基于FPGA的微流控芯片電泳控制系統設計

　1 概 述

　　微型全分析系統的概念由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。微流控芯片是其主要部件，采用微電子機械系統技術集成了微管道、微電極等多種功能元器件。微流控芯片的電泳技術是指以電場方式驅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)將被測試樣品所產生的微弱信號轉換為電信號，并對該信號進行采集與處理。與常規毛細管電泳系統相比，該技術具有分離時間短、系統體積小、集成度高等優點，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)是一項在短時間內體外大量擴增特定DNA片段的分子生物學技術。目前已有的PCR控制系統一般采用單片機作為控制核心，成功地實現了對單個微流控芯片進行控制。然而在需要高效快速、大規模應用微流控芯片的場合，由于單片機的控制端口數量有限，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量；采用具有大量控制端口的現場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，FPGA)作為系統的控制芯片，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 硬件設計

　　系統以FPGA芯片為控制核心，實現對信號調理模塊、A／D模塊、高壓模塊、溫度控制模塊以及USB傳輸模塊的控制。具體結構示意圖如圖1所示。虛線框內為相應的控制信號。

　　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個配置引腳全設置為高電平，采用從串行模式進行配置。

　　信號調理模塊由電流轉電壓I—V電路、低通濾波電路組成。I—V電路的輸入為光電倍增管的電流輸出。I—V電路芯片采用的是安森美半導體公司的 MC33501，該芯片的輸入偏置電流典型值為40 fA，非常適用于微弱光電流信號的測量。反饋電阻選取1 MΩ的標稱值，可將1μA的電流轉換為1 V的電壓。轉換后的電壓信號再經過運算放大器OP07組成的二階巴特沃茲低通濾波器，其截止頻率可設置在1 Hz以下。A／D模塊采用TI公司的12位串行A／D轉換器ADS7818。該芯片僅8個引腳，采用串口方式控制和輸出數據。如圖2所示，對A／D模塊進行控制只需占用FPGA的3個控制端口(CONV、CLK、DATA)。FPGA可編程使用的I／O端口數目多達196個，在除去其他芯片的控制端口后，足以勝任同時控制30個A／D模塊的工作。這也意味著可同時對30個PCR芯片實施數據采集。

　　高壓控制模塊由TI公司的D／A芯片TLV5630和高壓模塊實現。高壓模塊的輸出與其輸入控制電壓成正比。TLV5630具有8通道的12位輸出，可以使高壓模塊的電壓步進精確控制在1 V量級。FPGA通過RS232接口與溫度模塊通信，通過發送命令字與接收返回信息來控制溫度。

　　系統需要接口將數據上傳至計算機，而計算機的命令參數也通過此接口下載至本系統中。USB2．0接口的傳輸速率達到480 Mb／s，可勝任快速傳回數據的任務。本文采用USB2．0接口作為系統與計算機通信的接口，USB的通信芯片選用Cypress公司的 CY7C268013A，工作模式為SlaveFIFO方式。

　3 程序編碼

　　程序編碼包括3部分：一是采用VerilogHDL語言對FPGA編程；二是對CY7C68013A的固件編程；三是WindowsXP環境下驅動程序的開發以及上位機控制軟件的編程。與系統結構相對應，FPGA的控制模塊包括A／D模塊、D／A模塊、RS232模塊、USB模塊以及狀態機模塊。模塊共用同一個時鐘與復位信號。除狀態機模塊外，其他模塊都將信號封裝為狀態輸出、命令輸入、選通輸入、數據輸出4個部分，由狀態機模塊對其實施控制。如圖3所示，狀態機模塊讀取USB模塊從上位機得來的命令并翻譯，然后對所指定的模塊輸入命令或者讀取信息，最后返回操作成功信息。FPGA擅長于高速的邏輯與時序控制，便于控制具體的芯片，但不適于整體復雜的流程控制。采用這種方式編程的好處在于，避免了FPGA復雜的流程控制編程，而將這一任務交給上位機去完成。

　　FPGA程序采用VerilogHDL語言在ISE6．2環境下編寫。經ModelSim5．7g仿真無誤后，在FPGA Compile-rII3．7環境下編譯為bin文件；再經過ISE6．2的iMPACT工具燒入FPGA的配置存儲器，上電后FPGA即可正常工作。 A／D部分的仿真波形如圖4所示。

　　固件在uVision2集成開發環境下采用Keil C51語言開發。固件編譯后，有兩種方法載入CY7C68013A：一種是從EEPROM載入，另一種是從上位機下載。本系統采用第2種方式。 Hex2c．exe將固件目標碼轉換為C語言 數組形式；EZ-Loader提供程序模板；Windows DDK將嵌入固件后的模板編譯為系統文件；制作相應的inf文件，使計算機系統在發現數據采集系統后，自動將固件下載入CY7C68013A。

　　USB設備驅動程序采用Jungo公司的WinDriver軟件開發。具體實現過程為：連接本系統后運行DriverWiz-ard向導，選擇對應的 USB設備，生成對應的．ini文件；然后在設備診斷對話框中檢測到USB接口各端點的正確設置后，選擇適合的編譯環境即可生成驅動程序和API函數的示例代碼。

　　上位機軟件采用Visual C++6．0語言開發，操作界面友好。由于FPGA程序并未完成對整個微流控過程的控制，所以這一任務由上位機軟件來完成。上位機可以通過狀態機模塊對其他各個控制模塊詢問狀態、施加命令，以及讀取返回數據。

　　4 結 論

　　本系統以FPGA芯片為控制核心，使用VerilogHDL語言編制了信號調理模塊、A／D模塊、高壓模塊、溫度控制模塊以及USB傳輸模塊的程序；另外還編寫了基于Windows XP的驅動程序與控制軟件。在選取串行控制的A／D芯片節約控制端口的同時，采用具有大量控制端口的FPGA作為系統的控制芯片，實現了同時對30個 PCR芯片的控制。該系統通過并行控制多個芯片，提高了PCR的檢測效率，可應用于需大批量芯片檢測的場合。本文提出的使用FPGA控制微流控芯片的方法具有集成度高的優點，大幅提高了芯片的檢測效率，具有較高的實用價值。