基于FPGA的生物芯片扫描仪位置检测

引言 　　生物芯片是20世纪末随“人类基因组计划”的研究和发展而产生的一项高新技术，是人们高效地大规模获取生物信息的有效手段。目前大部分生物芯片采用荧光染料标记待测样品分子。生物芯片扫描仪用激光激发荧光染料，通过对激发点的成像，检测一个点；结合生物芯片X-Y二维精密扫描台上移动，实现对整片的扫描。X-Y二维扫描台的位置检测精度直接影响着扫描分辨率——生物芯片扫描仪性能的关键参数。基于传统的数字电路的生物芯片扫描仪中X-Y二维扫描台的位置检测电路存在计数误差和误清零问题，本文以基于FPGA设计的位置检测电路来解决。以FPGA芯片代替传统的数字电路，不仅可提高系统的集成度和可靠性，而且 基于FPGA的生物芯片扫描仪位置检测技术是现代生物信息技术中的关键组成部分，它与生物芯片技术密切相关。生物芯片，作为一种高技术产品，源于20世纪末的“人类基因组计划”，是获取大规模生物信息的高效工具。在生物芯片分析过程中，通常会使用荧光染料标记待测样本分子，然后通过生物芯片扫描仪来检测。扫描仪通过激光激发荧光，通过X-Y二维扫描台的精确移动，实现对整个芯片的全面扫描。 扫描仪的性能主要取决于X-Y二维扫描台的位置检测精度，这直接影响到扫描分辨率。传统方法中，基于数字电路的位置检测电路存在计数误差和误清零问题，影响了扫描的精确性。为了克服这些问题，本文提出了一种基于FPGA（Field-Programmable Gate Array）的设计方案，用以优化位置检测电路。 FPGA是一种可编程逻辑器件，它具有高度集成和高可靠性的特点。与传统的数字电路相比，FPGA可以达到更高的工作频率，例如超过200MHz。利用硬件描述语言（如Verilog或VHDL）编程，FPGA能够实现更加灵活的电路设计，为生物芯片扫描仪的高速扫描和高分辨率提供了更多可能。 在X-Y二维扫描台的位置检测中，采用开式光栅作为位置检测元件，分辨率为2μm。光栅输出三相方波A、B、Z，其中A、B相位差90°，用于确定位移方向，Z相则用于基准定位。通过解析A、B相的相位关系，可以判断扫描台的移动方向，同时通过细分提高位置检测的精度。为了保证扫描质量，位置检测精度需高于2μm，以减少扫描台的定位误差。 原系统中，X-Y扫描台位置检测采用了多个专用集成电路和计数器，导致电路复杂，容易出现计数误差和误清零问题。而FPGA解决方案则可以将所有功能集成在一个芯片内，输入光栅信号，直接输出位置数据，减少PCB上的信号干扰，从而提高位置检测的准确性和实时性。 具体设计上，选择了Spartan-II系列的FPGA（XC2S15-5VQ100），其内部结构包含X、Y两路的辨向细分电路、计数模块以及与控制器的接口电路。辨向细分电路根据A、B相的电平变化来判断位移方向，计数模块则对细分后的信号进行计数，计算位置数据。接口电路则处理地址信号，控制计数器的清零及选择输出位置数据的方向。 基于FPGA的生物芯片扫描仪位置检测电路设计通过高度集成的方案，显著提高了系统的精度和可靠性，减少了错误的发生，对于提升生物芯片扫描仪的整体性能具有重要意义。这种方法不仅简化了硬件结构，还降低了制造成本，为生物信息学研究提供了更先进的技术支持。