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。