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、分離檢測為一體的微型檢測和分析系統(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)是指以電場方式驅(qū)動樣品在芯片的微管道中流動,，然后再通過光電倍增管(Photo Multiplier Tube，PMT)將被測試樣品所產(chǎn)生的微弱信號轉(zhuǎn)換為電信號,，并對該信號進(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)具有分離時間短,、系統(tǒng)體積小,、集成度高等優(yōu)點，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)是一項在短時間內(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,，成功地實現(xiàn)了對單個微流控芯片進(jìn)行控制,。然而在需要高效快速、大規(guī)模應(yīng)用微流控芯片的場合,，由于單片機(jī)的控制端口數(shù)量有限,，難以實施控制。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)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,，FPGA)作為系統(tǒng)的控制芯片，在使用VerilogHDL語言對其編程后,，可同時對30個PCR芯片實施控制,。
2 硬件設(shè)計
系統(tǒng)以FPGA芯片為控制核心，實現(xiàn)對信號調(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。
FPGA采用Xilinx公司的Spartan II 2S100-PQ208-5,。PQ208表示其封裝為208引腳,，“5”表示時延為5 ns。該器件密度為1O萬門,，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,。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組成的配置存儲器,，然后將3個配置引腳全設(shè)置為高電平,，采用從串行模式進(jìn)行配置。
信號調(diào)理模塊由電流轉(zhuǎn)電壓I—V電路,、低通濾波電路組成,。I—V電路的輸入為光電倍增管的電流輸出。I—V電路芯片采用的是安森美半導(dǎo)體公司的 MC33501,，該芯片的輸入偏置電流典型值為40 fA,，非常適用于微弱光電流信號的測量。反饋電阻選取1 MΩ的標(biāo)稱值,，可將1μA的電流轉(zhuǎn)換為1 V的電壓,。轉(zhuǎn)換后的電壓信號再經(jīng)過運算放大器OP07組成的二階巴特沃茲低通濾波器,，其截止頻率可設(shè)置在1 Hz以下。A／D模塊采用TI公司的12位串行A／D轉(zhuǎn)換器ADS7818,。該芯片僅8個引腳,，采用串口方式控制和輸出數(shù)據(jù)。如圖2所示,，對A／D模塊進(jìn)行控制只需占用FPGA的3個控制端口(CONV,、CLK,、DATA),。FPGA可編程使用的I／O端口數(shù)目多達(dá)196個，在除去其他芯片的控制端口后,，足以勝任同時控制30個A／D模塊的工作,。這也意味著可同時對30個PCR芯片實施數(shù)據(jù)采集。
高壓控制模塊由TI公司的D／A芯片TLV5630和高壓模塊實現(xiàn),。高壓模塊的輸出與其輸入控制電壓成正比,。TLV5630具有8通道的12位輸出，可以使高壓模塊的電壓步進(jìn)精確控制在1 V量級,。FPGA通過RS232接口與溫度模塊通信,，通過發(fā)送命令字與接收返回信息來控制溫度。
系統(tǒng)需要接口將數(shù)據(jù)上傳至計算機(jī),，而計算機(jī)的命令參數(shù)也通過此接口下載至本系統(tǒng)中,。USB2．0接口的傳輸速率達(dá)到480 Mb／s，可勝任快速傳回數(shù)據(jù)的任務(wù),。本文采用USB2．0接口作為系統(tǒng)與計算機(jī)通信的接口,，USB的通信芯片選用Cypress公司的 CY7C268013A，工作模式為SlaveFIFO方式,。
3 程序編碼
程序編碼包括3部分：一是采用VerilogHDL語言對FPGA編程,；二是對CY7C68013A的固件編程；三是WindowsXP環(huán)境下驅(qū)動程序的開發(fā)以及上位機(jī)控制軟件的編程,。與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對應(yīng),，F(xiàn)PGA的控制模塊包括A／D模塊、D／A模塊,、RS232模塊,、USB模塊以及狀態(tài)機(jī)模塊。模塊共用同一個時鐘與復(fù)位信號,。除狀態(tài)機(jī)模塊外,，其他模塊都將信號封裝為狀態(tài)輸出、命令輸入,、選通輸入,、數(shù)據(jù)輸出4個部分,，由狀態(tài)機(jī)模塊對其實施控制。如圖3所示,，狀態(tài)機(jī)模塊讀取USB模塊從上位機(jī)得來的命令并翻譯,，然后對所指定的模塊輸入命令或者讀取信息，最后返回操作成功信息,。FPGA擅長于高速的邏輯與時序控制,，便于控制具體的芯片，但不適于整體復(fù)雜的流程控制,。采用這種方式編程的好處在于,，避免了FPGA復(fù)雜的流程控制編程，而將這一任務(wù)交給上位機(jī)去完成,。
FPGA程序采用VerilogHDL語言在ISE6．2環(huán)境下編寫,。經(jīng)ModelSim5．7g仿真無誤后，在FPGA Compile-rII3．7環(huán)境下編譯為bin文件,；再經(jīng)過ISE6．2的iMPACT工具燒入FPGA的配置存儲器,，上電后FPGA即可正常工作。 A／D部分的仿真波形如圖4所示,。
固件在uVision2集成開發(fā)環(huán)境下采用Keil C51語言開發(fā),。固件編譯后，有兩種方法載入CY7C68013A：一種是從EEPROM載入,，另一種是從上位機(jī)下載,。本系統(tǒng)采用第2種方式。 Hex2c．exe將固件目標(biāo)碼轉(zhuǎn)換為C語言 數(shù)組形式,；EZ-Loader提供程序模板,；Windows DDK將嵌入固件后的模板編譯為系統(tǒng)文件；制作相應(yīng)的inf文件,，使計算機(jī)系統(tǒng)在發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)后,，自動將固件下載入CY7C68013A。
USB設(shè)備驅(qū)動程序采用Jungo公司的WinDriver軟件開發(fā),。具體實現(xiàn)過程為：連接本系統(tǒng)后運行DriverWiz-ard向?qū)?，選擇對應(yīng)的 USB設(shè)備，生成對應(yīng)的．ini文件,；然后在設(shè)備診斷對話框中檢測到USB接口各端點的正確設(shè)置后,，選擇適合的編譯環(huán)境即可生成驅(qū)動程序和API函數(shù)的示例代碼。
上位機(jī)軟件采用Visual C++6．0語言開發(fā),，操作界面友好,。由于FPGA程序并未完成對整個微流控過程的控制，所以這一任務(wù)由上位機(jī)軟件來完成,。上位機(jī)可以通過狀態(tài)機(jī)模塊對其他各個控制模塊詢問狀態(tài),、施加命令,，以及讀取返回數(shù)據(jù)。
4 結(jié) 論
本系統(tǒng)以FPGA芯片為控制核心,，使用VerilogHDL語言編制了信號調(diào)理模塊,、A／D模塊、高壓模塊,、溫度控制模塊以及USB傳輸模塊的程序,；另外還編寫了基于Windows XP的驅(qū)動程序與控制軟件。在選取串行控制的A／D芯片節(jié)約控制端口的同時,，采用具有大量控制端口的FPGA作為系統(tǒng)的控制芯片,，實現(xiàn)了同時對30個 PCR芯片的控制。該系統(tǒng)通過并行控制多個芯片,，提高了PCR的檢測效率,，可應(yīng)用于需大批量芯片檢測的場合。本文提出的使用FPGA控制微流控芯片的方法具有集成度高的優(yōu)點,，大幅提高了芯片的檢測效率，具有較高的實用價值,。
發(fā)布者：小宇