引言

　　生物芯片是20世紀(jì)末隨“人類(lèi)基因組計(jì)劃”的研究和發(fā)展而產(chǎn)生的一項(xiàng)高新技術(shù),，是人們高效地大規(guī)模獲取生物信息的有效手段,。目前大部分生物芯片采用熒光染料標(biāo)記待測(cè)樣品分子。生物芯片掃描儀用激光激發(fā)熒光染料,，通過(guò)對(duì)激發(fā)點(diǎn)的成像,，檢測(cè)一個(gè)點(diǎn)；結(jié)合生物芯片X-Y二維精密掃描臺(tái)上移動(dòng),，實(shí)現(xiàn)對(duì)整片的掃描。X-Y二維掃描臺(tái)的位置檢測(cè)精度直接影響著掃描分辨率——生物芯片掃描儀性能的關(guān)鍵參數(shù),?；趥鹘y(tǒng)的數(shù)字電路的生物芯片掃描儀中X-Y二維掃描臺(tái)的位置檢測(cè)電路存在計(jì)數(shù)誤差和誤清零問(wèn)題，本文以基于FPGA設(shè)計(jì)的位置檢測(cè)電路來(lái)解決,。以FPGA芯片代替?zhèn)鹘y(tǒng)的數(shù)字電路,，不僅可提高系統(tǒng)的集成度和可靠性，而且FPGA最高工作頻率已超過(guò)200MHz,，通過(guò)硬件描述語(yǔ)言對(duì)FPGA編程,，電路設(shè)計(jì)更加靈活，為生物芯片掃描儀進(jìn)一步提高掃描速度和掃描分辨率留了更大的裕量,。

　　1,、X-Y二維掃描臺(tái)位置檢測(cè)原理

　　X-Y二維掃描臺(tái)X向、Y向位置檢測(cè)元件采用開(kāi)式光柵,，50線/mm,，由專(zhuān)用細(xì)分尺10細(xì)分后，測(cè)量分辨為2μm,。開(kāi)式光柵直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三相方波A,、B、Z相,。A,、B相方波相位差90°（如圖1、2所示）,，Z相用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位,，其邏輯電平都為5V。當(dāng)A相方波超前B相方波90°時(shí),，表示位移方向?yàn)檎较?，如圖1所示；當(dāng)A相方波滯后B相方波90°時(shí),，表示位移方向?yàn)榉捶较?，如圖2所示。掃描臺(tái)X向,、Y向每位移2μm,，光柵發(fā)出一個(gè)周期的方波,。

　　二維掃描

　　因此，X-Y二維掃描臺(tái)的位置檢測(cè)首先要解決對(duì)光柵信號(hào)的辨向問(wèn)題,，辨別出X,、Y向的位移方向；其次,，為保證生物芯片掃描在最高掃描分辨率為5μm時(shí)仍有較高掃描質(zhì)量,，X、Y方向位置檢測(cè)精度應(yīng)高于2μm,，以減少掃描臺(tái)的定位誤差,，因此要對(duì)光柵信號(hào)進(jìn)一步細(xì)分；此外,，還要完成將光柵信號(hào)轉(zhuǎn)換成控制器能讀取的位置數(shù)據(jù),，當(dāng)X向、Y向位移方向?yàn)檎龝r(shí),，此位置數(shù)據(jù)遞增,；當(dāng)X向、Y向位移方向?yàn)樨?fù)時(shí),，此位置數(shù)遞減,，并要保證實(shí)時(shí)的準(zhǔn)確可靠的提供X、Y向的位置數(shù)據(jù),，作為控制器（如單片機(jī),、DSP）精確定位X-Y二維掃描臺(tái)位置的依據(jù)。

　　原有的生物芯片掃描儀中X-Y二維掃描臺(tái)的一個(gè)方向的位置檢測(cè)采用4倍頻專(zhuān)用集成電路Q(chēng)A740210對(duì)光柵信號(hào)進(jìn)行辨向,、細(xì)分,，用4片4位二進(jìn)制74LS193計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)分后的光柵信號(hào)16位計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值（即位置數(shù)據(jù)）通過(guò)2片8位74LS245緩沖器輸出至控制器,。這樣,，X、Y兩個(gè)方向的位置檢測(cè)電路多達(dá)14片芯片,，占用大量的PCB空間,，布線復(fù)雜，板上信號(hào)間的串?dāng)_易引起計(jì)數(shù)誤差和誤清零現(xiàn)象,，影響掃描臺(tái)的精確定位,。若只用一片F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)位置檢測(cè)電路，輸入為光柵信號(hào),，輸出即為位置數(shù)據(jù),，直接送入控制器，避免PCB板間信號(hào)串?dāng)_，就能有效消除計(jì)數(shù)誤差和誤清零現(xiàn)象,。

　　2,、X-Y二維掃描臺(tái)位置檢測(cè)的FPGA設(shè)計(jì)方案

　　選用Spartan-II系列FPGA（XC2S15-5VQ100）作為X-Y二維掃描臺(tái)的位置檢測(cè)電路,，并行的對(duì)X,、Y兩路光柵信號(hào)的進(jìn)行辨向,、細(xì)分、計(jì)數(shù),，并提供與控制器的接口,，實(shí)時(shí)可靠的將X、Y向位置數(shù)據(jù)傳送給控制器,。

　　FPGA內(nèi)部模塊劃分如圖3所示：從X向光柵來(lái)的A,、B兩相方波信號(hào)XA，XB由X向辨向細(xì)分電路辨向細(xì)分后,，輸出兩路脈沖信號(hào)XCU、XCD,，16位計(jì)數(shù)模塊分別對(duì)這兩路脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),，并將兩計(jì)數(shù)值XUPCNT、XDOWNCNT相減,，其差作為X向的16位位置數(shù)據(jù)XCNT,。接口電路對(duì)3位地址信號(hào)ADDR譯碼，通過(guò)XCLR,、YCLR對(duì)X,、Y計(jì)數(shù)器分別清零，并選通X向或Y向位置數(shù)據(jù)輸出到控制器,。

　　對(duì)Y向同樣如此,。本論文只以X向說(shuō)明之。

　　2.1,、辨向細(xì)分設(shè)計(jì)

　　由圖1和圖2可知,，當(dāng)光柵正向移動(dòng)時(shí)，A相,、B相的電平邏輯表現(xiàn)為“00”→“10”→“11”→“01”→“00”序列,；當(dāng)光柵反向移動(dòng)時(shí)，A相,、B相的電平邏輯表現(xiàn)為“00”→“01”→“11”→“10”→“00”序列,。因此，只要能辨別出這兩種序列,，就能實(shí)現(xiàn)辨向,。

　　二維掃描臺(tái)位置檢測(cè)

　　引入外部頻率為10MHz的時(shí)鐘源，利用這個(gè)時(shí)鐘的上升沿同時(shí)對(duì)A相、B相信號(hào)采樣,，作為當(dāng)前XA,、XB值，以二維向量AB_new記之,，AB_new通過(guò)一級(jí)觸發(fā)器后,，記為AB_old，AB_new和AB_old都跟隨A相,、B相方波信號(hào)變化而變化,，只是AB_old要滯后AB_new一個(gè)采樣時(shí)鐘周期。這樣,，就可以將AB_old和AB_new進(jìn)行比較：當(dāng)AB_old為“00”時(shí),，若AB_new為“10”，即A相超B相前90°,，XCU輸出一個(gè)負(fù)脈沖,，XCD保持為高電平不變；若AB_new為“01”,，即A相滯后B相90°,，XCD輸出一個(gè)負(fù)脈沖，XCU保持為高電平不變,。X向光柵信號(hào)變化一個(gè)周期,，如果A相超B相90°（位移方向?yàn)檎琗CU就會(huì)輸出四個(gè)負(fù)脈沖,，如果A相滯后B相90°（位移方向?yàn)樨?fù)）,，XCD就會(huì)輸出四個(gè)負(fù)脈沖，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了辨向與細(xì)分功能,。

　　2.2,、可逆計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)

　　用兩個(gè)16位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器對(duì)兩路脈沖信號(hào)XCU、XCD分別計(jì)數(shù),，然后用一個(gè)16位減法器對(duì)此兩個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值作差,，被減數(shù)為XCU的計(jì)數(shù)值XUPCNT，減數(shù)為對(duì)XCD的計(jì)數(shù)值XDOWNCNT,，其差作為X向的位置數(shù)據(jù)XCNT,。這樣，XCU有計(jì)數(shù)脈沖時(shí),，XCNT就會(huì)增加,，而XCD有計(jì)數(shù)脈沖時(shí)，XCNT就會(huì)減小,，實(shí)現(xiàn)了可逆計(jì)數(shù),。結(jié)合前面的辨向細(xì)分電路,，使X向的位置數(shù)據(jù)在正向位移時(shí)增加，反向位移時(shí)減少,。位置數(shù)據(jù)的變化真實(shí)反映了位移情況,。

　　2.3、接口電路設(shè)計(jì)

　　接口電路是控制器實(shí)時(shí)可靠讀取X向,、Y向的位置數(shù)據(jù)或清零的接口,。接口電路由譯碼電路、輸出三態(tài)緩沖器組成,。接口電路與控制器的16位數(shù)據(jù)線CNT用于FPGA向控制器傳送位置數(shù)據(jù),，控制器的3位地址線ADDR作為譯碼電路的輸入：能分別輸出X、Y向位置數(shù)據(jù),，以及分別對(duì)X,、Y向計(jì)數(shù)器清零。譯碼電路可使X向,、Y向位置數(shù)據(jù)復(fù)用16位數(shù)據(jù)線,，高效的利用控制器的端口資源；對(duì)3位地址信號(hào)譯碼產(chǎn)生清零信號(hào),，能有效地防止在只使用一根信號(hào)線時(shí)受干擾等原因而引起的誤清零現(xiàn)象,。

　　3、設(shè)計(jì)仿真和實(shí)現(xiàn)

　　在ISE6.1i開(kāi)發(fā)平臺(tái)上,，用VHDL語(yǔ)言對(duì)辨向細(xì)分,、計(jì)數(shù),、接口電路進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn),。圖4是仿真波形。

　　由圖4可看出,，X,、Y向可并行的對(duì)光柵信號(hào)辨向、細(xì)分,、計(jì)數(shù),，下面只以X向說(shuō)明：辨向細(xì)分電路根據(jù)兩路正交的方波信號(hào)XA、XB的相位差分別在XCU,，XCD上輸出頻率為XA,、XB4倍的計(jì)數(shù)脈沖，實(shí)現(xiàn)了辨向細(xì)分,；可逆計(jì)數(shù)器分別對(duì)XA,、XB計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值的差XCNT隨X向的位移方向的變化增加或減少,；當(dāng)控制器的地址譯碼信號(hào)ADDR為“101”時(shí),，X向的位置數(shù)據(jù)XCNT輸出到16位數(shù)據(jù)線CNT,；當(dāng)ADDR為“110”時(shí)，F(xiàn)PGA將Y向的位置數(shù)據(jù)YCNT輸出到CNT,；當(dāng)?shù)刂肪€ADDR為“001”時(shí),，X向位置數(shù)據(jù)XCNT清零，CNT表現(xiàn)為高阻態(tài),；當(dāng)ADDR為“010”時(shí),，Y向位置數(shù)據(jù)YCNT清零，CNT表現(xiàn)為高阻態(tài),；當(dāng)ADDR為其他任意值時(shí),，CNT都表現(xiàn)為高阻態(tài)，使控制器能向其他外設(shè)交換數(shù)據(jù),。將代碼下載到XC2S15-5VQ100后,，用于生物芯片掃描儀中，準(zhǔn)確可靠的實(shí)現(xiàn)了位置檢測(cè)功能,。

　　4,、結(jié)論

　　用FPGA實(shí)現(xiàn)X-Y二維掃描臺(tái)的位置檢測(cè)電路，提高了系統(tǒng)的集成度,，位置檢測(cè)快速可靠,。并且，F(xiàn)PGA工作頻率高,、設(shè)計(jì)靈活,，可減少生物芯片掃描儀進(jìn)一步提升掃描速度和掃描分辨率的開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本。