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CB3LP芯片簡(jiǎn)介及內部原理框圖 CB3LP芯片是北京泛析智能控制技術(shù)有限公司依據自主知識產(chǎn)權的科研成果“直覺(jué)智能控制技術(shù)” (Sensorial Intelligence Control，簡(jiǎn)稱(chēng)“SIC”)，而研制成功的一種芯片產(chǎn)品。該產(chǎn)品采用提高難控被控對象閉環(huán)自動(dòng)控制性能的平臺技術(shù)，使工程師能夠簡(jiǎn)便迅捷地設計各種全智能模糊控制器。 CB3LP具有本質(zhì)抗干擾能力，任何用單片機構造的模糊控制器都不能與之比擬。對于時(shí)變參數、時(shí)變大純滯后難控被控對象，CB3LP控制波動(dòng)小于0.2%；對于易控被控對象，CB3LP控制波動(dòng)小于0.1‰。CB3LP外接一只電容和兩只二極管與內電路構造智能積分運算，實(shí)現控制無(wú)靜差；在線(xiàn)自動(dòng)調整（嵌入單片機實(shí)施）或離線(xiàn)人工調整CB3LP外接電阻，使控制響應動(dòng)態(tài)性能最優(yōu)化；CB3LP動(dòng)、靜態(tài)控制品質(zhì)優(yōu)于模糊控制；在線(xiàn)（或離線(xiàn)）調整控制性能簡(jiǎn)單；抗干擾能力強。由于有這么多明顯的技術(shù)優(yōu)勢，其應用范圍很廣，普遍應用于高精度控制時(shí)變參數、時(shí)變大純滯后等難控對象；也可以替代PID 控制器高精度控制易控被控對象。 CB3LP是函數型模糊控制芯片，它集成了一個(gè)函數化模糊推理，即直覺(jué)智能控制函數，一個(gè)運算放大器和一個(gè)PWM發(fā)生器，用于構造智能控制器。CB3LP的控制給定輸入和反饋輸入均為模擬電壓信號；控制輸出分為模擬和PWM兩路輸出，客戶(hù)自選；通過(guò)改變外電路器件，可以加入雙模態(tài)控制和智能積分運算。其引腳功能參見(jiàn)圖1。 
圖1 CB3LP內部原理框圖 CB3LP芯片在熒光定量PCR溫度控制系統中的設計思路 熒光定量PCR系統由基本PCR、熒光檢測和上位機等部分組成�；綪CR是此儀器的基礎，包括半導體制冷片、溫度采集與處理等部分，必須具有精確控溫、快速升降溫、溫度均勻一致等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片段的含量和其他檢測報告信息等；同時(shí)，在上位機里，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，然后使系統進(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)結束。 圖2所示是CB3LP芯片在溫度控制系統中的原理框圖。上位機通過(guò)串口發(fā)出給定溫度信號給單片機，經(jīng)DAC芯片（AD667）轉換成模擬信號，由雙運放LM358放大后，加到CB3LP芯片的控制給定輸入端；同時(shí)，測溫電橋將PT100鉑電阻轉變成微弱的電壓信號，經(jīng)過(guò)三運放INA118和兩級單運放3140放大后，分兩路輸出，一路到CB3LP芯片，另一路到ADC芯片AD574，轉換成數字信號后送至單片機和設定溫度進(jìn)行比較，控制單片機輸出加熱、制冷控制信號。最后，再通過(guò)光耦和CB3LP芯片輸出的PID控制信號混合輸出已經(jīng)PID調節好的加熱、制冷控制信號給半導體制冷片的電源換向電路，實(shí)現制冷片的加熱和制冷精確控溫。
圖2 CB3LP芯片在溫度控制系統中的原理框圖 CB3LP芯片在溫度控制系統中的具體應用設計 1.測溫電橋及信號放大電路 測溫電橋及信號放大電路如圖3所示，由R5、R7、 R8、R9、PT1鉑電阻組成測溫電橋，將PT100鉑電阻轉變成微弱的電壓信號。PT100在0℃的時(shí)候電阻值為100Ω，然后溫度每升高一度，電阻值增加0.385Ω。在0℃條件下，使PT1電阻為100Ω，調節R9，使橋的B、D兩端電勢相等，這時(shí)電橋達到平衡。當外界溫度改變時(shí)，傳感器PT100 阻值會(huì )有相應變化，B、D兩端電勢不再相等，這時(shí)電橋處于非平衡狀態(tài)。B、D之間有負載電阻R10、R11，其輸出電壓為VBD。如果使R5、R7和R8 保持不變，那么PT1變化時(shí)VBD也會(huì )發(fā)生變化。 根據PT1與VBD的函數關(guān)系，通過(guò)檢測橋路的非平衡電壓VBD，能反應出橋臂電阻PT1的微小變化，這就是非平衡電橋工作的基本原理。為使測溫更準確，沒(méi)有使用外接電源的+5V供電，而是使用了穩壓器TL431，其VOUT=(1+R3/R4)·Vref=2×2.5V=5V。
圖3 測溫電橋及信號放大電路 由PT100鉑電阻轉變成得微弱的電壓信號，經(jīng)三運放集成電路INA118放大10倍左右。INA118內部原理框圖如圖4所示。放大倍數 G=1+50kΩ/R12=1+50/5.1=10.8。經(jīng)過(guò)三運放放大后的電壓信號再經(jīng)兩個(gè)3140單運放放大加到CB3LP芯片的放大器同名輸入端1 腳，同時(shí)也加到AD轉換芯片U11（AD574）的13腳，轉換成數字信號后送給單片機89C52,和設定溫度進(jìn)行比較，控制單片機P13、P14輸出加熱、制冷控制信號。
圖4 INA118內部原理框圖 傳感器使用PT100鉑電阻，由于鉑電阻通過(guò)微小電壓進(jìn)行溫度測量，容易受干擾，而且鉑電阻非常小，容易折斷順壞，因此安裝時(shí)要仔細，并盡量遠離干擾源。信號放大電路使用運放電路，要仔細調節運放的調零電阻，使運放調零。 2.單片機及其外圍電路 圖5是單片機及其外圍電路圖，由ATMEL 89C52組成了單片機系統，AD和DA部分都使用了12bit轉換芯片(AD芯片AD574A，DA芯片DA667)以提高控溫精度。AD574A是美國模擬數字公司推出的單片高速12位逐次比較型A/D轉換器，內置雙極性電路構成的混合集成轉換芯片，具有外接元件少、功耗低、精度高等特點(diǎn)，并且具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉換功能，只需外接少量的阻容件即可構成一個(gè)完整的A/D轉換器。AD574A共有12根數據線(xiàn)，AT89C52的P0與AD574的高 8位數據線(xiàn)直接相接，AD574A的低4位數據線(xiàn)與單片機的高半4位P0.4〜P0.7直接相接，數據的讀取是依靠單片機的控制線(xiàn)進(jìn)行分時(shí)選通進(jìn)行。 AD574A的12和8腳是數據格式選擇端，高電平時(shí)，12位數據同時(shí)有效；低電平時(shí)第一次輸出高8位，第二次輸出低4位有效，高4位為零。本電路此腳接地，選擇用2次輸出16bit數據，其中的12bit數據是我們需要的。AD574A的4腳A0/SC是字節選擇線(xiàn)，在轉換期間，當A0為 0，AD574A進(jìn)行12位數據轉換；當A0為1，AD574A進(jìn)行8位數據轉換，P2.3接A0。P2.2接讀轉換數據控制腳R/C，R/C是讀/啟動(dòng)信號，高電平讀數據，低轉換。STS是工作狀態(tài)輸出端，高電平表示正在轉換，低電平表示轉換完畢。AD574的13腳為被測電壓的輸入端，接收來(lái)自測溫電路的放大信號，因為還使用了一片AD667 D/A轉換芯片，所以CS端受單片機控制，轉換器使用±12V電源電壓供電。
圖5 單片機及其外圍電路圖 AD667也是美國模擬數字公司推出的單片高速12bit的D/A轉換器，控制信號端如下：CS：D/A鎖存器片選端(低電平有效)，只有 CS端為有效信號時(shí)，才會(huì )啟動(dòng)鎖存器。REFout：參考輸出。REFin：參考輸入。SPAN(10)，SPAN(20)：10V、20V量程。 SUM：求和端。 數字輸入信號：DB0～DB11為數字輸入端，和單片機P0口相連，和AD574A一樣，數據的讀取是依靠單片機的控制線(xiàn)進(jìn)行分時(shí)選通。 A0～A3為地址譯碼輸入端，AD667的9腳Vout為模擬量輸出端，其輸出電壓范圍可通過(guò)硬件編程選擇，并可實(shí)現單極性和雙極性輸出。此腳輸出的模擬信號經(jīng)過(guò)雙運放LM358（U5）放大后加到CB3LP芯片的控制給定輸入端15腳。AD667的內部框圖如圖6所示。
圖6 AD667的內部框圖
圖7 CB3LP芯片控制電路 3.CB3LP芯片控制電路 圖7所示是CB3LP芯片控制電路圖。從上位機即PC給出的設定目標溫度值通過(guò)串口送到單片機 89C52，由DA轉換芯片U12(DA667)轉換成模擬信號，經(jīng)過(guò)雙運放LM358（U5）放大后加到CB3LP芯片的控制給定輸入端15 腳；CB3LP的PWM控制輸出端13腳輸出PWM信號，經(jīng)Q2射級跟隨加到光耦合器U6(TLP521-4)的1、3端，由U6的16、14端輸出；U6的16端輸出的控制信號加到三極管Q6的基級，經(jīng)集電極輸出回到U6的12端。P13輸出的加熱控制信號控制三極管Q3的導通，控制光耦U6的5 腳，即控制光耦U6的12、11的導通與截至，在導通的情況下，由CB3LP芯片控制的信號經(jīng)過(guò)U6的12、11給出經(jīng)過(guò)PID調節的加熱信號。光耦U6 的14端輸出的控制信號加到三極管Q5的基級，經(jīng)發(fā)射極輸出回到光耦U6的10端。P14輸出的制冷控制信號控制三極管Q4的導通，控制光耦U6的7腳，即控制光耦U6的10、9腳的導通與截至。在導通的情況下，由CB3LP芯片控制的信號經(jīng)過(guò)光耦U6的10、9腳給出經(jīng)過(guò)PID調節的制冷信號。 作者：北京金菩嘉醫療科技有限公司 幸坤濤 |
