一、主控核心模块

1.1 微控制器（MCU）或可编程逻辑控制器（PLC）

主控核心决定了洗板机的运行流程。微控制器（如STM32系列）或小型嵌入式单板计算机通过实时操作系统（RTOS）或裸机程序实现对各子模块的调度与数据处理；在高端大型洗板机中，也可能使用工业级PLC（如西门子S7系列、欧姆龙CJ系列），以获得更强的抗干扰能力与更高的可靠性。

• 任务调度：负责定时触发各子模块动作，如启动泵浦、驱动步进电机、切换阀门等；

• 指令解析：接收来自用户界面或上位机的控制指令，解析后转化为底层IO操作；

• 状态监测：定时读取传感器数据，如光电液位传感器、压力传感器、故障信号等，并反馈至报警系统或上位机；

• 资源管理：对内存、FLASH、EEPROM等有限资源进行分配，保存用户设定参数与运行记录。

1.2 实时操作系统（RTOS）或嵌入式软件框架

若芯片资源足够，一般会在MCU上运行轻量级RTOS（如FreeRTOS、RTX、uC/OS-II等）。这部分模块将各功能分为多个任务，并分配不同优先级，如下所示：

• 高优先级任务：传感器信号采集、应急中断处理、关键动作（如泵停转）；

• 中等优先级任务：运动控制（步进电机、伺服电机的脉冲输出）、阀门切换命令；

• 低优先级任务：人机交互界面刷新、历史运行数据记录、与LIMS等外部系统通信。

RTOS的引入使得各子模块之间逻辑耦合度降低，系统具有更好的实时性与稳定性。

二、机械运动控制模块

2.1 X-Y 坐标定位机构

传统96孔板布局为8行12列，在洗板过程中需要准确地将洗头定位到每个孔的中心。X-Y坐标定位系统一般由下列子组件构成：

• 导轨与丝杆：高精度直线导轨配合滚珠丝杆，保证定位重复精度可达±0.01 mm 级别。导轨可选矩形或圆柱线性滑轨，丝杆一般为直径8–12 mm 的滚珠丝杆，对应螺母与前端定位座。

• 步进电机或伺服电机：驱动丝杆旋转，常用步进电机分辨率为200 步/转，配合1/16–1/32 微步驱动，可实现更精细移动；高端机型会搭配伺服电机与编码器，闭环控制减少丢步现象。

• 限位开关与参考回零装置：在每次上电或程序重置后，机械运动需回到原点（零位），常采用光电开关或机械限位开关检测到参考位后置零。某些机型还会使用磁编码尺、光栅尺等来实现更高精度的绝对位置反馈。

• 运动控制板：通常为专用驱动板或运动控制卡（PCIe/USB总线类型），内嵌步进或伺服控制芯片，通过SPI、UART、CAN等总线与主控MCU通信，实现运动指令的下发与状态监测。

2.2 Z 轴升降与洗头运动

由于不同类型微孔板板底高度存在微小差异（如深孔板与浅孔板），洗头上下吸液需精确设定距离：

• 螺杆升降机构或导轨滑台：通过另一组电机驱动洗头在Z轴上下移动，可分为固定洗头升降或整个洗头组件连同杆臂升降两种形式。机构需保证行程范围一般在0–100 mm 之间，步距在0.01 mm 级别。

• 吸液高度设定传感器：部分高端机型配备光学液位传感器，可在首次清洗时按板底厚度检测高度并自动校准，确保吸液针与孔底仅保持指定距离，避免损伤板底或产生残留偏差。

三、液体驱动与分配模块

3.1 清洗泵与流量控制

清洗泵是洗板机的“心脏”，一般可分为两类：

• 蠕动泵（Peristaltic Pump）：以可替换的硅胶管作压榨介质，耐酸碱、易更换，便于对液体进行高洁净度的输送。但由于液体与管壁接触可能会存在少量残留，需要考虑泵转速与管径匹配。

• 注射泵（Syringe Pump）：用步进电机或伺服电机带动螺杆推动活塞，液体输送精度高、回吸控制更精准，但相比蠕动泵成本较高，且适用于对体积精度要求极高的场景。

清洗泵需配合下列组件才能实现对液体流量的精准控制：

• 流量传感器：一般采用涡轮式或质量流量计，用于检测实时流量并与预设目标值进行PID闭环控制；

• 压力传感器：连接在泵与分配阀之间，可检测泵浦输出压力是否异常，如管路堵塞或漏液，及时触发故障报警；

3.2 分配阀（多路切换与回流）

为了支持多种洗液（缓冲液、去离子水、消毒剂等）在运行过程中切换，洗板机通常配置多个电磁阀或旋转阀：

• 电磁阀阵列（Solenoid Valve Array）：多个二位三通或二位二通电磁阀按照需求排列，每路液体对应一组阀门。通过MCU的GPIO或专用IO扩展卡控制电磁阀吸合/断开，实现液体进出顺序切换。

• 旋转阀（Rotary Valve）：在高端机型中常见一体式多路旋转阀，可实现多路液体输入与多个废液输出的切换。旋转阀驱动机构一般由小型步进电机或无刷直流电机加减速机构控制，结构更紧凑且可靠性更高。

• 回流排空与管路冲洗：每次更换洗液后，为了避免残留，程控系统会自动打开对应阀门，让泵抽取新液并排出原有残液。此过程称为“冲管”或“预冲”，可通过程序设定循环次数与液量。

四、传感与监测模块

4.1 液位传感器与残液检测

• 光电液位传感器（Infrared/Optical Sensor）：检测清洗桶或废液桶的液面高度，防止桶满溢出或液体不足导致干转损坏；安装在泵前、泵后或液位井内，常用红外反射式或光电开关式设计。

• 电容式液位探头：通过测量板上各孔液体高度变化，检测是否完成吸液或剩余残液量是否在可接受范围内。若检测到残液量超出阈值，可提示操作者重启清洗或更换洗头。

4.2 压力/阻塞监测

• 压力传感器：在泵送管路中布置，用于监测液体输送压力是否正常。若出现压力过高或过低，表示管路堵塞、漏液或阀门未完全切换，需要立即触发报警并执行应急停机流程。

• 流量传感器：结合压力传感器对液体流速进行双重监控，确保加液量与设定值一致。某些机型还支持PID闭环调速，以避免因泵管老化或管路弯折导致泵速偏差。

4.3 光学或超声波液滴检测

• 光学传感器：在吸液位置下方或吸头出口处安装，用于检测孔内液体残留是否少于设定阈值。若出现“无液体”或“残液过多”情况，系统会根据预设程序调整吸液高度或更换吸头。

• 超声波传感器：部分先进机型利用超声波探测技术，在孔底与吸头之间检测残留液体深度，实现更精细的残液监测，尤其适用于低残液量（1–2 μL）要求的高端实验。

五、用户界面与交互模块

5.1 人机交互界面（HMI）

• 触摸屏+图形界面：常见尺寸有7寸、10寸，分辨率一般1024×600或更高。界面支持中/英文切换、运行参数实时显示（如当前孔号、洗液体积、循环次数、温度等）、故障报警弹窗及运行日志查询功能。

• 物理按键或转轮：为保证操作时的稳定反馈，一些机型会配备实体按键，用于启动/暂停、导航菜单、紧急停止等功能，避免触摸屏误触导致意外运行。

• 远程监控终端：部分高端型号支持通过WEB UI或专用客户端软件进行远程监控，可在局域网或VPN内部查看运行状态、下载日志、修改洗涤程序。

5.2 程序与参数编辑模块

• 内置预设方法：常见应用（ELISA、核酸提取、磁珠洗涤等）对应标准程序，用户可直接调用并根据需要修改参数，如吸液高度、加液体积、冲洗次数、浸泡时间等。

• 自定义方法编辑器：通过图形化或脚本式编辑器，用户可将各步骤按顺序拖拽、插入条件判断、循环语句、延时等待等逻辑，生成自定义清洗流程。底层程序会将这些流程转化为MCU可识别的指令序列并保存至FLASH，以便随时调用。

• 参数存储与多用户管理：支持多达数十个用户帐号登录，每个帐号可保存若干方法模板并进行版本管理，方便多人共享或交叉使用。

六、安全与保护模块

6.1 紧急停止与故障自诊

• 急停按钮（Emergency Stop）：通常为红色大按钮，安装在设备前面板或侧面，就近可触及。一旦按下即切断动力总线，停止所有电机与泵浦，进入安全状态。

• 过载保护：电机驱动板内置过流与过压保护电路，当电机堵转或驱动电流超标时，自动断电并报告错误码供上位系统判断并给出维护提示。

• 防干转保护：当清洗泵长时间运转但液位传感器检测不到液体时，系统会判定“空转”并主动停止泵转，避免泵管烧毁或气泡进入流路。

6.2 防堵与吸头防碰撞

• 吸头碰撞检测：利用限流电路或压电传感器检测吸头与孔板、导轨等发生意外碰撞，超出预设力值时立即停止上下运动并抬升吸头，防止机械损伤。

• 阀门误切保护：若在切换阀门时检测到阀门切换不完全或卡阻，触发警报并暂停运行，避免出现液体串流或压损过大。

6.3 漏液与漂移监测

• 防漏托盘与防渗漏槽：在设备底部设置托盘与泄漏感应线，一旦探测到地面或托盘有液体渗漏，立即通过“HMI +蜂鸣器 +指示灯”三重报警，并按预设方案（如延时2秒后自动停机并锁死阀门）。

• 漂移补偿算法：针对长时间运行可能产生的机械轴漂移或磁场偏移，系统可定时进行“校准孔”检测，自动纠正坐标偏差，保证洗头始终在孔中心执行吸液/加液。

七、温控与环境适配模块（可选）

部分满足“洗板+孵育”或“洗板+混合”的一体化机型，会在洗板模块旁集成温控或恒温模块：

• Peltier恒温板：利用热电制冷元件对托盘或孵育箱进行37℃/4℃等温度控制，保证酶促反应或核酸结合过程所需恒温环境。

• 加热元件与风扇：针对高通量筛选场景，可对板内部进行预热或均温，避免因温差产生气泡或液体粘附。

这部分模块对程控系统而言是“附加模块”，仍需由主控MCU发出温度设定命令，并配合温度传感器实现PID闭环控制。

八、数据采集与日志记录模块

8.1 实时运行记录

• 事件时间戳：每次启动/暂停/停止、每个循环轮次、每次液路切换、每次故障报警均生成带有时间戳的日志条目，存储于本地EEPROM或SD卡中，供后期审计与质量追溯。

• 传感器采样数据：采集泵流量、压力、液位、电机电流、温度等关键指标并记录采样值，可用于验证每次清洗的实际运行状态与设定值是否匹配。

8.2 数据导出接口

• USB存储：支持将运行日志以CSV或TXT格式导出到U盘，便于在桌面端查看、打印或存档；

• 网络端口：若设备具备Ethernet或Wi-Fi模块，可将日志通过FTP/SFTP方式自动上传至中央数据库或LIMS系统，完成自动化归档。

九、外部通信与集成接口模块

9.1 通讯协议支持

• RS-232 串口：最基础的串行通信方式，常见于老款科研级洗板机。上位机可通过串口发送如“START”、“STOP”、“SET_PARAM”等 ASCII码指令，并接收ACK/NACK或状态码反馈。

• USB虚拟串口（CDC）：在一些中高端机型中，串口信号通过USB转接芯片（如FT232）实现，使用户无需额外串口线即可在PC端进行控制与数据采集。

• Ethernet TCP/IP：现代洗板机往往配备以太网口，可实现远程控制、固件升级及日志传输。常用协议包括自定义TCP/IP、Modbus TCP、OPC UA等。

• CAN总线：部分工业级洗板机使用CAN总线通信，将洗板机作为从站（Slave），由上层控制系统（Master）进行集中调度；适用于大型自动化平台与工作站级联场景。

9.2 与LIMS/SCADA对接

• LIMS（实验室信息管理系统）：通过开放API或中间件，将洗板机方法调用、运行日志、故障信息传输至LIMS，实现实验流程全过程追溯与结果审核。

• SCADA（监控与数据采集系统）：在制药或食品检验领域，洗板机可作为SCADA系统中的一个子节点，通过OPC UA/DA协议实时上报运行状态与预警信息，纳入工厂MES或PIMS系统统一监控。

十、软件功能模块

10.1 参数管理与方法库

• 预设方法分类：将常用“ELISA洗板”、“磁珠洗涤”、“核酸清洗”等实验方法预设为模板，并开放参数微调。

• 方法版本控制：为确保实验可重复性，每次方法变更均生成新的版本号并存档，用户可选择回退至历史版本。

10.2 实时监控与报警策略

• 多级报警：如“液位低于阈值→提示加液”、“泵压过高→暂停程序并报警”、“吸头撞击→自动退回原位并提示校准”等。

• 多状态指示灯：设备面板上设有“运行中（绿）”、“故障（红）”、“待机（蓝）”等LED指示灯，方便操作者一目了然当前状态。

10.3 用户权限与日志审计

• 多级用户角色：如“管理员”、“操作员”、“维护员”，不同角色可访问的菜单与设置项不同，以保证设备安全与数据完整性。

• 登录与授权机制：结合触摸屏密码或RFID刷卡，实现用户身份识别；每次运行都自动记录操作员ID，为后续审计提供依据。

十一、可拓展与升级模块

11.1 可拆装洗头与模块化硬件设计

部分高端洗板机采用“分体式洗头模块”，允许用户根据实验需求替换8通道洗头、12通道洗头或磁珠专用洗头。更换时只需简单卡扣或螺丝固定，无需专业工程技术人员拆装。

11.2 外接自动化工作站整合

在大型高通量筛选或全自动核酸提取流水线中，洗板机常作为一个子模块，通过标准托盘连接装置与移液机器人、离心机、读板机无缝对接，实现上下游全流程集成。对应程控系统需支持“握手信号（Handshake）”与“流程跳转”命令。

11.3 软件固件在线升级

• Bootloader机制：在主控芯片中预留Bootloader区，通过USB或以太网下载固件更新包，断电重启后自动完成升级，保证后续功能优化与Bug修复的灵活性。

• 版本验证与回退：升级包需包含校验码（如MD5、CRC32），升级失败可自动回退至上一个稳定版本，避免不完整升级导致设备出现不可用状态。