基于FPGA的生物芯片掃描儀的位置檢測

引言
生物芯片是20世紀末隨“人類(lèi)基因組計劃”的研究和發(fā)展而產(chǎn)生的一項高新技術(shù)，是人們高效地大規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(guò)對激發(fā)點(diǎn)的成像，檢測一個(gè)點(diǎn)；結合生物芯片X-Y二維精密掃描臺上移動(dòng)，實(shí)現對整片的掃描。 X-Y二維掃描臺的位置檢測精度直接影響著(zhù)掃描分辨率――生物芯片掃描儀性能的關(guān)鍵參數?；趥鹘y的數字電路的生物芯片掃描儀中X-Y二維掃描臺的位置檢測電路存在計數誤差和誤清零問(wèn)題，本文以基于FPGA設計的位置檢測電路來(lái)解決。以FPGA芯片代替傳統的數字電路，不僅可提高系統的集成度和可靠性，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FPGA編程，電路設計更加靈活，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二維掃描臺位置檢測原理

圖1 2

X-Y二維掃描臺X向、Y向位置檢測元件采用開(kāi)式光柵，50線(xiàn)/mm,由專(zhuān)用細分尺10細分后，測量分辨為2μm。開(kāi)式光柵直接利用光電轉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相用于基準點(diǎn)定位，其邏輯電平都為5V。當A相方波超前B相方波90時(shí)，表示位移方向為正方向，如圖1所示；當A相方波滯后B相方波90時(shí)，表示位移方向為反方向，如圖2所示。掃描臺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二維掃描臺的位置檢測首先要解決對光柵信號的辨向問(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方向位置檢測精度應高于2μm，以減少掃描臺的定位誤差，因此要對光柵信號進(jìn)一步細分；此外，還要完成將光柵信號轉換成控制器能讀取的位置數據，當X向、Y向位移方向為正時(shí)，此位置數據遞增；當X向、Y向位移方向為負時(shí)，此位置數遞減，并要保證實(shí)時(shí)的準確可靠的提供X、Y向的位置數據，作為控制器（如單片機、DSP）精確定位X-Y二維掃描臺位置的依據。

原有的生物芯片掃描儀中X-Y二維掃描臺的一個(gè)方向的位置檢測采用4倍頻專(zhuān)用集成電路Q(chēng)A740210對光柵信號進(jìn)行辨向、細分，用4片4位二進(jìn)制74LS193計數器級聯(lián)實(shí)現對細分后的光柵信號16位計數，計數值（即位置數據）通過(guò)2片8位74LS245緩沖器輸出至控制器。這樣，X、Y兩個(gè)方向的位置檢測電路多達14片芯片，占用大量的PCB空間，布線(xiàn)復雜，板上信號間的串擾易引起計數誤差和誤清零現象，影響掃描臺的精確定位。若只用一片FPGA實(shí)現位置檢測電路，輸入為光柵信號，輸出即為位置數據，直接送入控制器，避免PCB板間信號串擾，就能有效消除計數誤差和誤清零現象。

2 X-Y二維掃描臺位置檢測的FPGA設計方案

圖3

選用Spartan-II系列FPGA（XC2S15-5VQ100）作為X-Y二維掃描臺的位置檢測電路，并行的對X、Y兩路光柵信號的進(jìn)行辨向、細分、計數，并提供與控制器的接口，實(shí)時(shí)可靠的將X、Y向位置數據傳送給控制器。

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

對Y向同樣如此。本論文只以X向說(shuō)明之。

2.1 辨向細分設計
由圖1和圖2可知，當光柵正向移動(dòng)時(shí)，A相、B相的電平邏輯表現為“00”→“10”→“11”→“01”→“00” 序列；當光柵反向移動(dòng)時(shí)，A相、B相的電平邏輯表現為“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相信號采樣，作為當前XA、XB值，以二維向量AB_new記之，AB_new通過(guò)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)負脈沖，XCU保持為高電平不變。X向光柵信號變化一個(gè)周期，如果A相超B相90（位移方向為正），XCU就會(huì )輸出四個(gè)負脈沖，如果A相滯后B相90（位移方向為負），XCD就會(huì )輸出四個(gè)負脈沖，同時(shí)實(shí)現了辨向與細分功能。

2.2 可逆計數器設計

用兩個(gè)16位二進(jìn)制計數器對兩路脈沖信號XCU、XCD分別計數，然后用一個(gè)16位減法器對此兩個(gè)計數器的計數值作差，被減數為XCU的計數值XUPCNT，減數為對XCD的計數值XDOWNCNT，其差作為X向的位置數據XCNT。這樣， XCU有計數脈沖時(shí)，XCNT就會(huì )增加，而XCD有計數脈沖時(shí)，XCNT就會(huì )減小，實(shí)現了可逆計數。結合前面的辨向細分電路，使X向的位置數據在正向位移時(shí)增加，反向位移時(shí)減少。位置數據的變化真實(shí)反映了位移情況。

2.3 接口電路設計
接口電路是控制器實(shí)時(shí)可靠讀取X向、Y向的位置數據或清零的接口。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位數據線(xiàn)CNT用于FPGA向控制器傳送位置數據，控制器的3位地址線(xiàn)ADDR作為譯碼電路的輸入：能分別輸出X、Y向位置數據，以及分別對X、Y向計數器清零。譯碼電路可使X向、Y向位置數據復用16位數據線(xiàn)，高效的利用控制器的端口資源；對3位地址信號譯碼產(chǎn)生清零信號，能有效地防止在只使用一根信號線(xiàn)時(shí)受干擾等原因而引起的誤清零現象。

3 設計仿真和實(shí)現
在 ISE6.1i 開(kāi)發(fā)平臺上，用VHDL語(yǔ)言對辨向細分、計數、接口電路進(jìn)行編程實(shí)現。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辨向、細分、計數，下面只以X向說(shuō)明：辨向細分電路根據兩路正交的方波信號XA、XB的相位差分別在XCU, XCD上輸出頻率為XA、XB4倍的計數脈沖，實(shí)現了辨向細分；可逆計數器分別對XA、XB計數，計數值的差XCNT隨X向的位移方向的變化增加或減少；當控制器的地址譯碼信號ADDR為“101”時(shí)， X向的位置數據XCNT輸出到16位數據線(xiàn)CNT；當ADDR為“110”時(shí)，FPGA將Y向的位置數據YCNT輸出到CNT；當地址線(xiàn)ADDR為“001”時(shí)，X向位置數據XCNT清零，CNT表現為高阻態(tài)；當ADDR為“010”時(shí)，Y向位置數據YCNT清零， CNT表現為高阻態(tài)；當ADDR為其他任意值時(shí)，CNT都表現為高阻態(tài)，使控制器能向其他外設交換數據。將代碼下載到XC2S15-5VQ100后，用于生物芯片掃描儀中，準確可靠的實(shí)現了位置檢測功能。

4 結論

用FPGA實(shí)現X-Y二維掃描臺的位置檢測電路，提高了系統的集成度，位置檢測快速可靠。并且，FPGA工作頻率高、設計靈活，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。

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