基于FPGA的微流控芯片電泳控制系統(tǒng)設(shè)計

1 概 述
微型全分析系統(tǒng)的概念由Manz于20世紀90年代初提出，是集進樣、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，并對該信號進行采集與處理。與常規(guī)毛細管電泳系統(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，被廣泛應用于藥品篩選以及I臨床診斷中。聚合酶鏈式反應(Palymerase Chain Reaction，PCR)是一項在短時間內(nèi)體外大量擴增特定DNA片段的分子生物學技術(shù)。目前已有的PCR控制系統(tǒng)一般采用單片機作為控制核心，成功地實現(xiàn)了對單個微流控芯片進行控制。然而在需要高效快速、大規(guī)模應用微流控芯片的場合，由于單片機的控制端口數(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，最高工作頻率可達到125 MHz，用戶可編程使用的I／O端口數(shù)目多達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，采用從串行模式進行配置。