器官芯片培养系统的多通道温度控制系统、方法及介质

1.本发明涉及器官芯片培养技术领域，特别涉及器官芯片培养系统的多通道温度控制系统、方法及介质。


背景技术：

2.微流控器官芯片简称为器官芯片。器官芯片是一种多通道，包含有可连续灌流腔室的三维细胞培养装置。器官芯片由两大部分组成，一是本体，由相应的细胞按实体器官中的比例和顺序搭建；二是微环境，包括器官芯片周边的其它细胞，分泌物和物理力。器官芯片是人工器官的一种类型。
3.器官芯片是芯片实验室技术的发展和细胞生物学紧密结合的结果，这种结合使人们有可能在特定器官的背景下研究人类生理学过程，并因此引入了一种新的体外多细胞人类有机体模型。
4.器官芯片培养对培养室内的温度要求很高，要长时间连续培养才能保持活性，温度控制不能中断，否则温度过高或过低，会导致细胞无法存活。
5.目前，器官芯片培养系统中采用单通道温度控制器，一个微控制器控制一路温度采集和加热通道，当需要进行多路温度控制时，需要多个控制接口或总线节点，也就是使用一个微控制器控制多路温度采集和加热通道，硬件接口复杂，同时成本较高。当微控制器出现异常时，每个温控通道均不能正常工作，对系统产生很大影响。因此，急需一种器官芯片培养系统的多通道温度控制系统及方法，在温度控制器异常、电源故障、加热器和传感器故障等情况下，能够持续提供温度控制功能，提高温度控制器的可靠性，保障系统正常运行。


技术实现要素：

6.为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，本发明的第一目的是提供器官芯片培养系统的多通道温度控制系统，包括电源模块、工控主板、第一开关、第二开关、第一温度控制器、第二温度控制器；所述电源模块与所述工控主板、所述第一开关、所述第二开关连接，所述第一开关与所述第一温度控制器连接，所述第二开关与所述第二温度控制器连接，所述工控主板与所述第一开关、所述第二开关连接，所述第一温度控制器、所述第二温度控制器与所述工控主板连接；所述电源模块用于为所述工控主板、所述第一温度控制器、所述第二温度控制器供电；所述工控主板用于控制所述第一温度控制器、所述第二温度控制器的切换；所述第一温度控制器、所述第二温度控制器均用于为器官芯片培养系统提供多通道温度采集和加热功能。
7.进一步地，所述第一温度控制器、所述第二温度控制器均包括降压稳压器、微控制器、多个温度采集电路、多个加热电路，所述电源模块与所述降压稳压器连接，所述降压稳压器与所述微控制器连接，所述微控制器与所述温度采集电路、所述加热电路连接。
8.进一步地，所述第一温度控制器、所述第二温度控制器均还包括多个可调温度开关、电源开关，所述电源模块与可调温度开关连接，所述可调温度开关经所述电源开关与所述加热电路连接。
9.进一步地，所述温度采集电路包括温度传感器，所述温度传感器与所述微控制器连接。
10.进一步地，所述温度采集电路还包括共模/差模滤波器，所述温度传感器经所述共模/差模滤波器与所述微控制器连接。
11.进一步地，所述加热电路包括功率放大器、发热元件，所述微控制器经所述功率放大器与所述发热元件连接。
12.进一步地，所述加热电路还包括数字隔离器，所述微控制器经所述数字隔离器与所述功率放大器连接。
13.进一步地，所述电源模块包括第一开关电源模块和第二开关电源模块，所述第一开关电源模块的交流接线端、所述第二开关电源模块的交流接线端均与交流电源输入接口连接，所述第一开关电源模块的信号回路引脚与所述第二开关电源模块的信号回路引脚，所述第一开关电源模块的工作状态引脚与所述第二开关电源模块的控制开关引脚连接，所述第一开关电源模块的负输出引脚与所述第一开关电源模块的负输出引脚连接，所述第一开关电源模块的正输出引脚与第一肖特基二极管的正极连接，所述第二开关电源模块的正输出引脚与第二肖特基二极管的正极连接，所述第一肖特基二极管的负极、所述第二肖特基二极管的负极与输出端连接。
14.进一步地，所述可调温度开关包括桥式电路、滤波电路、放大电路和比较电路，所述桥式电路、所述滤波电路、所述放大电路和所述比较电路依次连接；所述桥式电路包括第一电阻、第二电阻、温度传感器、第三电阻、第四电阻、第五电阻，所述桥式电路的上臂分别为所述第一电阻和所述第二电阻，所述桥式电路的下臂分别为所述温度传感器和所述第三电阻与所述第四电阻并联后与所述第五电阻串联的等效电阻，所述第一电阻与所述温度传感器串联，所述第二电阻与所述等效电阻串联；所述滤波电路包括第六电阻、第一电容、第二电容、第七电阻和第三电容，所述第六电阻、所述第一电容、所述第二电容、所述第七电阻依次串联，所述第三电容并联在所述第一电容与所述第二电容串联支路的两端，所述第六电阻接在所述第一电阻与所述温度传感器的连接处，所述第七电阻接在所述第二电阻与所述等效电阻的连接处；所述放大电路包括仪表放大器，所述第六电阻与所述仪表放大器的正输入端连接，所述第七电阻与所述仪表放大器的负输入端连接；所述比较电路包括漏极开路输出比较器，所述仪表放大器的输出端与所述漏极开路输出比较器的反相输入端连接，所述漏极开路输出比较器的同相输入端连接参考电压，所述漏极开路输出比较器的输出端与所述电源开关连接。
15.进一步地，所述电源开关包括电源保护控制器、场效应晶体管、光电耦合器，所述电源保护控制器的输入端、所述光电耦合器的集电极、所述场效应晶体管的漏极与所述电源模块的输出端连接，所述电源保护控制器的驱动引脚与所述场效应晶体管的栅极连接，所述场效应晶体管的源极、所述电源保护控制器的输出端与所述加热电路连接，所述电源保护控制器的关断控制信号引脚与所述光电耦合器的发射极连接，所述光电耦合器的阳极
与所述漏极开路输出比较器的输出端连接。
16.本发明的第二目的是提供器官芯片培养系统的多通道温度控制系统的控制方法，包括以下步骤：判断工控主板接收到第一温度控制器上传数据是否超时；若超时，则判断重试次数是否达到设定值；若重试次数未达到设定值，则将重试次数加1，并且重启第一温度控制器；若重试次数达到设定值，则关闭第一温度控制器的电源，打开第二温度控制器的电源，启动第二温度控制器；若未超时，则判断工控主板是否接收到第一温度控制器上传的数据；若未收到第一温度控制器上传的数据，则跳转至所述判断工控主板接收到第一温度控制器上传数据是否超时步骤；若收到第一温度控制器上传的数据，则对第一计时器清零，开始解析数据若接收到的数据为故障码，则跳转至所述判断重试次数是否达到设定值步骤；若接收到的数据为温度值，则判断温度值是否超过设定温度值上限；若温度值超过设定温度值上限，则跳转至所述判断重试次数是否达到设定值步骤；若温度值未超过设定温度值上限，则判断温度值是否低于设定温度值下限；若温度值不低于设定温度值下限，则跳转至所述判断工控主板接收到第一温度控制器上传数据是否超时步骤；若温度值低于设定温度值下限，则跳转至所述判断重试次数是否达到设定值步骤。
17.进一步地，还包括以下步骤：若温度值不低于设定温度值下限，则表示温度值在设定温度范围内，关闭第二计时器，并跳转至所述判断工控主板接收到第一温度控制器上传数据是否超时步骤；其中，所述第二计时器用于记录温度控制器的温度值上升至设定温度值的等待时间；若温度值低于设定温度值下限，则判断第二计时器是否超时；若第二计时器未超时，则跳转至所述判断工控主板接收到第一温度控制器上传数据是否超时步骤；若第二计时器超时，则跳转至所述判断重试次数是否达到设定值步骤。
18.本发明的第三目的是提供一种计算机可读存储介质，其上存储有程序指令，所述程序指令被执行时实现器官芯片培养系统的多通道温度控制系统的控制方法。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供了器官芯片培养系统的多通道温度控制系统及其控制方法、介质，集成了多通道温度控制，能够实现在温度控制系统中多个环节出现故障或异常时，如温度控制器异常、电源故障、加热器和传感器故障等，通过切换至备份温度控制器或备份电源，均能保证温度控制系统正常工作，持续提供稳定的温度控制功能，提高温度控制器的可靠性，保障系统正常运行，延长系统连续运行时间，为器官芯片培养系统提供可靠的培养环境。
20.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
21.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1为实施例1的器官芯片培养系统的多通道温度控制系统原理图；图2为实施例1的温度控制器原理图；图3为实施例1的电源模块电路图；图4为实施例1的可调温度开关电路图；图5为实施例1的电源开关电路图；图6为实施例2的器官芯片培养系统的多通道温度控制系统的控制方法流程图；图7为实施例3的计算机可读存储介质示意图。
具体实施方式
22.下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
23.实施例1器官芯片培养系统的多通道温度控制系统，如图1所示，包括电源模块、工控主板、第一开关sw1、第二开关sw2、第一温度控制器、第二温度控制器；电源模块与工控主板、第一开关、第二开关连接，第一开关与第一温度控制器连接，第二开关与第二温度控制器连接，工控主板的通用输入输出口（gpio端口）与第一开关、第二开关连接，即第一开关、第二开关受工控主板上的gpio端口控制，第一温度控制器通过数据线1与工控主板连接，第二温度控制器通过数据线2与工控主板连接，工控主板通过数据线1和数据线2与第一温度控制器和第二温度控制器进行实时交互。
24.电源模块用于为工控主板、第一温度控制器、第二温度控制器供电；工控主板用于控制第一温度控制器、第二温度控制器的切换；第一温度控制器、第二温度控制器均用于为器官芯片培养系统提供多通道温度采集和加热功能。
25.如图2所示，第一温度控制器、第二温度控制器均包括降压稳压器、微控制器、多个温度采集电路、多个加热电路。图2中，温度控制器的通道数为4，即温度控制器有4路温度采集电路和4路加热电路。应当理解的是，本实施例不对温度控制器的通道数量做具体限定，可以根据实际需求进行合理设计。电源模块的电源输入接口与降压稳压器连接，降压稳压器将24v直流电压转换为3.3v直流电压，降压稳压器与微控制器连接，为微控制器提供电源，微控制器与温度采集电路、加热电路连接。
26.温度采集电路包括温度传感器，温度传感器与微控制器连接。
27.为了滤除噪声干扰等信号，温度采集电路还包括共模/差模滤波器，温度传感器经共模/差模滤波器与微控制器连接。温度传感器信号经过共模/差模滤波器滤除噪声干扰等信号后，将信号传输给微控制器，微控制器可以选用aducm360bcpz128/aducm361bcpz128芯
片，这些芯片内部集成高精度模数转换器，将温度传感器信号转换为数字信号。
28.加热电路包括功率放大器、发热元件，微控制器经功率放大器与发热元件连接。
29.为了将大功率器件与温度采集电路和微控制器的控制信号隔离开，避免温度采集电路和微控制器的控制信号受到大功率器件的干扰。加热电路还包括数字隔离器，微控制器经数字隔离器与功率放大器连接。微控制器输出脉宽调制信号，微控制器通过改变脉宽调制信号的占空比来调节发热元件的加热功率。
30.第一温度控制器、第二温度控制器均还包括多个可调温度开关、电源开关，电源模块与可调温度开关连接，可调温度开关经电源开关与加热电路连接。电源开关受可调温度开关控制，可调温度开关安装在温度传感器附近的位置，可与温度传感器同时测量待控温位置的温度，当待测位置温度超过可调温度开关设定的阈值时，可调温度开关的输出发生变化，将电源开关sw3关闭，切断加热电路的电源，使温度不能继续上升，从而保护待控温装置不会过温损坏。
31.如图3所示，电源模块包括第一开关电源模块u2和第二开关电源模块u3，第一开关电源模块的交流接线端、第二开关电源模块的交流接线端均与交流电源输入接口连接，图3中u1为220v交流电源输入接口，220v交流电源输入接口u1的1号引脚分别连接至第一开关电源模块u2的ac/l引脚和第二开关电源模块u3的ac/l引脚，220v交流电源输入接口u1的2号引脚分别连接至第一开关电源模块u2的pe引脚和第二开关电源模块u3的pe引脚, 220v交流电源输入接口u1的3号引脚分别连接至第一开关电源模块u2的ac/n引脚和第二开关电源模块u3的ac/n引脚,开关电源型号可以为racm1200-24sav/enc,或者具有故障输出信号和远程开关信号的其他型号。本实施例中，u2为主电源，u3为备用电源。第一开关电源模块的信号回路引脚（signal rtn引脚）与第二开关电源模块的信号回路引脚（signal rtn引脚），第一开关电源模块的工作状态引脚（psu_good引脚）与第二开关电源模块的控制开关引脚（remote on/off引脚）连接，第一开关电源模块的负输出引脚（vout-引脚）与第一开关电源模块的负输出引脚（vout-引脚）连接，第一开关电源模块的正输出引脚（vout+引脚）与第一肖特基二极管d1的正极连接，第二开关电源模块的正输出引脚（vout+引脚）与第二肖特基二极管d2的正极连接，第一肖特基二极管d1的负极、第二肖特基二极管d2的负极与输出端vout连接。肖特基二极管d1和d2的作用是防止开关电源模块u2和u3的输出互相影响。
32.当第一开关电源模块u2正常工作时，第一开关电源模块u2的psu_good引脚输出低电平信号，使第二开关电源模块u3的输出处于关闭状态；当第一开关电源模块u2出现异常时，第一开关电源模块u2的psu_good引脚输出浮空电平信号，使第二开关电源模块u3的输出处于打开状态，实现主电源和备用电源的切换。
33.如图4所示，可调温度开关包括桥式电路、滤波电路、放大电路和比较电路，桥式电路、滤波电路、放大电路和比较电路依次连接；桥式电路包括第一电阻r2、第二电阻r3、温度传感器r9、第三电阻r6、第四电阻r7、第五电阻r12，桥式电路的上臂分别为第一电阻和第二电阻，电源vdd经电阻r1与第一电阻r2连接，第二电阻r3经电容c1接地，桥式电路的下臂分别为温度传感器和第三电阻与第四电阻并联后与第五电阻串联的等效电阻，第一电阻与温度传感器串联，第二电阻与等效电阻串联，温度传感器r9经电阻r16接地；滤波电路包括第六电阻r4、第一电容c2、第二电容c4、第七电阻r10和第三电容c3，
r4、c2、r10、c4、c3组成共模和差模滤波器，第六电阻、第一电容、第二电容、第七电阻依次串联，第三电容并联在第一电容与第二电容串联支路的两端，第一电容与第二电容的连接处接地，第六电阻接在第一电阻与温度传感器的连接处，第七电阻接在第二电阻与等效电阻的连接处；放大电路包括仪表放大器u1及其外围电路，第六电阻与仪表放大器的正输入端vip+连接，第七电阻与仪表放大器的负输入端vim-连接，仪表放大器u1的vdd端、en端接电源vdd，仪表放大器u1的vss端接地，仪表放大器u1的vref端经电容c6、电阻r14接地，电容c6与电阻r14并联，仪表放大器u1的vref端经电阻r15与电源vdd连接，仪表放大器u1的vref端经电阻r13、电阻r8与仪表放大器u1的输出端vout连接，仪表放大器u1的vfg端经电阻r8与仪表放大器u1的输出端vout连接；u1可选用mcp6n16芯片；采用单电源供电，为仪表放大器提供接近电源一半的参考电压，增加其输出的动态范围，放大倍数g=1+r8/r13；比较电路包括漏极开路输出比较器u2，仪表放大器的输出端vout连接至由r5和c5组成的低通滤波器后，与漏极开路输出比较器的反相输入端连接，漏极开路输出比较器的同相输入端经电阻r18连接给定参考电压vdd，漏极开路输出比较器的同相输入端经电容c7、电阻r17接地，电容c7与电阻r17并联，漏极开路输出比较器的同相输入端经电阻r11与漏极开路输出比较器的输出端output连接，漏极开路输出比较器的5号引脚与电源vdd连接，漏极开路输出比较器的2号引脚接地，漏极开路输出比较器的输出端output与电源开关连接。漏极开路输出比较器可选用型号为tlv7041的芯片。
34.可调温度开关与温度控制器的通道数相对应，由图2可知，可调温度开关由四组可调温度开关电路并联使用，共同控制电源开关sw3。可调温度开关的阈值由电阻r6、r7和r12设定，当温度传感器r9阻值低于设定阈值时，桥式电路输出为负电压，经过滤波电路和放大电路后，输出值低于仪表放大器的参考电压，比较电路的参考电压由四组可调温度开关并联后，等于仪表放大器的参考电压，此时比较器的输出为浮空输出，与后级电路输出相同；当温度传感器r9阻值高于设定阈值时，桥式电路输出为正电压，经过滤波电路和放大电路后，输出值高于仪表放大器的参考电压，此时比较器的输出为低电平，因此可以判断待测温度是否超过设定值。
35.比较电路的参考电压与放大电路的参考电压是相互独立的，且与比较器的输出相关，当四组可调温度开关并联，且输出端上拉电阻为47k欧姆时，参考电压的上限为0.5vdd，下限为0.2vdd，当温度传感器阻值在设定阈值附近时，可以避免比较器输出出现颤振的情况。
36.如图5所示，电源开关包括电源保护控制器u3、场效应晶体管q1、光电耦合器u4，电源保护控制器可以选用ltc4367芯片。电源保护控制器的输入端vin、光电耦合器的集电极、场效应晶体管的漏极与电源模块的输出端vout连接，电源模块的输出端vout经电阻r19与电源保护控制器u3的uv端连接，电源保护控制器u3的ov端经电阻r21接地，电源保护控制器u3的uv端和ov端之间并联有电阻r22，电源保护控制器u3的gnd端接地，电源保护控制器的驱动引脚gate与场效应晶体管的栅极连接，场效应晶体管的源极、电源保护控制器的输出端vout与加热电路连接，电源保护控制器的关断控制信号引脚（shdn_n引脚）经电阻r24与光电耦合器的发射极（引脚3）连接，光电耦合器的发射极（引脚3）经电阻r23接地，光电耦合器的阳极（引脚1）与漏极开路输出比较器的输出端output连接，光电耦合器的阳极（引脚1）
经电阻r20与电源vdd连接，光电耦合器的阴极（引脚2）接地。
37.当可调温度开关输出为浮空状态时，光电耦合器的引脚3输出高电平，电源保护控制器ltc4367控制场效应晶体管q1处于导通状态，为加热电路提供电源；当可调温度开关输出为低电平时，光电耦合器的引脚3输出低电平，电源保护控制器ltc4367控制场效应晶体管q1处于关闭状态，切断加热电路的电源，因此可以实现当温度超过设定阈值时，切断加热电路的电源，防止加热器持续加热。
38.当输入电压vout降低至欠压阈值uv时，电源保护控制器u3控制场效应晶体管q1处于关闭状态，切断加热电路的电源，欠压阈值uv由电阻r19、r21、r22共同确定，uv=0.5*(r19+r21+r22)/(r21+r22)。
39.当主电源切换为备用电源时，系统电压会有个下降的过程，当下降至欠压阈值时，加热器的电源开关关闭，减少电能消耗，减缓系统电压下降的速度，保证工控主板持续不掉电工作。
40.实施例2实施例1的器官芯片培养系统的多通道温度控制系统的控制方法，关于系统的详细描述，可以参照上述系统实施例中的对应描述，在此不再赘述。控制方法如图6所示，包括以下步骤：首先打开第一温度控制器的电源，启动第一温度控制器，同时启动计时器1和计时器2。其中，计时器1用于记录工控主板接收到第一温度控制器上传数据的时间。由于将器官芯片培养系统的多通道温度控制系统设定了温度控制的目标值后，需要等待一定时间才能从室温升高至设定温度。计时器2（也就是第二计时器）用于记录第一温度控制器的温度值上升至设定温度值的等待时间，从而持续提供稳定的温度控制功能，延长系统连续运行时间，为器官芯片培养系统提供可靠的培养环境。
41.判断工控主板接收到第一温度控制器上传数据是否超时；若超时，则判断重试次数是否达到设定值；若重试次数未达到设定值，则将重试次数加1，并且重启第一温度控制器；若重试次数达到设定值，则关闭第一温度控制器的电源，打开第二温度控制器的电源，启动第二温度控制器；若未超时，则判断工控主板是否接收到第一温度控制器上传的数据；若未收到第一温度控制器上传的数据，则跳转至判断工控主板接收到第一温度控制器上传数据是否超时步骤，也就是再次判断计时器1是否超时；若收到第一温度控制器上传的数据，则对第一计时器清零，开始解析数据若接收到的数据为故障码，则跳转至判断重试次数是否达到设定值步骤，即再进行重试次数判断；若接收到的数据为温度值，则判断温度值是否超过设定温度值上限；若温度值超过设定温度值上限，则跳转至判断重试次数是否达到设定值步骤，即再进行重试次数判断；若温度值未超过设定温度值上限，则判断温度值是否低于设定温度值下限；若温度值不低于设定温度值下限，则表示温度值在设定温度范围内，关闭第二计时器，并跳转至判断工控主板接收到第一温度控制器上传数据是否超时步骤，也就是再次
判断计时器1是否超时；若温度值低于设定温度值下限，则判断第二计时器是否超时；若第二计时器未超时，则跳转至判断工控主板接收到第一温度控制器上传数据是否超时步骤，也就是再次判断计时器1是否超时；若第二计时器超时，则跳转至判断重试次数是否达到设定值步骤，即再进行重试次数判断。
42.实施例3一种计算机可读存储介质，如图7所示，其上存储有程序指令，程序指令被执行时实现的器官芯片培养系统的多通道温度控制系统的控制方法。关于方法的详细描述，可以参照上述方法实施例中的对应描述，在此不再赘述。
43.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
44.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
45.以上仅为本说明书实施例而已，并不用于限制本说明书一个或多个实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书一个或多个实施例可以有各种更改和变换。凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例的权利要求范围之内。本说明书一个或多个实施例本说明书一个或多个实施例本说明书一个或多个实施例本说明书一个或多个实施例。