基于FPGA的微流控芯片電泳控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 概 述
微型全分析系統(tǒng)的概念由Manz于20世紀(jì)90年代初提出，是集進(jìn)樣、樣品處理、分離檢測(cè)為一體的微型檢測(cè)和分析系統(tǒng)。微流控芯片是其主要部件，采用微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)集成了微管道、微電極等多種功能元器件。微流控芯片的電泳技術(shù)是指以電場(chǎng)方式驅(qū)動(dòng)樣品在芯片的微管道中流動(dòng)，然后再通過(guò)光電倍增管(Photo Multiplier Tube，PMT)將被測(cè)試樣品所產(chǎn)生的微弱信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并對(duì)該信號(hào)進(jìn)行采集與處理。與常規(guī)毛細(xì)管電泳系統(tǒng)相比，該技術(shù)具有分離時(shí)間短、系統(tǒng)體積小、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于藥品篩選以及I臨床診斷中。聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(Palymerase Chain Reaction，PCR)是一項(xiàng)在短時(shí)間內(nèi)體外大量擴(kuò)增特定DNA片段的分子生物學(xué)技術(shù)。目前已有的PCR控制系統(tǒng)一般采用單片機(jī)作為控制核心，成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)單個(gè)微流控芯片進(jìn)行控制。然而在需要高效快速、大規(guī)模應(yīng)用微流控芯片的場(chǎng)合，由于單片機(jī)的控制端口數(shù)量有限，難以實(shí)施控制。本文選取串行控制的 A／D與D／A芯片，減少了所需控制端口數(shù)量；采用具有大量控制端口的現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)作為系統(tǒng)的控制芯片，在使用VerilogHDL語(yǔ)言對(duì)其編程后，可同時(shí)對(duì)30個(gè)PCR芯片實(shí)施控制。

2 硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)以FPGA芯片為控制核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)調(diào)理模塊、A／D模塊、高壓模塊、溫度控制模塊以及USB傳輸模塊的控制。具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。虛線框內(nèi)為相應(yīng)的控制信號(hào)。

FPGA采用Xilinx公司的Spartan II 2S100-PQ208-5。PQ208表示其封裝為208引腳，“5”表示時(shí)延為5 ns。該器件密度為1O萬(wàn)門(mén)，內(nèi)置5 KB的RAM，最高工作頻率可達(dá)到125 MHz，用戶可編程使用的I／O端口數(shù)目多達(dá)196個(gè)。工作核心電壓引腳接+2．5 V電源，其輸入／輸出(I／O)引腳支持TTL、LVTTL電平邏輯，需接+3．3 V電源。程序存儲(chǔ)采用CPLD加Flash的方式。Spartan II系列的FPGA支持4種配置模式：從串行模式、主串行模式、從并行模式和邊界掃描模式。在調(diào)試時(shí)期，采用邊界掃描模式。在程序編制成功后，使用通用編程器將程序燒入由EPROM組成的配置存儲(chǔ)器，然后將3個(gè)配置引腳全設(shè)置為高電平，采用從串行模式進(jìn)行配置。