基于FPGA的微流控芯片电泳控制系统设计

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。微流控芯片是其主要部件，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。微流控芯片的电泳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。与常规毛细管电泳系统相比，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微流控芯片进行控制。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，FPGA)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。

2 硬件设计
系统以FPGA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。

FPGA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。