基于SOPC的低電壓電泳芯片系統(tǒng)平臺設(shè)計

　　如圖1所示，在一片CyclonII 2C35 FPGA中，采用SOPC Builder構(gòu)建主從雙CPU架構(gòu)的系統(tǒng)，其中CPU1作主控,負責電泳信號的數(shù)據(jù)采集、處理及任務(wù)分配；CPU2作協(xié)處理，負責低電壓電泳芯片進樣控制電路、分離電壓控制。主控CPU1采集電泳信號后，將部分數(shù)據(jù)，如是進樣還是分離、是否結(jié)束、電壓是否施加到下一電極對等標志發(fā)送給從CPU2處理, 然后由CPU2再控制相應(yīng)地控制電路，最終實現(xiàn)電極施加電壓位置與待分離組分運動范圍保持一致。這種結(jié)構(gòu)由于CPU1和CPU2各自控制一部分電路模塊，且主、從CPU交換的數(shù)據(jù)較少，有利于保障整個系統(tǒng)的高速采集與控制處理。主從CPU之間數(shù)據(jù)交換通過內(nèi)嵌的雙口RAM來實現(xiàn)。若主、從CPU數(shù)據(jù)交換多且頻繁，一般不采用此種主從結(jié)構(gòu)[6-7]，可采用流水線結(jié)構(gòu)，無論怎樣的架構(gòu)，系統(tǒng)都可在不改變硬件的條件下，通過軟件更新就可實現(xiàn)雙CPU架構(gòu)的改變。

　　4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

　　本系統(tǒng)的軟件設(shè)計，主要包括：基于SOPC Builder定制的低電壓運動控制模塊設(shè)計，基于Avalon流模式電泳信號采集IP核設(shè)計，負壓進樣控制模塊設(shè)計、片上系統(tǒng)集成開發(fā)軟件設(shè)計、片上系統(tǒng)與PC機之間的通訊設(shè)計以及上位機電泳譜分析分析軟件等組成。其中，上位機開發(fā)軟件為C++ Builder。由于篇幅有限，本文僅給出低電壓運動控制控制流程圖以及毛細管電泳芯片采集與控制軟件結(jié)構(gòu)圖，分別見圖5，圖6所示。

圖5 低電壓運動控制流程圖

圖6 毛細管電泳芯片采集與控制軟件結(jié)構(gòu)圖

　　5 結(jié)　論

　　本文提出了一種基于SOPC的低電壓毛細管電泳芯片采集與控制的實現(xiàn)方法。通過在Altera的CyclonII FPGA中利用SOPC Builder庫中的NiosII軟核處理器，基本IP核以及自定制IP核，能靈活快速地搭建真正意義上屬于自己的采集與控制SOPC系統(tǒng)，縮短開發(fā)周期；通過內(nèi)嵌于FPGA內(nèi)部的NIOSII軟核處理器,能靈活方便地實現(xiàn)多處理器并行處理結(jié)構(gòu)，保證系統(tǒng)高速處理；采用單芯片實現(xiàn)片上系統(tǒng)使系統(tǒng)解決方案更可靠、更廉價、更簡潔；通過定制指令,利用FPGA多個并行處理單元, 使得在某些方面的處理能力大大超過硬核處理器，如DSP處理器；該方案由于采用SOPC技術(shù)能通過軟件的不斷更新實現(xiàn)系統(tǒng)硬件以及軟件的升級與換代。

　　本文作者的創(chuàng)新點：將SOPC技術(shù)應(yīng)用于生物芯片的控制與檢測，在硬件不變的條件下，通過軟件更新就可對整個系統(tǒng)進行升級換代，特別適合生物芯片技術(shù)前期開發(fā)以及探索性研究。