基于fpga的生物芯片掃描儀的位置檢測(cè)！

1、基于FPGA的生物芯片掃描儀的位置檢測(cè)！摘要：基于FPGA實(shí)現(xiàn)了生物芯片掃描儀中XY二維掃描臺(tái)的位置檢測(cè)電路，解決原有電路存在的計(jì)數(shù)誤差和誤清零問(wèn)題，提高系統(tǒng)的可靠性。詳細(xì)闡述了FPGA中辨向細(xì)分、可逆計(jì)數(shù)器，接口電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，并給出了仿真波形。關(guān)鍵詞：FPGA；位置檢測(cè)；辨向；細(xì)分；可逆計(jì)數(shù)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

2、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XY二維精密掃描臺(tái)上移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整片的掃描。XY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XY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

3、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。1XY二維掃描臺(tái)位置檢測(cè)原理圖12XY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9

4、0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。因此，XY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

5、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XY二維掃描臺(tái)位置的依據(jù)。原有的生物芯片掃描儀中XY二維掃描臺(tái)的一個(gè)方向的位置檢測(cè)采用4倍頻專用集成電路QA740210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)“00”時(shí)，若AB_new為“10”，即A相超B相前90，X

6、CU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?，XCU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

7、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

8、。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

9、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(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XCUXCD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