生物芯片扫描仪硬件电路设计

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生物芯片扫描仪硬件电路设计

摘要：介绍了自动设计的生物芯片扫描仪的硬件电路及其配套软件的设计。核电路以DSP为核心处理器，以单片机为从处理器，并结合CPLD、USB、A/D、D/A等各种芯片构成。生物芯片扫描仪的研究成功，将推动我国生物芯片技术的发展。    关键词：生物芯片扫描仪 生物芯片检测技术 DSP USB2.0
生物芯片技术是20世纪末发展起来的一项新技术。生物芯片是在微小面积上，利用微加工技术，并结合有关的化学合成技术制造而成的一种具有一定分子生物学检验功能的微型器件。分析和解释生物芯片上得到的信息，将在DNA结构与功能之间架起一道桥梁，进而推进生命科学的迅速发展。
目前，荧光标记是生物芯片信息采集中使用最我也最成功的报告标志。检测荧光信号的生物芯片扫描仪主要有PMT（光电倍增管）激光共聚集扫描仪和CCD生物芯片扫描仪两种。与CCD生物芯片扫描仪相比，PMT激光共聚焦扫描仪的主要优点在于：PMT器件的分辨率比CCD器件要高；并且，根据共聚焦原理，PMT器件只能接收通过探测针孔的光，而来自生物芯片其它部件的杂散光因在共焦针孔处不能成像而被滤除，结果得到的是一个具有高分辩率和高对比度的图像。因此，目前商业的生物芯片扫描仪大都是PMT激光共聚焦扫描仪。

1 仪器组成及工作原理
设计的生物芯片扫描仪是双光路、平台移动型的激光共聚焦扫描仪。图1是整个扫描仪的工作原理图。整台仪器主要由激光器（波长为532nm的绿色激光，可诱导Cy3产生荧光；波长为635nm的红色激光，可诱导Cy5产生荧光）、PMT、电机及驱动器、扫描运动平台、单片机（89S8252）、DSP（TMS320LF2407）、计算机等硬件及各种配套的应用软件组成。
激光器发出的激光经过光路选择器，选通两路激光中的一路（例如532nm的绿光），照射产生荧光(570nm)。荧光被激发物镜汇集成平行光。二向色镜具有半透半反的特性，一面透射光线，另一面反射光线。荧光光束被二向色镜反射到窄滤光片。窄带滤光片能够滤掉荧光以外的光（如从生物芯片上反射回的532nm激光），荧光被接收物镜汇聚在共轭探测针孔上。针孔能对光束进行整形，限制像点的直径，也可以通过调整针孔在小改变系统的分辨率。通过探测针孔的光由PMT进行光电转换，得到的电信号经过滤波、放大，再由A/D转换器将模拟信号转化为数字信号。DSP对得到的认号进行分析、处理，并通过USB模块传送到计算机。DSP除了分析、处理采样数据外，还要经过D/A转换器调节PMT的增益以及对计算机发来的数据、命令进行译码并控制单片机。单片机是运动控制系统的核心，主要用于控制激光的选择，激发物镜的调焦和扫描平台的运动。
2 仪器硬件电路及其配套软件设计
仪器硬件电路框图如图2所示。由于芯片扫描仪采样周期短，对实时控制要求高，因此采用DPS作为核心处理器。在此选择了TI公司推出的TMS320LF2407。它是专门针对控制领域应用的一款DSP，具有高速信号处理和数字控制功能所必需的体系结构，其指令执行速度高达40MIPS，且大部分的指令都可以在一个25ns的单周期内执行完毕。另外，它还具有非常强大的片内I/O端口和其它外围设备，可以简化外围电路设计，降低系统成本。
DSP与计算机之间通过USB模块进行通信，传输内容包括系统控制指令、系统控制数据、系统返回状态、采样数字；DSP与单片机之间控制指令、运动控制数据、运动控制状态；DSP与控制信号处理及PMT控制单元之间采用并行总线通信。
PMT是生物芯片扫描仪的核心检测器件，根据仪器要求选择合适的PMT对提高整个检测系统的性能很关键。为检测微弱荧光信号，需要高灵敏度、高信噪比、大动态范围的PMT。此外，为适应快速扫描，PMT的响应速度也要达到一定的要求。

    在本仪器中，由CPLD构建各种逻辑功能单元，如地址译码器、数据锁存器、脉冲计算器等。此外，由于硬件设计时对实际应用的要求不可能考虑得十分周全，因此要求具有足够的冗余和灵活性，使用CPLD可以达到这一要求。通过将可能需要的各种信号端口及各芯片未用的控制及I/O端口引入CPLD，由于CPLD的大容是和现场可编程性，可以根据不同需求对电路进行现场修改，从而增大了系统的灵活性，方便了日后的系统功能升级。
DSP程序在Code Composer ‘C2000平台上设计，单片机程序在伟福V3.20平台上设计。DSP和单片机软件的设计均采用前后台的编程方式，后台采用死循环轮询方式，前台则处于等待中断的状态，一旦中断发生就会打断后台的轮询，跳入中断服务程序，执行相应操作。在编程语言上，采用C语言和汇编语言混合编程。一方面，C语言可读性强，便于编程，能缩短软件开发周期，也有利于以后的软件维护；另一方面，汇编语言效率比较高，对于实时性要求比较高的操作可以采用汇编语言编程。
2.1 信号采集、处理及PMT控制单元
信号采集、处理及PMT控制单元框图如图3所示。主要功能为：对PMT输出的信号进行滤波、放大处理，通过A/D将PMT采集的模拟信号转变为数字信号，控制调节PMT的增益。生物芯片扫描仪的采样频率为40kHz，而种噪声的频率大都高于1MHz，因此构建二阶RC低通滤波器。设计滤波器的截止频率为200kHz。能够在有效滤除频噪声的情况下保证有效信号不失真地通过。信号放大电路用于对PMT输出的信号进行放大调理，放大到A/D的采样范围。这样可以充分利用A/D的分辨率，增加系统的动态范围。在这里使用两片具有低噪声、低输入电流偏移、低直流电压输出偏移特性的高精度运放大镜OP07，构成二级放大电路，放大倍数可以为1、2、4、8、16、32、64或1、10、100。A/D转换器选用ANALOG DEVICES公司的高速、低噪声、16位模、数转换器AD7665。12位D/A转换器用于调节PMT的增。
2.2 SPI通信
扫描仪的DSP和单片机之间采用SPI方式通信，主机（TMS320LF2407）进行系统综合功能管理，从机（单片机89S8252）用于实现具体控制功能。主机上的SPISCLK为从机提供时钟信号；主机上的SPIMOSI输出信号，从机上的MOST输入信号；从机上的MISO输出信号，主机上的SPIMISO输入信号。另外，从机有两个状态信号S1、S2，用于指示当前从机工作状态。从机的SPI中断不能屏蔽，主机通过判断S1和S2确定当前从机状态（见表1）。
表1 模块状态信号

序号	S2	S1	内 容
1	1	1	执行正确
2	1	0	执行失败
3	0	1	忙
4	0	0	等待下一字节

注：①执行正确，此时系统空闲。
    ②执行失败，此时系统空闲。
    ③忙，系统正在处理中，只有急停命令可以执行。
    ④等待下一字节，命令没有接完。
SPI通信流程说明：
（1） 从机在空闲状态对从机SPI bufer赋值ACK，并置S1、S2（1，1）。
（2） 主机将要发送的指令置入主机SPI buffer，检测蛭S1、S2为（1，1）时启动发送。
（3） 发送结束后，主机的SPI buffer应该收到ACK，否则本次传送失败；主机应发送软复位指令RESET，直至从机S1、S2状态为（1，1）。
（4） 从机收到主机第一个传输后，将S1、S2置为（0，0），表明指令解释中，如果指令正确，置SPI buffer为ACK或应返回状态，否则置NOK。若没有接收完成所有指令，从机置S1、S2为（0，0），等待主机发送。
（5） 从机全部接收正确后，在指令招待前置S1、S2为（1，0），并于指令执行完毕后，先置SPI buffer为ACK，然后置S1、S2为（1，1）或（0，1）。
2.3 USB接口
在这里采用时下最为流行的USB接口方式，进行DSP与计算机之间的通信。该方式具有安排方便、带宽高、易于扩展等优点，已逐渐成为现代数字传输的发展趋势。USB芯片选用Cypres公司生产的CY7C68001，它支持USB2.0协议，最高传输速度可达480Mb/s.
CY7C68001是用来连接微处理器或是DSP的DMA从装置，其内部不含微处理器。内部集成有串行接口引擎（SIE）、4Kbyte的FIFO和电压调节器；支持高速（480Mb/s）或全速（12Mb/s）传输；3.3V操作电压，24MHz外部振荡频率；可以选择8位或16总线方式。它可以向用户提供足够的端口、缓冲区和传输速度；提供USB2.0协议要求的全部四种传输方式（控制传输、中断传输、批量传输和同步传输），可以满足用户对各种类型数据传输的需求。片上的串行接口处理机（SIE）能完成大部分的USB协议操作，使用户可以摆脱复杂的协议细节，简化了用户配置代码，加快了程序开发过程。
由于采用的是不带MCU内核的USB接口芯片，所以USB固件的加载必须靠DSP控制CY7C68001完成。固件编程（Firmware Programming）要在Code Composer ‘C2000平台上编写，以完成USB2.0规范所要求的标准请求及扫描仪本身的请求。
本文设计了一种以DSP为核心的激光共聚焦扫描仪经过各项测试证明，设计的扫描仪达到了国际同类产品的水平。它的研制成功必须对我国生物芯片技术的发展起巨大的推动作用。

李小路

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