基于FPGA的生物芯片掃描儀的位置檢測

引言

--- 生物芯片是20世紀(jì)末隨“人類基因組計(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)記待測樣品分子。生物芯片掃描儀用激光激發(fā)熒光染料，通過對激發(fā)點(diǎn)的成像，檢測一個(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)對整片的掃描。 X-Y二維掃描臺(tái)的位置檢測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)。基于傳統(tǒng)的數(shù)字電路的生物芯片掃描儀中X-Y二維掃描臺(tái)的位置檢測電路存在計(jì)數(shù)誤差和誤清零問題，本文以基于FPGA設(shè)計(jì)的位置檢測電路來解決。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200MHz，通過硬件描述語言對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。

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1 X-Y二維掃描臺(tái)位置檢測原理

圖1 2

--- X-Y二維掃描臺(tái)X向、Y向位置檢測元件采用開式光柵，50線/mm,由專用細(xì)分尺10細(xì)分后，測量分辨為2μm。開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较颍鐖D1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。

--- 因此，X-Y二維掃描臺(tái)的位置檢測首先要解決對光柵信號(hào)的辨向問題，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方向位置檢測精度應(yīng)高于2μm，以減少掃描臺(tái)的定位誤差，因此要對光柵信號(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)方向的位置檢測采用4倍頻專用集成電路QA740210對光柵信號(hào)進(jìn)行辨向、細(xì)分，用4片4位二進(jìn)制74LS193計(jì)數(shù)器級聯(lián)實(shí)現(xiàn)對細(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)位置檢測的FPGA設(shè)計(jì)方案

圖3

--- 選用Spartan-II系列FPGA（XC2S15-5VQ100）作為X-Y二維掃描臺(tái)的位置檢測電路，并行的對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3位地址信號(hào)ADDR譯碼，通過XCLR、YCLR對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Y向同樣如此。本論文只以X向說明之。

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。

--- 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通過一級觸發(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 開發(fā)平臺(tái)上，用VHDL語言對辨向細(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。

圖4

--- 由圖4可看出，X、Y向可并行的對光柵信號(hào)辨向、細(xì)分、計(jì)數(shù)，下面只以X向說明：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)的位置檢測電路，提高了系統(tǒng)的集成度，位置檢測快速可靠。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發(fā)時(shí)間和成本。

參考文獻(xiàn)

1 James R.Armstrong, F.Gail Gray. VHDL Design Representation and Synthesis. Prentice Hall PTR, Inc.2003
2 Xilinx DS001 September 3,2003