高通量菌落优选仪控制与软件开发

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3.0 侯斌 2024-11-19 5 4 2.29MB 63 页 15积分

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摘

要

随着现代医学的发展，生物医药技术产品在医疗卫生中发挥着日益重要的作

用，而在对菌落筛选的环节上，人工手动筛选已经难以满足相关产业的要求。研

发具有自主知识产权的高通量菌落优选仪成为十分迫切的需求。

本课题设计的高通量菌落优选仪采用了封闭式的洁净操作环境，内部温度、

湿度、气压保持恒定，并装有紫外灭菌灯，杜绝微生物污染。设计了自上而下的

控制系统，吊装导轨、固定基座底板、电控箱等结构。课题设计了集通信和硬件

控制功能于一身的可编程逻辑控制器。搭载了由两种均匀照明光源和高分辨率

CMOS 相机组成的光学图像采集机构。

高通量菌落优选仪的控制，主要是围绕快速挑选机构展开，该机构包括伺服

电缸和气动探针两种组件。针对伺服电缸的控制采取脉冲控制方式，将 PLC 产生

的PWM 波形信号和其他辅助控制信号接入伺服控制器，以此为基础，提出了变

频脉冲速度控制和伺服速度一阶滤波两种速度控制方法。针对气动探针的控制主

要通过电磁阀对气流通断的调节实现，集成气动探针模块采取横向扩展和矩阵选

通控制方式。

上位机监控软件的开发分为人机界面、图像处理模块、挑选动作模块和数据

管理四部分。人机界面设计提供设置选项和图形监控窗口，图像处理模块负责对

采集图像进行预处理、分割、特征值提取和筛选，以及坐标标定校准工作，挑选

动作模块以动作指令通信协议为依据，规范化命令参数数据，解析状态反馈，确

保挑选动作有条不紊地进行，数据管理模块通过数据库和 ADO.NET 组件实现了

管理优选操作数据的功能。

关键词：菌落筛选

运动控制

软件设计

ABSTRACT

With the development of the modern medicine, production of the biomedical

technology takes an increasingly significant role in human health care. But in the

process of colony screening, the method of artificial selection can hardly meet the

industry demand. It is urgent to research and develop the high-throughput colony

picking instrument with independent intellectual property rights.

The high-throughput colony picking instrument which the task has designed has

an enclosed clean operating room with constant temperature and humidity. The UV

lamp can prevent the biological pollution properly. The modules designed inside the

instrument contain top-down control system, lifting rails, baseboard with guide

pedestals and electric cabinet. Besides, there is a programmable logic controller

involves the communication as well as hardware control functions, and an optical

image module contains double kinds of uniform lighting sources and a high resolution

CMOS camera.

Control of the high-throughput colony picking instrument revolves the quick-

selecting module. The quick-selecting module includes two parts, the servo electric

cylinder and the pneumatic probes. To control the servo electric cylinder an impulse

control method has been adopted, by means of bringing the PWM waves from the PLC

and other auxiliary signals access to the servo controller. Based on the method, two

speed control ways has been presented. To control the pneumatic probes, a set of

electromagnetic valves are used to adjust the air flow. The pneumatic probe set has been

designed to be horizontal scalability, and it is controlled by matrix.

The research and development of monitor control software include works among

four parts, the human computer interface, the image processing module, the motion

control module and the data management. The interface of the software presents kinds

of settings and visual monitor window. The image processing module is responsible for

image preprocessing, segmentation, feature extraction and sifting, as well as the

coordinate calibration work. Based on the communication protocol, the motion control

module which works on standardization command parameter data and analytic state

feedback, optimize the select action in an orderly way. The data management mainly

contains database and ADO.NET, realized the function of management optimization

operation data.

III

Key words: colony screening, motion control, software design

目

录

摘

要

ABSTRACT

第一章绪论 .................................................................................................................... 1

1.1课题来源 ............................................................................................................. 1

1.2 课题背景 ............................................................................................................ 1

1.3菌落挑选仪研究现状 ......................................................................................... 2

1.4课题的研究意义和内容 ..................................................................................... 4

第二章高通量菌落优选仪设备介绍 ............................................................................. 5

2.1高通量菌落优选仪控制系统 ............................................................................. 5

2.2高通量菌落优选仪机械结构 ............................................................................. 6

2.3硬件控制核心PLC设计 ...................................................................................... 8

2.4 光学图像采集机构 ............................................................................................ 9

2.4.1均匀照明光源 .......................................................................................... 9

2.4.2工业CMOS相机 ...................................................................................... 11

第三章快速挑选机构的控制 ...................................................................................... 12

3.1 挑选动作控制的需求分析 .............................................................................. 12

3.2 快速挑选机构组成部件概述 .......................................................................... 12

3.2.1伺服电缸 ................................................................................................ 12

3.2.2 气动探针 ............................................................................................... 13

3.3 伺服电缸控制的实现 ...................................................................................... 14

3.3.1伺服电缸的脉冲控制方式 .................................................................... 15

3.3.2伺服电机信号接入电路的设计 ............................................................ 17

3.3.3电机速度控制 ........................................................................................ 19

3.4 气动探针部件控制的实现 .............................................................................. 25

3.4.1 进气口电磁阀 ....................................................................................... 26

3.4.2气动探针集成 ........................................................................................ 26

第四章上位机监控软件开发 ....................................................................................... 28

4.1软件需求分析 ................................................................................................... 28

4.2人机界面设计 ................................................................................................... 30

4.2.1配置菜单 ................................................................................................ 30

4.2.2图像预览控件 ........................................................................................ 31

4.3图像处理模块 ................................................................................................... 33

4.3.1图像预处理 ............................................................................................ 33

4.3.2图像分割 ................................................................................................ 34

4.3.3特征值提取和筛选 ................................................................................ 34

4.3.4标定校准 ................................................................................................ 35

4.4挑选动作模块 ................................................................................................... 38

4.4.1动作指令通信协议 ................................................................................ 38

4.4.2命令参数数据的规范化 ........................................................................ 40

4.4.2状态帧的解析 ........................................................................................ 42

4.4.3挑选动作的执行及其通信流程 ............................................................ 45

4.5 数据管理 .......................................................................................................... 47

4.4.1关系数据库 ............................................................................................ 48

4.4.2 ADO.NET数据访问组件 ...................................................................... 49

第五章总结和展望 ....................................................................................................... 51

5.1 总结 .................................................................................................................. 51

5.2 展望 .................................................................................................................. 51

参考文献 ........................................................................................................................ 53

1. CRC校验表 ........................................................................................................ 58

2.CRC码生成函数： ............................................................................................. 59

3.3byte坐标转浮点函数 ........................................................................................ 60

在读期间发表的论文和承担科研项目 ........................................................................ 56

致谢 .............................................................................................................................. 57

附录 .............................................................................................................................. 58

第一章绪论

第一章

绪

论

1.1

课题来源

本课题来源于 2012 年国家重大科技仪器设备开发专项“高通量优选仪器开

发及应用”，任务名：菌落光学成像模式识别技术及部件，编号：

2012YQ15008702。

1.2

课题背景

1674 年列文虎克利用显微镜观察到了细菌和原生动物，人类首次推开了微观

世界的大门，并开始展开微生物形态学的研究。在之后的两百多年间，人们对微

生物的认识从形态特性扩展到生化、病理的研究。1929 年细菌学家弗莱明发现世

界上第一种抗生素——青霉素[1]。十年后青霉素开始应用于临床，加之抗生素批

量生产技术的实现，在之后二战期间及之后的几十年里拯救了数以千万计的生命，

人类医疗历史走进了抗生素时代。随后基因工程、细胞工程等高新技术兴起，并

发展迅速，现代生物技术包括基因工程、细胞工程、发酵工业、酶工程、生化工

程以及后来衍生出来的第二代、第三代的蛋白质工程、抗体工程和糖链工程等高

新技术，被看作是 21 世纪科学技术的核心[2]。

生物技术产业与医药产业共同组成了生物医药产业。生物医药技术产品包括

基因工程药物、疫苗、生物诊断试剂等，在防治肿瘤、糖尿病、自身免疫性疾病

等疑难杂症中发挥了不可替代的作用，在医药产品中的地位日益提高[3]。我国实

施国家高技术研究发展计划（863 计划）以来, 生物技术药物的研究、开发和产业

化得到了飞速提高。根据医药工业“十二五”发展规划引述，生物技术药物销售

收入已连续保持了 15%以上的增速，是全部药品销售收入增速的两倍以上，2010

年世界前 20 位畅销药中有 7个生物技术药物[4]，预计到 2020 年，生物技术药物

占全部药品销售收入的比重将超过三分之一[5]。

如今，微生物培养及检测分析在生物制药、临床诊断、食品检验等环节中扮

演着举足轻重的角色，其中基于菌落形态学特征的筛选统计又是其中最关键的步

骤之一。在微生物学研究中，常使用射线或化学药物对原始菌种进行基因诱变，

在经过诱变和繁殖后的数以万计的菌株中，可能产生百分之几或千分之几符合要

求的优质菌株，菌株首先要在特定的培养基上进行单克隆培养，繁殖生长到一定

程度，便会形成肉眼可以分辨的子细胞群落，即菌落[6]。优质菌株通过菌落的形

上海理工大学硕士学位论文

态学特征来分辨和挑选[7][8]，传统的菌落挑选方式依靠肉眼识别菌落的形态颜色

等特征，通过人工方式使用接种针取出。这种挑选方式对操作人员的专业性要求

较高，而且人工挑选工作十分繁琐，受操作人员的视力和疲劳状况影响，重复性

和效率都很低，无法保证全程的精确。而且，在生产研究中，特别是在生物医药

产业中，菌落挑选样品数量庞大，人工挑选工序复杂、耗时长、效率低。

在这种背景下，菌落识别和筛选过程的自动化迫在眉睫。自动化菌落挑选仪

可以极大提高菌落挑选工作的精度和效率，满足生产需求，能够很大程度降低该

工作所消耗的人力物力。

1.3

菌落挑选仪研究现状

国内外对菌落图像处理算法和基于菌落形态学特征的筛选理论的研究已非罕

见，基于比较成熟的菌落图像处理和识别技术，菌落自动计数器被成功研制并已

推向市场[9]。菌落自动计数器逐渐应用在医院、科研院所、疾病控制部门，随着

菌落计数技术日趋完善，菌落自动计数器配置越来越高，计数速度越来越快，准

确性也越来越精准。

近几年来，国外一些资深的生物仪器公司开始着手将图像处理计数和机器人

技术相结合，展开对菌落挑选仪的研发。1991 年成立于英国 Genetix 公司一直致

力于高通量全自动微生物克隆筛选系统的研究和开发，并于 1993 年推出了世界

上第一台 QPix 高通量全自动微生物筛选系统。经过二十年的发展，全自动微生

物挑选仪的工作效率从每天几千个增加到每天十几万个，QPix 系统仪器成为全世

界领先的微生物筛选系统，并建立了微生物克隆筛选方面的行业标准。

QPix420 是Genetix 公司典型的微生物筛选平台， QPix400 系列的第三个产品，

是专为较小的研究设施和学术实验室设计的新型仪器。QPix420 拥有一个封闭的

实验环境，具有白光成像同步识别克隆，荧光标记计数，精确挑选等功能。工作

时，克隆容器卡紧在实验柜平台上，由架设在二维磁力导轨上的挑选头进行定位

和转移操作。在细节方面，QPix420 装有微型条形码扫描器以及用于测定琼脂高

度的超声波测距模块等，并且提供了自动搬运和堆栈克隆容器的接口。值得一提

的是，Genetix 公司为 QPix400 系列仪器开发了实用配套软件，可以高度自由化地

设置实验步骤并能轻松追踪样品经历的工序历史，以及配合高分辨率摄像头和测

距传感器确保挑选精度。该系类仪器设计通量为完成 10000 个克隆耗时小于 3小

时，位置精度 10 微米，重复性达到 99.5%。

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I摘要随着现代医学的发展，生物医药技术产品在医疗卫生中发挥着日益重要的作用，而在对菌落筛选的环节上，人工手动筛选已经难以满足相关产业的要求。研发具有自主知识产权的高通量菌落优选仪成为十分迫切的需求。本课题设计的高通量菌落优选仪采用了封闭式的洁净操作环境，内部温度、湿度、气压保持恒定，并装有紫外灭菌灯，杜绝微生物污染。设计了自上而下的控制系统，吊装导轨、固定基座底板、电控箱等结构。课题设计了集通信和硬件控制功能于一身的可编程逻辑控制器。搭载了由两种均匀照明光源和高分辨率CMOS相机组成的光学图像采集机构。高通量菌落优选仪的控制，主要是围绕快速挑选机构展开，该机构包括伺服电缸和气动探针两种组件。针...

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