Учебное пособие 800568

1)Трассы содержащие отрезки прямых линий и соединяющихся в точках изгиба были расположены под углами изгибов кратностью 45°;

2)Было учтено что, трассы, расположенные в одном слое, не должны пересекаться с другими трассами этого слоя.

Пять пунктов для процесса трассировки микроконтроллера в среде EAGLE.

1. Разводка вручную простых, очевидных, высокоприоритетных или высокочастотных дорожек.

2. Настройка автотрассировщика в Autorouter Setup (диалоговое окно данной функции).

3. Использование автотрассировщика для трассировки оставшейся неразведенной части.

4. Удаление неудачно созданных связей и внесение необходимых изменений. Для этого пункта обычно требуется воспользоваться ручной трассировкой.

5. Использование пунктов № 3 и 4 вплоть до окончания трассировки.

К длинным разъемам по обе стороны платы подключено большая часть контактных площадок микроконтроллера ATmega 328Р.

Необходимо проследить путь от начала и до конца трассы, если по ней идет либо большой ток, либо высокочастотный сигнал. Данное замечание также верно для синхросигналов - их надо вести по наиболее кратчайшему пути. В низкочастотных устройствах, таких как ATmega 328Р, незначительные различия в длине проводников не создадут заметных сложностей в работе данного устройства.

Разведение связей вручную поможет автотрассировщику лучше справится с поставленной задачей.

Контактные площадки № 4, 6 и 18 микроконтроллера ATmega 328Р были подключены к выводу VCC (напряжение питания для цифровой части), как и контактная площадка 2 в разъеме ICSP (режимный вход). Несмотря на то, что подключение контактных площадок в слое «top» простой процесс, но присоединение их к разъему - нет. Поэтому был создано, так называемое, переходное отверстие на сторону «bottom» которое было доведено до трассы у разъема.

80

УДК 621.3.049.76

К.Э. Ангарита Лорес, Е.В. Богатиков, Е.Н. Бормонтов

КОНСТРУКЦИЯ МИКРОБИОРЕАКТОРА

Предложена конструкция микробиореактора, включающего транспортную систему с системой смешивания, оптоволоконные датчики pH и давления, пузырьковую ловушку. Конструкция может быть реализована с использованием биосовместимых материалов ПММА и ПДМС и операций лазерной микрообработки.

На основе анализа литературных данных по микробиореакторам [1] можно сделать вывод, что на данный момент они преимущественно разрабатываются под конкретные узкие задачи. При этом реализуются два подхода. Когда применение микробиореакторов ограничивается интересами отдельных лабораторий, часто используются достаточно дорогие технические решения, несмотря на то, что микробиореакторы являются, по сути, расходным материалом. Если же технология имеем широкое коммерческое применение (например, в медицине) конструкция максимально упрощается и удешевляется для осуществления массового производства. В данной работе предлагается использование комбинированного подхода

– разработка достаточно универсальной конструкции микробиореактора, использующей при этом максимально доступные технологические операции, осуществимые в лабораторных условиях.

Предлагаемая конструкция приведена на рис. 1. Питательные жидкости, подаваемые через входные отверстия шприцевыми насосами, прежде всего проходят через смеситель, оригинальная конструкция которого предложена в работе [2]. Далее, при помощи транспортных каналов, жидкости проходят через систему сенсоров, которые контролируют состав питательной смеси. В первую, очередь, это электрохимический датчик, обладающий высокой селективностью по отношению к питательным веществам, которые необходимы для роста микроорганизмов. Конструкция электрохимического биосенсора, обладающего высокой чувствительностью благодаря использованию гибридного чувствительного слоя фермент-

82

УНТ, была разработана в работе [3]. Также система сенсоров контролирует уровень pH среды, который, с одной стороны, влияет на скорость роста микроорганизмов, а с другой стороны, изменяется под действием процессов их жизнедеятельности. Для реализации сенсора pH была выбрана оптоволоконная конструкция, предложенная в работе [4]. Для роста микроорганизмов в транспортной системе предусмотрена специальная камера достаточного диаметра. Сенсоры микробиореактора располагаются как перед ростовой камерой, так и после нее. Это необходимо для того, чтобы можно было оценить изменение концентрации питательных веществ (а также уровня pH) в результате жизнедеятельности микроорганизмов. Такая информация позволяет оценить скорость роста микроорганизмов и при необходимости скорректировать состав питающей смеси. Также конструкция микробиореактора предусматривает противопузырьковую систему и связанную с ней систему контроля давления, включающую датчик давления и клапаны для регулирования давления.

Рис. 1. Общая структура сменного блока микробиореактора

Требования технологичности и низкой стоимости микробиореактора предполагают использование в качестве основного конструкционного материала пластин ПММА, обрабатываемых ме-

83

тодами микрогравировки и/или лазерной микрообработки. Микрообработка в условиях исследовательских лабораторий позволяет создавать транспортные каналы диаметром 100 - 200 мкм. Для создания мембран удобно использовать ПДМС.

Всего для изготовления микробиореактора, приведенного на рис.1, необходимо использовать 7 слоев ПММА (рис.2). Из них слой I является несущим и не содержит никаких элементов; слой II содержит систему транспортных каналов, 1 камеру для выращивания, датчики pH, место для размещения электрохимических датчиков и смеситель; слой III содержит каналы для размещения датчиков уровня, управляющих ловушками пузырьков с помощью волоконной оптики, а также углубления для формирования мембран PDMS и входные отверстия; слой IV включает дополнительную транспортную систему для 4-х датчиков уровня пузырьковой ловушки, входные отверстия, канал для размещения оптоволокна датчика давления основного канала; слой V преимущественно включает входные отверстия, а также углубления для формирования PDMS-мембран датчика давления дополнительных каналов; слой VI содержит оптическое волокно второго датчика давления дополнительных каналов и входные отверстия слой VII содержит только входные отверстия.

Представленная на рис. 1 конструкция представляет собой сменный одноразовый элемент конструкции микробиореактора. Помимо него микробиореактор должен включать интерфейсный блок, в который устанавливается одноразовый блок и к которому подключаются все внешние элементы транспортной системы (подводящие трубки), а также внешние элементы сенсоров (электронные блоки обработки оптических и электрических сигналов), механические элементы (например, шприцевой насос) и ультразвуковая система для перемешивания и предотвращения процессов агрегации - рис. 3. Для изготовления интерфейсного блока и большинства механических элементов шприцевого насоса удобно использовать аддитивные технологии.

Электронные устройства микробиореактора должны управляться микроконтроллером, например, на базе бюджетного, но достаточно производительного ядра Cortex M3.

84

Рис. 2. Технология изготовления сменного блока микробиореактора

Рис. 3. Общая схема микробиореактора

85

Наиболее подходящей моделью микроконтроллера является stm32f103c8t6. Данная модель сочетает низкую стоимость с наличием в ее составе двух аналогово-цифровых преобразователей, которые способны работать в парном режиме. Использование парного режима позволяет производить одновременные измерения, которые дают возможность выделять шумовую составляющую сигналов (которая при одновременном измерении идентична для двух каналов).

Для окончательной обработки данных и общего управления необходим персональный компьютер. Для программирования удобно использовать систему LabView, содержащую готовые средства работы с внешними устройствами, обработки и визуализации данных. Предложенная конструкция микробиореактора, основанная на реализованных и испытанных ранее компонентах, сочетает высокую степень универсальности с простотой реализации и низкой себестоимостью. Ее можно использовать как в лабораторных исследованиях по оптимизации параметров выращивания микроорганизмов, так и при организации лабораторных практикумов.

Литература

1. Hegab H.M. Review of microfluidic microbioreactor technology for high-throughput submerged microbiological cultivation / H.M. Hegab, A. ElMekawy, T. Stakenborg // Biomicrofluidics. – 2013. – Vol. 7. – P. 1-14.

2.Ангарита Лорес К. Э. Смесительный каскад микрофлюидного чипа с топологией Вороного [Текст] / К. Э. Ангарита Лорес, Е. В. Богатиков, Е.Н. Бормонтов // Нано- и микросистемная техника. – 2019. – Т. 21, № 9. – С. 534 - 539.

3.Ангарита Лорес К.Э. Получение, морфология и электрохимические свойства гибридных материалов трипсин - углеродные нанотрубки / К.Э. Ангарита Лорес, И. И. Долгих // Конденсированные среды и межфазные границы. – 2018. – Т. 20, № 2. – С. 312 - 317.

4.Angarita Lores C. E. Оптоволоконный датчик pH для микробиореакторов / C. E. Angarita Lores, Е. В. Богатиков, Е.Н. Бормонтов // Письма в Журнал технической физики. – 2019. - Т. 46, вып. 3.

–С. 42 - 45.

Воронежский государственный университет

86

УДК 621.383

П.В. Девятова, Е.В. Богатиков, А.В. Лямичев

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО ОБУЧЕНИЯ НА БАЗЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА K1986BE92QI

Разработан образовательный аппаратно-программный комплекс для изучения приборов оптоэлектроники при помощи микроконтроллера К1986ВЕ92QI, ориентированный на удаленную форму обучения. Управление конфигурацией подключения внешних элементов к микроконтроллеру осуществляется дистанционно при помощи системы электронных ключей, что позволяет гибко настраивать конфигурацию лабораторного макета.

Дистанционное образование в настоящий момент – один из наиболее динамично развивающихся секторов рынка образовательных услуг. В некоторых странах (например, США), объем рынка дистанционного образования уже достигает 20 %, в некоторых (таких как РФ) он пока незначителен и составляет порядка 1 – 2 %, однако демонстрирует ежегодный прирост до 15 %. В дистанционном образовании достаточно популярны курсы, посвященные программированию микроконтроллеров, так как задачи программирования достаточно легко реализуются удаленно [1 - 3]. Тем не менее, такой раздел этой дисциплины, как разработка встроенных систем, требует работы с реальными приборами, которыми обычно управляют микроконтроллеры.

Цель работы заключается в разработке лабораторного стенда для изучения принципов проектирования встраиваемых систем, позволяющего организовать удаленную работу.

Общая схема разработанного аппаратно-программного комплекса приведена на рис. 1. Пользователь подключается к серверу через удаленный рабочий стол. К серверу подключены отладочные платы микроконтроллеров и модули с используемой в лабораторной работе элементной базой. При помощи отладочной платы Arduino Nano по виртуальному COM-порту происходит управление аналоговыми ключами, которые определяют конфигурацию элементов и

87

присоединяют элементную базу к K1986BE92QI. Затем пользователь программирует непосредственно сам микроконтроллер K1986BE92QI в программе Keil uVision. Контроль результатов выполнения программ осуществляется через подключенную к серверу веб-камеру.

Рис. 1. Структура аппаратно-программного комплекса

Разработанный модуль с внешними устройствами (рис. 2) содержит ИК-датчик TSOP2138 (U5), фототранзистор BPW85 (Q1), светодиоды (D1-D4), две «цифровые кнопки». Предполагается, что данные компоненты будут изучаться в ходе лабораторных работ. Также при составлении лабораторного стенда для коммутации элементной базы использовались следующие микросхемы: аналоговый переключатель DG419LDY, аналоговый ключ 74HC4066N.

Внешний вид разработанного модуля с внешними устройствами приведен на рис. 3. Для испытания модуля в микроконтроллер была загружена программа, изменяющая частоту мигания светодиода при удаленном «нажатии на кнопку» (соединении одного из входов микроконтроллера с землей при помощи аналогового ключа 74HC4066N). Результаты испытания приведены на рис. 4.

88

Рис. 2. Принципиальная схема аппаратной части стенда

Рис. 3. Практическая реализация стенда для задач дистанционного обучения

89