温度调节电路4对制冷电路5的控制实现，温度调节电路4还可以根据中央处理器2的温度调节指令控制加热电路7的输出功率，通过双向控制制冷电路5和加热电路7，可以更加快速的调节样品所处的腔室试验温度。

在其中一个实施例中，如图2所示，应用于基因测序仪的控制装置，其特征在于，还包括集成在电路板2上的气路控制电路8，气路控制电路8用于驱动基因测序仪中的试剂流动。

本发明实施例提供的控制装置，还包括气路控制电路8，气路控制电路8可以与基因测序仪中的进气阀和气压传感器连接，通过设置进气阀，设置合适的气压，将试剂按一定的流速推向检测腔室。从而节省测序时间，节省试剂，节约成本。此外，根据测序方法的不同，基因测序仪所需的流体系统也不同，一般测序系统采用负压的方式抽取试剂，管路中容易产生气泡，且清洗困难，本发明实施例提供的气路控制电路8还可以用于控制基因测序仪中的排气阀，用于将管路中产生的气泡排出。

在其中一个实施例中，如图2所示，应用于基因测序仪的控制装置还包括气压传感器15，所述气压传感器15用于测量基因测序仪腔室和管道中的气压参数并上传至所述中央处理器2，中央处理器2根据所述气压参数，控制所述阀控制电路9，使得所述阀控制电路9控制各阀门的开闭状态。

在其中一个实施例中，如图2所示，应用于基因测序仪的控制装置还包括集成在电路板2上的通信模块10，通信模块10与中央处理器2连接，且通信模块10用于连接远程终端11。中央处理器2可以通过通信模块10接收远程终端11发送的试验控制命令，并根据该试验控制命令，控制温度调节电路4等部分的工作状态，并反馈各个传感器上传的参数和仪器的运行状态至远程终端11。其中，中央处理器2可以包括单片机等。其与温度调节电路4等的通信实现可采用iic、uart、spi、ttl等常用通信接口。其中，远程终端10可以是工控机等。

在其中一个实施例中，如图2所示，应用于基因测序仪的控制装置还包括各类传感器，各所述传感器与中央处理器2通信连接，各所述传感器用于采集基因测序仪试验过程中的各类参数并上传至中央处理器2。

其中，各类传感器可以包括靠近制冷电路5的温度传感器13，该温度传感器13用于采集制冷电路5的输出温度，其中该温度传感器13也可以设置在上述放置样品的基座底部，用于采集样品当前所处的试验温度。制冷电路5的输出温度与样品当前所处的试验温度有着直接联系，所以两种设置方法均可。温度传感器13将采集的温度参数上传至中央处理器2，中央处理器2根据该温度参数以及试验所需的目标温度，发送温度调节指令至温度调节电路4，使得温度调节电路4输出大小可调的电信号至制冷电路5，从而实现对样品所处试验温度的调节。该装置通过集成化，数据采集和处理过程的信息传输快，能够实现温度的快速调控和精准调控。

若泵控制电路3所对应控制的泵的类型包括柱塞泵，柱塞泵即可实现流量监测功能。而对于基因测序仪中未采用柱塞泵的情况下，还可以在基因测序仪管道中设置流量计16，该流量计16用于测量管道中试剂的流量，并反馈采集的流量参数至中央处理器2，中央处理器2可以根据反馈的流量参数向阀控制电路9发送控制命令，使得阀控制电路9控制旋转阀等的开度，以调节基因测序仪的管道中的试剂流量。可选的，中央处理器2还可以根据流量计16反馈的流量参数，控制减压泵的功率大小，以调节混合腔室与外界的气压差，改变试剂流速，实现流量的精准控制。

其中，中央处理器2与该通信模块10连接，中央处理器2可以获取上述各类传感器采集的参数以及制冷电路5等的工作电流等参数，并通过通信模块10，将各类参数和信息传输至远程终端11，便于工作人员对试验过程的实时监测。且计算机等远程终端11可以根据接收到的各类参数和信息生成基因测序仪的试验数据变化曲线，便于对基因测序仪中的各个部件的运行状态进行监测，通过分析其变化曲线，可以判断各部件是否发生故障，为故障检修提供了数据依据。其中，通信模块10可以但不限于通过usb转串口通信转换接口与中央处理器2实现通信连接。数据传输速率高，驱动稳定，抗干扰能力强。

在其中一个实施例中，如图2所示，应用于基因测序仪的控制装置还包括温度传感器13，温度传感器13与中央处理器2通信连接，温度传感器13用于采集试验温度并反馈至中央处理器2，中央处理器2根据所述温度传感器13反馈的温度发送温度调节指令至温度调节电路4，使温度调节电路4根据温度调节指令控制制冷电路5的输出功率。其中，温度传感器13等释义与上述实施例中相同，在此不做赘述。其中，制冷电路5可以靠近基因测试仪中用于检测基因的腔室设置，以便更快速的调节腔室的试验温度。

在其中一个实施例中，如图3所示，制冷电路5包括驱动元件u1，保护电路51，电子开关q1和制冷元件j1；电子开关q1串联在制冷元件j1的工作回路中，中央处理器2根据温度参数提供占空比可调的pwm控制信号至驱动元件u1；驱动元件u1根据pwm控制信号输出电流信号，所述电流信号经过保护电路51后传输至电子开关q1，使得电子开关q1断开和闭合。

为了实现试验温度的精准快速调节，本发明实施例提供的中央处理器2可以包括单片机，单片机可以输出可调pwm控制信号。在实际工作过程中，温度传感器13将采集的温度参数上传至中央处理器2，中央处理器2根据设置的温度值和温度传感器13采集到的实时温度参数的对比结果，计算出所需的制冷功率，计算可由pid控制算法完成。通过改变中央处理器2输出的pwm控制信号的占空比，控制制冷元件j1通断电时间，使其工作在最佳功率区间，维持制冷目标的温度恒定。目标pwm控制信号输入至驱动元件u1，驱动元件u1对该控制信号进行处理后得到电流信号，经保护电路51(可以是并联的两个电阻r2和r3)缓冲后，输出至电子开关q1，驱动电子开关q1断开和闭合，电子开关q1闭合时，制冷元件j1工作，电子开关q1断开时，制冷元件j1停止工作，实现制冷元件j1输出功率的调节，从而实现试验温度的精准快速调节。其中，驱动元件u1可以是mos管器件等。

在其中一个实施例中，如图3所示，保护电路51包括第一限流元件、第二限流元件，第一限流元件和第二限流元件并联后串接在驱动元件u1和电子开关q1之间。其中，如图3所示，第一限流元件可以是第一电阻r2，第二限流元件可以是第二电阻r3，双路电阻并联实现对驱动元件u1输出电流的缓冲作用。此外，第一、第二限流元件还可以是由电感、电阻串联构成的元件，也可以是由晶体管和电阻串并联构成的元件，本领域技术人员常用的限流元件的选型和组合方式均属于本发明实施例的保护范围。

类似的，加热电路7也可以包括驱动元件，保护电路，电子开关和加热元件；电子开关串联在加热元件的工作回路中，中央处理器2根据温度参数提供占空比可调的pwm控制信号至驱动元件；驱动元件根据pwm控制信号输出电流信号，所述电流信号经过保护电路后传输至电子开关，使得电子开关断开和闭合。

在工作过程中，温度传感器13将采集的温度参数上传至中央处理器2，中央处理器2中的计算单元根据实际采集的温度参数与试验所需的温度参数进行比较，得到温度差，根据温度差，根据温度差大小输出pwm控制信号，该pwm控制信号是指可以调节加热元件输出功率以达到目标试验温度的信号。pwm控制信号输入至驱动元件，驱动元件对该控制信号进行处理后得到电流信号，经保护电路缓冲后，输出至电子开关，驱动电子开关断开和闭合，电子开关闭合时，加热元件工作，电子开关断开时，加热元件停止工作，实现加热元件输出功率的调节，从而实现试验温度的精准快速调节。其中，加热元件可以是电热丝等。

在其中一个实施例中，如图3所示，电子开关q1为晶体管，第一限流元件和第二限流元件并联后串接在驱动元件u1和晶体管q1的第一端之间；晶体管q1的第二端接制冷元件j1；晶体管q1的第三端与中央处理器2连接；制冷电路5还包括：电流采样电阻r1，电流采样电阻r1串联在晶体管q1的第三端和地之间。

其中，电流采样电阻r1是指阻值已知的电阻，该电流采样电阻r1可以串接在晶体管q1和地之间。驱动元件u1根据接收的占空比可调的pwm波，输出电流信号至保护电路51，经过保护电路51中的第一限流元件和第二限流元件限流，传输至晶体管q1的第一端，控制晶体管q1的通断。当晶体管q1导通时，制冷元件j1工作，且制冷元件j1所在回路的电流同时流过r1，产生一个跟电流相关的电压，中央处理器2可以包括一个模数转换模块21和单片机22，电流采样电阻r1的一个端点与该模数转换模块21连接，模数转换模块21将转换后的数字信号发送至单片机22，经过单片机22数据处理和计算，可以获取制冷元件j1的工作电流、工作电压、等效电阻值等信息，从而判断制冷元件j1是否处于正常工作状态。当状态异常时，中央处理器2可以不输出pwm控制信号，保护硬件，并且发出警报。此外，中央处理器2可以将获取到的电流参数和电压参数通过通信模块10上传至远程终端11，由远程终端11分析该制冷元件j1的工作特性，判断其是否发生故障。其中，晶体管q1可以是n型mos管，晶体管q1的第一端可以是n型mos管的栅极，晶体管q1的第二端可以是n型mos管的漏极，晶体管q1的第三端可以是n型mos管的源极。此外，晶体管q1还可以是npn晶体管，晶体管q1的第一端可以是npn晶体管的基极，晶体管q1的第二端可以是npn晶体管的集电极，晶体管q1的第三端可以是npn晶体管的发射极。晶体管q1还可以是其他类型的晶体管或者复合型晶体管，能够实现上述通断控制功能的晶体管均属本发明实施例保护的范围。

在其中一个实施例中，如图2和4所示，应用于基因测序仪的控制装置还包括整流电路141和至少三路dc/dc降压电路142；整流电路141的输入端用于接外部交流电源17，整流电路141的输出端分别连接各dc/dc降压电路142；每路dc/dc降压电路142输出不同的电压(v1，v2，v3等)，为中央处理器2、温度调节电路4、泵控制电路3、阀控制电路9、移动平台控制电路12、光学控制电路6、制冷电路5和气路控制电路8提供工作电源。整流电路141还可以为通信模块10等其他元件提供工作电源。

由于控制装置中包括多个电路和模块，其工作的额定电压及功率可能不同，例如逻辑控制类型的电路工作电压可能为±5v，而驱动电路等的工作电压可能为±12v或±24v等，为满足不同部件的工作电压需求，控制装置还包括整流电路141和至少三个dc/dc降压电路142，整流电路141用于将外部交流电转换为直流电，dc/dc降压电路142将直流电转换为适用于各电路和模块的工作电源，为中央处理器2、通信模块10、制冷电路5等提供其所需的工作电压。

在其中一个实施例中，如图5所示，阀控制电路9包括多路继电器驱动电路91，每路继电器驱动电路91对应连接基因测试仪中的一个阀门上的继电器，各继电器驱动电路91根据中央处理器2发送的阀门控制指令控制对应继电器的通断状态来控制各阀门的开闭状态。光学控制电路6包括自动对焦电机控制电路61，自动对焦电机控制电路61与中央处理器2连接，用于根据中央处理器2的运动控制指令，调节光源对焦至腔室中的样品。

本发明实施例给出一种阀门控制实现，阀门控制电路可以包括多路继电器驱动电路91，每个继电器驱动电路91均对应连接一个阀门，根据中央处理器2下发的阀门控制指令，继电器驱动电路91控制对应的阀门开启或关闭。对于光学控制功能实现部分，光学控制电路6还可以包括功率控制芯片62，中央处理器2控制功率控制芯片62的输出功率，从而改变与该功率控制芯片62连接的光源的激光功率。其中光学控制电路6与功率控制芯片62之间可以通过数模转换模块进行通信连接。

一种基因测序设备，如图5所示，包括上述应用于基因测序仪的控制装置100。其中，应用于基因测序仪的控制装置100与上述实施例中的实现方式等相同，在此不做赘述。本发明实施例提供的基因测序设备还包括完成基因测序试验所必须的其他设备，例如上述实施例中提及的腔室、试剂、试剂存储装置等，具体组成可以参照其他参考文献。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。