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基于FPGA的微流控芯片电泳控制系统设计

作者:时间:2009-09-21来源:网络收藏

1 概 述
微型全分析系统的概念由Manz于20世纪90年代初提出,是集进样、样品处理、分离检测为一体的微型检测和分析系统。是其主要部件,采用微电子机械系统技术集成了微管道、微电极等多种功能元器件。技术是指以电场方式驱动样品在芯片的微管道中流动,然后再通过光电倍增管(Photo Multiplier Tube,PMT)将被测试样品所产生的微弱信号转换为电信号,并对该信号进行采集与处理。与常规毛细管系统相比,该技术具有分离时间短、系统体积小、集成度高等优点,被广泛应用于药品筛选以及I临床诊断中。聚合酶链式反应(Palymerase Chain Reaction,PCR)是一项在短时间内体外大量扩增特定DNA片段的分子生物学技术。目前已有的PCR控制系统一般采用单片机作为控制核心,成功地实现了对单个进行控制。然而在需要高效快速、大规模应用微流控芯片的场合,由于单片机的控制端口数量有限,难以实施控制。本文选取串行控制的 A/D与D/A芯片,减少了所需控制端口数量;采用具有大量控制端口的现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,)作为系统的控制芯片,在使用VerilogHDL语言对其编程后,可同时对30个PCR芯片实施控制。

本文引用地址:http://www.amcfsurvey.com/article/191922.htm

2 硬件设计
系统以芯片为控制核心,实现对信号调理模块、A/D模块、高压模块、温度控制模块以及USB传输模块的控制。具体结构示意图如图1所示。虚线框内为相应的控制信号。

采用Xilinx公司的Spartan II 2S100-PQ208-5。PQ208表示其封装为208引脚,“5”表示时延为5 ns。该器件密度为1O万门,内置5 KB的RAM,最高工作频率可达到125 MHz,用户可编程使用的I/O端口数目多达196个。工作核心电压引脚接+2.5 V电源,其输入/输出(I/O)引脚支持TTL、LVTTL电平逻辑,需接+3.3 V电源。程序存储采用CPLD加Flash的方式。Spartan II系列的FPGA支持4种配置模式:从串行模式、主串行模式、从并行模式和边界扫描模式。在调试时期,采用边界扫描模式。在程序编制成功后,使用通用编程器将程序烧入由EPROM组成的配置存储器,然后将3个配置引脚全设置为高电平,采用从串行模式进行配置。


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