毛细管电泳芯片高压电源系统
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图 2 系统整体结构框图
2． 1 ARM 芯片及其外围配置电路 设计采用 STM32F103 微处理器作为整个系统的核心。它
是 STM32 系列中的一款 MCU，其内部拥有一个嵌入式的 ARM CortexTM － M3 内核，与所有的 ARM 开发工具及软件兼容。其 外围配置电路 主 要 包 括 电 源 管 理、启 动 配 置、时 钟 产 生、JTAG 硬件调试和硬件复位电路等。
84
Instrument Technique and Sensor
Feb. 2013
由上述过程可以看出，电泳进样和分离过程中各储液池的 电压值及其切换速度是整个毛细管电泳芯片分析、检测中的关 键因素。因此，提供动力的高压电源在毛细管电泳芯片检测系 统中具有举足轻重的作用。 2 控制系统硬件电路设计
微处理器正常的工作电压是 3. 3 V，通常外接的电源电压 是 5 V，因此设计采用 AMS1117 电压转换芯片将 5 V（ VCC） 转 换为 3. 3 V（ VDD） 。另外，STM32F103 具有 2 个时钟产生电路： 1 个 8 MHz 的晶振作为 MCU 的时钟源； 另一个 32 kHz 的晶振 作为 RTC 的时钟源。通过 JTAG 调试电路不仅可以将代码烧 写至芯片的 FLASH 中，还可以为程序的进一步调试创造条件。 2． 2 采样及放大滤波电路
2013 年 第2 期
仪表技术与传感器
Instrument Technique and Sensor
2013 No. 2
毛细管电泳芯片高压电源系统
杨晓博1 ，闫卫平2 ，杨 飞1 ，谢路冰2
（ 1． 许昌学院电气信息工程学院，河南许昌 461000； 2． 大连理工大学电子科学与技术学院，辽宁大连 116024）
基于便携性、可靠 性 和 安 全 性 等 考 虑，设 计 采 用 集 成 高 压 模块组建毛细管电泳芯片高压电源系统。高压电源模块由 24 V 直流电源供电，输出电压范围为 0 ～ 5 000 V，输出电流为 0 ～ 0. 25 mA． 电压监测端与高压输出端比例关系为 1∶ 1 000，调节 端的输出电压范围为 0 ～ 5 V，即由低压调节端输出的 0 ～ 5 V 电压控制 0 ～ 5 000 V 的高压输出，且为线性对应关系。
为进一步减小体积和提高电压输出的稳定性，采用闭环系 统控制高压模块输出； 利用 ARM 微处理器丰富的 I / O 端口和 内置 ADC 等资源对稳压算法进行处理，更加及时地对高压模 块进行调整，使高压输出更加稳定； 使用继电器阵列实现电极 的自动切换，并在 LCD 上显示当前所处的工作阶段和电压值， 便于对检测过程进行实时监督。 1 高压电源在毛细管电泳芯片检测中的作用
中图分类号： TP273． 5
文献标识码： A
文章编号： 1002 － 1841（ 2013） 02 － 0083 － 04
Design of High Voltage Power Supply System for Capillary Electrophoresis Microchip
YANG Xiao-bo1 ，YAN Wei-ping2 ，YANG Fei1 ，XIE Lu-bing2 （ 1． College of Electrical and Information Engineering，Xuchang University，Xuchang 461000，China； 2． School of Electronic Science and Technology，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China）
同，因此它们到达 检 测 器 的 时 间 也 不 同，从 而 实 现 样 品 中 各 组 分的分离。传统“十字”通道毛细管电泳芯片的进样、分离过程 如图 1 所示。
图 1 “十字”通道毛细管电泳芯片进样和分离过程示意图
进样阶段，储液池 1、3、4 分别施加不同的电压，2 接地。1、 3、4 处的电势 U1 、U3 、U4 大于“十字”通道处的电势 Uj ，而 Uj 高 于 2 处的电势 U2 。由于通道内各处电势大小不同，电渗流的方 向如图 1（ a） 中箭头所示。样品溶液在“十字”通道交叉处被挤 压变细，最后流入储液池 2。进入分离阶段，由于电极的切换， 使得 U3 大于 Uj ，U1 、U2 小于 Uj ，而 Uj 大于 U4 ，此时通道中电渗 流的方向如图 1（ b） 所示。位于“十字”通道交叉口处的样品被 推入分离通道，同时将残存在进样通道的溶液挤向储液池 1 和 2，避免缓冲液再次流入分离通道造成背景噪声。
பைடு நூலகம்
Abstract： A high-voltage power supply system with the core STM32F103 microprocessor and three high-voltage modules was presented． The stability of high-voltage output was improved by adopting closed-loop feedback control． Electrodes switch were achieved by relay array which greatly reduced the human disturbance． The injection voltage and time can be set by keyboard as well as the separation voltage and time． LCD can show the real-time voltage value，and monitor the current detecting state． Three continuously tunable output voltages were obtained from 0 V to 5 000 V． The relative error of output voltages was less than 0. 3% and the maximum output current was 0. 25 mA． This system has the advantages of small size，steady output，higher automation which could meet the detection of capillary electrophoresis microchip． Key words： capillary electrophoresis microchip； STM32F103； high-voltage module； relay array
系统整体结构如图 2 所示。其中，STM32F103 微控制器是整 个系统的核心，它通过闭环系统对高压模块进行控制。放大滤波 电路对高压模块监测端的信号进行处理后将电压信号送到 ADC （ STM32F103 中内置） ，微处理器根据预设的电压值与输入 ADC 的 电压进行比较，处理后由 DAC 控制高压模块的输出电压。
摘要： 以 STM32F103 微控制器为核心，采用集成的高压模块，设计了用于毛细管电泳芯片检测的高压电源系统。通
过闭环反馈对高压模块的输出进行控制，提高了输出电压的稳定性。采用继电器阵列电路实现了电极的快速切换，减少
了人为因素的干预。用户可以通过键盘设置进样、分离过程中的电压和时间，通过 LCD 实时显示当前的电压值。实现了
由于高压模块是高频开关电源，而从监测端输出的电压是 通过内部的采样电阻得到的，因此不可避免地在电压中混杂有 高频的纹波，进而影响到监测端的电压输出。利用放大滤波电 路不但可以滤除 高 频 纹 波，还 可 以 实 现 电 平 范 围 变 换 的 功 能， 满足 ADC 在满量程范围内正常工作，保证 ADC 采样的精确度。
由 0 ～ 5 V 控制 0 ～ 5 000 V 的三路连续可调电压输出，输出电压相对误差小于 0. 3% ，最大输出电流为 0. 25 mA． 系统具有
体积小、输出电压稳定、自动化程度较高等优点，能够满足毛细管电泳芯片检测的需要。
关键词： 毛细管电泳芯片； STM32F103； 高压模块； 继电器阵列
在毛细管电泳芯 片 检 测 系 统 中，以 直 流 高 压 电 源 为 动 力， 进样和分离通道两端分别施加一定的电压产生电渗流。由于 样 品 溶 液 中 各 组 分 所 带 电 荷 及 质 量 的 不 同，其 移 动 速 度 也 不
基金项目： 河南省基础与前沿技术研究计划项目 收稿日期： 2012 － 03 － 05 收修改稿日期： 2012 － 12 － 01
由于高压电源系统的输出电压最高为5 000 V，最大输出电 流为 0. 25 mA，为安全起见，选用的参数要保留一定的余量。因 此，设计 采 用 GRL2412 型 高 压 干 簧 继 电 器。其 额 定 电 压 为 24 V，吸合上限和下限电压分别为 18 V、4 V，高压输出端的最 大电流为 10 A，崩溃电压为 15 kV． 由于 STM32 系列 MCU 的 GPIO 口的 VOH = 3. 3 V，所以不能驱动 GRL2412 的正常吸合。因 此采用 ULN2803 作为驱动芯片以增强 MCU 的 GPIO 驱动能力。
图 4 为数模转换电路原理图。由于 TLC5618A 的输出电压 与输 入 基 准 电 压 有 直 接 的 关 系，Vref 的 微 小 波 动 就 可 能 造 成 TLC5618A 输出的不稳定，进而使高压电源的输出产生大的波 动。因此 采 用 高 精 度、低 噪 声、低 温 漂 的 集 成 基 准 电 压 源 MC1403 作为 TLC5618A 的输入基准电压。C93 为 0. 1 μF 的钽 电容，目的是降低系统噪声对转换精度的影响。C33 、C73 为独石 旁路电容，用来滤除电源和地之间的高频干扰。 2． 4 继电器阵列电路
图 3 放大滤波电路原理图
2． 3 数模转换电路 数模转换电路用于控制高压模块的输出电压。通过数模
转换电路产生 0 ～ 5 V 的模拟输出电压来控制高压模块的调节 端，进而产生 0 ～ 5 000 V 线性的高压输出。数模转换电路的 ADC 采用 TLC5618A。它是一款可编程的带缓冲基准输入的双 路 12 位 CMOS 电压输出的 D / A 转换器。
在进行毛细管电泳芯片分析时，进样通道两端的储液池间 需要施加一定的电压，同时为了防止样品溶液向分离通道两端 扩散，还要在分离通道两端的储液池间施加一定的电压。当进 样过程完成以后，分离通道两端需要施加较高的电压以使样品 分离，同时进样通道的两端还需要保持一定的电压以限制样品 的进样量。因此，快 速、准 确 的 电 压 切 换 是 保 证 样 品 进 样 量 的 关键。为了提高电压切换的速度和自动化程度，采用继电器阵 列实现电极的切换。
基于实用性和复杂性两方面的考虑，设计出二阶巴特沃斯低 通滤波电路［5 －6］。图 3 为放大滤波电路原理图。滤波电路的前一 级是由运放 LM358 组成的缓冲器，监测端电压信号 Vdis经放大滤波
后送入微处理器内部的 ADC。电路的截止频率为 f0 = 1 kHz，通带 电压增益 A0 = 0 dB． 电解电容 C14 、C24 、C94 、C104 为电源滤波。
0 引言 毛细管电泳（ Capillary Electrophoresis，CE） 芯片是微流控系
统（ Microfluidic System） 的一个重要组成部分，具有成本低、样 品消耗量少、分析速度快、灵敏度高等优点［1 － 3］。它以微型毛 细管为分离通道，以 直 流 高 压 电 源 为 动 力，在 分 离 通 道 两 端 施 加电压，根据被测样品的特性 （ 电荷、质量、极性、亲和力大小 等） 不同来实现分离［4］。由于毛细管电泳芯片检测分析系统微 型化、集成化的需要，迫切需要体积小、功能稳定的高压直流电 源系统。
2． 1 ARM 芯片及其外围配置电路 设计采用 STM32F103 微处理器作为整个系统的核心。它
是 STM32 系列中的一款 MCU，其内部拥有一个嵌入式的 ARM CortexTM － M3 内核，与所有的 ARM 开发工具及软件兼容。其 外围配置电路 主 要 包 括 电 源 管 理、启 动 配 置、时 钟 产 生、JTAG 硬件调试和硬件复位电路等。
84
Instrument Technique and Sensor
Feb. 2013
由上述过程可以看出，电泳进样和分离过程中各储液池的 电压值及其切换速度是整个毛细管电泳芯片分析、检测中的关 键因素。因此，提供动力的高压电源在毛细管电泳芯片检测系 统中具有举足轻重的作用。 2 控制系统硬件电路设计
微处理器正常的工作电压是 3. 3 V，通常外接的电源电压 是 5 V，因此设计采用 AMS1117 电压转换芯片将 5 V（ VCC） 转 换为 3. 3 V（ VDD） 。另外，STM32F103 具有 2 个时钟产生电路： 1 个 8 MHz 的晶振作为 MCU 的时钟源； 另一个 32 kHz 的晶振 作为 RTC 的时钟源。通过 JTAG 调试电路不仅可以将代码烧 写至芯片的 FLASH 中，还可以为程序的进一步调试创造条件。 2． 2 采样及放大滤波电路
2013 年 第2 期
仪表技术与传感器
Instrument Technique and Sensor
2013 No. 2
毛细管电泳芯片高压电源系统
杨晓博1 ，闫卫平2 ，杨 飞1 ，谢路冰2
（ 1． 许昌学院电气信息工程学院，河南许昌 461000； 2． 大连理工大学电子科学与技术学院，辽宁大连 116024）
基于便携性、可靠 性 和 安 全 性 等 考 虑，设 计 采 用 集 成 高 压 模块组建毛细管电泳芯片高压电源系统。高压电源模块由 24 V 直流电源供电，输出电压范围为 0 ～ 5 000 V，输出电流为 0 ～ 0. 25 mA． 电压监测端与高压输出端比例关系为 1∶ 1 000，调节 端的输出电压范围为 0 ～ 5 V，即由低压调节端输出的 0 ～ 5 V 电压控制 0 ～ 5 000 V 的高压输出，且为线性对应关系。
为进一步减小体积和提高电压输出的稳定性，采用闭环系 统控制高压模块输出； 利用 ARM 微处理器丰富的 I / O 端口和 内置 ADC 等资源对稳压算法进行处理，更加及时地对高压模 块进行调整，使高压输出更加稳定； 使用继电器阵列实现电极 的自动切换，并在 LCD 上显示当前所处的工作阶段和电压值， 便于对检测过程进行实时监督。 1 高压电源在毛细管电泳芯片检测中的作用
中图分类号： TP273． 5
文献标识码： A
文章编号： 1002 － 1841（ 2013） 02 － 0083 － 04
Design of High Voltage Power Supply System for Capillary Electrophoresis Microchip
YANG Xiao-bo1 ，YAN Wei-ping2 ，YANG Fei1 ，XIE Lu-bing2 （ 1． College of Electrical and Information Engineering，Xuchang University，Xuchang 461000，China； 2． School of Electronic Science and Technology，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China）
同，因此它们到达 检 测 器 的 时 间 也 不 同，从 而 实 现 样 品 中 各 组 分的分离。传统“十字”通道毛细管电泳芯片的进样、分离过程 如图 1 所示。
图 1 “十字”通道毛细管电泳芯片进样和分离过程示意图
进样阶段，储液池 1、3、4 分别施加不同的电压，2 接地。1、 3、4 处的电势 U1 、U3 、U4 大于“十字”通道处的电势 Uj ，而 Uj 高 于 2 处的电势 U2 。由于通道内各处电势大小不同，电渗流的方 向如图 1（ a） 中箭头所示。样品溶液在“十字”通道交叉处被挤 压变细，最后流入储液池 2。进入分离阶段，由于电极的切换， 使得 U3 大于 Uj ，U1 、U2 小于 Uj ，而 Uj 大于 U4 ，此时通道中电渗 流的方向如图 1（ b） 所示。位于“十字”通道交叉口处的样品被 推入分离通道，同时将残存在进样通道的溶液挤向储液池 1 和 2，避免缓冲液再次流入分离通道造成背景噪声。
பைடு நூலகம்
Abstract： A high-voltage power supply system with the core STM32F103 microprocessor and three high-voltage modules was presented． The stability of high-voltage output was improved by adopting closed-loop feedback control． Electrodes switch were achieved by relay array which greatly reduced the human disturbance． The injection voltage and time can be set by keyboard as well as the separation voltage and time． LCD can show the real-time voltage value，and monitor the current detecting state． Three continuously tunable output voltages were obtained from 0 V to 5 000 V． The relative error of output voltages was less than 0. 3% and the maximum output current was 0. 25 mA． This system has the advantages of small size，steady output，higher automation which could meet the detection of capillary electrophoresis microchip． Key words： capillary electrophoresis microchip； STM32F103； high-voltage module； relay array
系统整体结构如图 2 所示。其中，STM32F103 微控制器是整 个系统的核心，它通过闭环系统对高压模块进行控制。放大滤波 电路对高压模块监测端的信号进行处理后将电压信号送到 ADC （ STM32F103 中内置） ，微处理器根据预设的电压值与输入 ADC 的 电压进行比较，处理后由 DAC 控制高压模块的输出电压。
摘要： 以 STM32F103 微控制器为核心，采用集成的高压模块，设计了用于毛细管电泳芯片检测的高压电源系统。通
过闭环反馈对高压模块的输出进行控制，提高了输出电压的稳定性。采用继电器阵列电路实现了电极的快速切换，减少
了人为因素的干预。用户可以通过键盘设置进样、分离过程中的电压和时间，通过 LCD 实时显示当前的电压值。实现了
由于高压模块是高频开关电源，而从监测端输出的电压是 通过内部的采样电阻得到的，因此不可避免地在电压中混杂有 高频的纹波，进而影响到监测端的电压输出。利用放大滤波电 路不但可以滤除 高 频 纹 波，还 可 以 实 现 电 平 范 围 变 换 的 功 能， 满足 ADC 在满量程范围内正常工作，保证 ADC 采样的精确度。
由 0 ～ 5 V 控制 0 ～ 5 000 V 的三路连续可调电压输出，输出电压相对误差小于 0. 3% ，最大输出电流为 0. 25 mA． 系统具有
体积小、输出电压稳定、自动化程度较高等优点，能够满足毛细管电泳芯片检测的需要。
关键词： 毛细管电泳芯片； STM32F103； 高压模块； 继电器阵列
在毛细管电泳芯 片 检 测 系 统 中，以 直 流 高 压 电 源 为 动 力， 进样和分离通道两端分别施加一定的电压产生电渗流。由于 样 品 溶 液 中 各 组 分 所 带 电 荷 及 质 量 的 不 同，其 移 动 速 度 也 不
基金项目： 河南省基础与前沿技术研究计划项目 收稿日期： 2012 － 03 － 05 收修改稿日期： 2012 － 12 － 01
由于高压电源系统的输出电压最高为5 000 V，最大输出电 流为 0. 25 mA，为安全起见，选用的参数要保留一定的余量。因 此，设计 采 用 GRL2412 型 高 压 干 簧 继 电 器。其 额 定 电 压 为 24 V，吸合上限和下限电压分别为 18 V、4 V，高压输出端的最 大电流为 10 A，崩溃电压为 15 kV． 由于 STM32 系列 MCU 的 GPIO 口的 VOH = 3. 3 V，所以不能驱动 GRL2412 的正常吸合。因 此采用 ULN2803 作为驱动芯片以增强 MCU 的 GPIO 驱动能力。
图 4 为数模转换电路原理图。由于 TLC5618A 的输出电压 与输 入 基 准 电 压 有 直 接 的 关 系，Vref 的 微 小 波 动 就 可 能 造 成 TLC5618A 输出的不稳定，进而使高压电源的输出产生大的波 动。因此 采 用 高 精 度、低 噪 声、低 温 漂 的 集 成 基 准 电 压 源 MC1403 作为 TLC5618A 的输入基准电压。C93 为 0. 1 μF 的钽 电容，目的是降低系统噪声对转换精度的影响。C33 、C73 为独石 旁路电容，用来滤除电源和地之间的高频干扰。 2． 4 继电器阵列电路
图 3 放大滤波电路原理图
2． 3 数模转换电路 数模转换电路用于控制高压模块的输出电压。通过数模
转换电路产生 0 ～ 5 V 的模拟输出电压来控制高压模块的调节 端，进而产生 0 ～ 5 000 V 线性的高压输出。数模转换电路的 ADC 采用 TLC5618A。它是一款可编程的带缓冲基准输入的双 路 12 位 CMOS 电压输出的 D / A 转换器。
在进行毛细管电泳芯片分析时，进样通道两端的储液池间 需要施加一定的电压，同时为了防止样品溶液向分离通道两端 扩散，还要在分离通道两端的储液池间施加一定的电压。当进 样过程完成以后，分离通道两端需要施加较高的电压以使样品 分离，同时进样通道的两端还需要保持一定的电压以限制样品 的进样量。因此，快 速、准 确 的 电 压 切 换 是 保 证 样 品 进 样 量 的 关键。为了提高电压切换的速度和自动化程度，采用继电器阵 列实现电极的切换。
基于实用性和复杂性两方面的考虑，设计出二阶巴特沃斯低 通滤波电路［5 －6］。图 3 为放大滤波电路原理图。滤波电路的前一 级是由运放 LM358 组成的缓冲器，监测端电压信号 Vdis经放大滤波
后送入微处理器内部的 ADC。电路的截止频率为 f0 = 1 kHz，通带 电压增益 A0 = 0 dB． 电解电容 C14 、C24 、C94 、C104 为电源滤波。
0 引言 毛细管电泳（ Capillary Electrophoresis，CE） 芯片是微流控系
统（ Microfluidic System） 的一个重要组成部分，具有成本低、样 品消耗量少、分析速度快、灵敏度高等优点［1 － 3］。它以微型毛 细管为分离通道，以 直 流 高 压 电 源 为 动 力，在 分 离 通 道 两 端 施 加电压，根据被测样品的特性 （ 电荷、质量、极性、亲和力大小 等） 不同来实现分离［4］。由于毛细管电泳芯片检测分析系统微 型化、集成化的需要，迫切需要体积小、功能稳定的高压直流电 源系统。