基于C#语言的全自动移液工作站上位机系统设计

李肖溪，汪建晓※，李 晶，师伟展

（1.佛山科学技术学院机电工程系，广东佛山 528000；2.广东顺德工业设计研究院（广东顺德创新设计研究院），广东佛山 528000）

0 引言

随着人们生活水平的提高，人们对以预防为主的健康问题愈发重视，通过核酸检测的前端检查技术走进了人们的生活中。通过人工操作核酸提取实验人工成本太高，后来出现了多通道移液器，如四通道、八通道、十二通道移液器，显著地提高了移液的工作效率[1]，但仍旧不能满足实际需求，针对这一实际需求设计与开发了全自动移液工作站（以下简称移液工作站）。国外虽已有此类产品的应用，但由于单台成本、耗材成本、维修成本无法控制，更因其程序设计复杂，无法满足客户的定制化需求服务，局限了类似仪器在国内相关行业的发展。同时，随着国内生物、医疗、制药等行业的迅速发展，对高效、快捷、可靠的自动化液体处理平台的需求日益兴盛。本文提出设计一种应用于核酸检验的全自动液体处理工作站，并为移液工作站设计开发一款基于C#语言的应用于PC端的上位机系统，系统采用模块定制化设计方案，操作简单，同时具有高可靠性，大幅提高核算检验过程中的移液效率，节约时间与人工成本。

1 软件设计

1.1 建模

本文选取被广泛使用的统一建模语言UML（Unified Modeling Language）进行软件建模[2]，其特点如下。（1）统一的标准。UML已经被对象管理组织（Object Management Group，OMG）定为标准的建模语言，越来越多的开发人员使用UML语言进行开发。（2）支持面向对象技术。（3）独立于过程。UML不依赖于特定的软件开发过程。（4）概念明确。建模表示法简洁，图形结构清晰，可视化表示能力强大，容易掌握和使用[3-4]。

UML从系统的不同角度出发，定义了用例图、类图、对象图、状态图、活动图、序列图、协作图、构件图、部署图等9种基本模型图[5]。这些图从不同的侧面对系统进行描述，便于设计人员对系统整体进行分析和构造。本文中主要讨论本系统的用例图，如图1所示。

图1 系统用例图

1.2 系统总体设计

工作站上位机软件需要解决如下问题。

（1）界面层参数初始化。工作站工作前需要对系统对象的参数初始化，同时使工作站系统复位归零。

（2）功能控制实现。工作站系统软件平台设计模块化，拥有以下软件功能：文件读取和存储、吸头的识别与定位、组件电机的脉冲设置、吸头的三维运动控制、控温混匀仪的温度控制与速度控制等。

（3）数据交换。移液工作站的上位机软件系统通过RS-232接口转RS-485接口与下位机stm32控制板连接通讯。电脑端直接提供有RS-232接口，在软件系统中可以直接引用SerialPort[6]类，直接使用无需额外创建。控制板直接提供RS-485接口通讯，简单便捷。

移液工作站软件平台的总体设计分为3个执行层次实现，如图2所示。界面层是人机交互层，主要包括各个功能按钮的设计；功能控制层是执行界面层发布的命令，把复杂功能简化，还有把简单功能参数解析、命令调度；数据传输层主要是对各个控制板的几个简单功能的数据传输。

图2 全自动移液工作站上位机系统总体设计图

1.3 界面设计

软件界面设计[7]也称作UI（User Interface，UI）设计，是上位机软件系统设计的重要组成部分。软件界面是人机交互最直观的部分，是用户对软件的第一印象，用户体验的绝大部分就是指对软件界面的体验。

图3 程序主界面

工作站上位机软件界面的设计原则：（1）按钮通俗易懂，用词准确无异议，附带简图形象显示；（2）同一个界面内控件数量控制在10个以内，如果实在过多，多余的分界面显示；（3）操作过程中，对按钮使用进行限制，避免因重复操作造成机器出现卡死现象。程序主界面如图3所示。

1.4 功能模块设计

移液工作站采用模块定制化的设计方案，在保证完成基本功能的情况下，可以根据用户实际需求加装不同功能模块。所以在功能模块设计方面附加1个扩展模块，用于满足用户实际需求。工作站主要有以下6大功能模块。

（1）三维运动控制。加装有移液泵的机械臂在X、Y、Z三维中的运动方向、距离、速度、加速度控制。

（2）移液泵工作控制。正常工作中的吸液、喷液、自动脱吸头功能。

（3）移液泵吸头识别与定位功能。在移液泵吸液之前用来识别是否加装有吸头，吸头在X、Y、Z三维中的定位。

（4）脉宽控制功能。脉宽设置在3～7μs的范围以内，误差为0.1μs，当检测脉宽超出设置范围，上位机进行错误与异常报警处理。

（5）存储与调用功能。工作站编辑的实验可进行存储，需要重复操作的时候可以直接调用。

（6）扩展模块（混匀仪模块）。工作站的P16位置可以加装混匀仪，混匀仪具有控温、混匀的功能，混匀仪的温度、转速、加速度、混匀时间与加热时间控制。

2 工作站结构基础

工作站是1个由多轴协调运动[8]的复杂机构，主要有底座、移液臂与夹爪臂、混匀仪3大部分组成，如图4所示。移液臂的主要功能就是用来转移液体试剂，主要是靠移液臂末端安装的微量泵来完成的。夹爪臂主要是为了代替人工来对深孔板进行换位操作。混匀仪是用来对液体试剂进行混匀、加热、保温等前处理操作的，可以根据不同的实验要求设定转速和温度。

2.1 底座结构

底座是整个工作站的支撑，底座上有1个工作台，工作台又被分为P1-P18这18个盘位，除去P16位置固定安装了混匀仪，P3位置安装废物收集装置之外，其余的16个盘位都可以根据自己的需求去放置相应的深孔板、试剂盒与耗材盒。工作台三维图如图5所示。

图4 全自动移液工作站

图5 工作台三维图

2.2 移液臂与夹爪臂

本文移液臂与夹爪臂基本结构相同，都是由3个无刷电机控制，区别在与臂末端安装的末端执行器有所区别。其中移液臂末端执行器是由1个八通道移液泵（又称微量泵）构成，用来代替人工完成把试剂槽里面的试剂移到深孔板中的动作，实现工作站的移液或滴定功能；夹爪臂末端执行器是1个机械手，用于抓取摆放于底座上的深孔板，完成抓取深孔板在支架与混匀仪之间换位操作。

2.3 混匀仪

由于在大部分生物实验中需要对生物试剂进行混匀或加热，所以在工作台预设位置可以加装1个混匀模块（也就是工作台上的混匀仪）。混匀仪可以对生物试剂进行所需的前处理操作。混匀仪有混匀与加热2个功能，每个功能都能单独使用或者并行使用。混匀仪由震荡模块与加热模块2部分组成，其中震荡模块主要由1个凸轮结构构成，加热模块选用的是金属浴的模式。混匀仪的控制系统选用的是STM32F103RBT6单片机，控制方面主要分为温度控制与速度控制2个部分（控制原理基本相同），两部分均选用的模糊PID算法[9]控制。混匀仪是否加装由客户的需求决定的。

3 工作界面

文中所设计的上位机系统运行稳定，能完成预定的基本功能，在实际工作中大大提高了核酸检测实验中的移液工作效率，满足了设计预期的要求。软件工作界面如图6所示。

图6 软件工作界面图

4 结束语

本文设计的移液工作站上位机系统，实现了移液工作站对核酸检测样本及试剂的全自动操作的目标。同时，以高通量移液工作站进行移液、滴定，取代人工操作，降低了操作人员的劳动强度，极大地提高了核酸检测的效率。