基于SOPC的低電壓電泳芯片系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

　　1 　引　言

　　生物芯片的控制、檢測(cè)與分析是生物芯片技術(shù)中的重要組成部分，最早的應(yīng)用起源于毛細(xì)管電泳芯片的檢測(cè)，其目的是實(shí)現(xiàn)基因片段的分離。從電泳芯片的研究現(xiàn)狀可以看出，目前研究主要是將毛細(xì)管電泳技術(shù)移植到以玻璃、硅、有機(jī)物等材料為基片的芯片中。利用電泳系統(tǒng)較短的分離溝道和良好的散熱特性，在較高的場(chǎng)強(qiáng)下完成快速、高效的分離分析。但由于其工作電壓高（一般在幾千伏左右）、體積較大、進(jìn)樣、分離、檢測(cè)多為分離組裝式，實(shí)驗(yàn)室局限性強(qiáng)，不適應(yīng)在芯片上完成化學(xué)反應(yīng)及檢測(cè)、分析的發(fā)展。為此近年來(lái)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)低電壓、便攜式、高集成度的生物芯片控制與檢測(cè)系統(tǒng)一直以來(lái)是研究人員研究的熱點(diǎn)[1-4]。本文著重討論了基于Altera公司FPGA的嵌入式處理器NiosII內(nèi)核及SOPC軟、硬件設(shè)計(jì)技術(shù)在低電壓毛細(xì)管電泳芯片 (Low Voltage Integrated Capillary Electrophoresis Chip, LVICEC)控制與采集系統(tǒng)中的應(yīng)用。

　　2 LVICEC運(yùn)動(dòng)梯度電勢(shì)控制原理

　　毛細(xì)管電泳芯片通常以玻璃、石英、硅、塑料等為基質(zhì)，運(yùn)用MEMS加工技術(shù)刻蝕出直徑為微米級(jí)的通道網(wǎng)絡(luò)，在這些網(wǎng)絡(luò)中，以電場(chǎng)為驅(qū)動(dòng)力，根據(jù)不同離子、分子、以及細(xì)胞在電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)速度的不同，對(duì)混合物(離子、分子、細(xì)胞等)實(shí)現(xiàn)分離。通常采用的電泳電壓為高電壓，如Jacobson等所采用的 35KV/cm。較高的分離電壓制約了電泳芯片向集成化、便攜式、低成本的方向發(fā)展[5]。而低電壓分離的思想在于，在電泳分離的通道上，按一定控制算法，分段、運(yùn)動(dòng)式交替施加分離電壓，在較短長(zhǎng)度的分離通道上采用低電壓供電方式得到較高電場(chǎng)分布，其控制原理及運(yùn)動(dòng)模型見(jiàn)圖1所示。

　　設(shè)分離電壓為Ｖ，初始分離間距為2a， 分別為第j 次所加的場(chǎng)強(qiáng)、循環(huán)次數(shù)、電壓施加的時(shí)間及第j次分離完成后的總分離長(zhǎng)度。分離過(guò)程中，首先在分離電極陣列1，3之間施加電壓Ｖ(E1＝V/2a),驅(qū)動(dòng)樣品組分向正方向運(yùn)動(dòng)，在恒定的時(shí)間t1段內(nèi)，以恒定的電場(chǎng)強(qiáng)度E1將電壓V施加在2，4分離電極陣列之間，依次類(lèi)推，直至以t1和E1為控制時(shí)間和分離場(chǎng)強(qiáng)的第1階段的循環(huán)次數(shù)c1結(jié)束，然后增加電壓所施加的長(zhǎng)度E2＝V/3a進(jìn)入控制時(shí)間為t2分離場(chǎng)強(qiáng)為E2循環(huán)次數(shù)為c2的第2階段，如此遞推，在分離通道上分段、交替循環(huán)地施加分離電壓，從而形成運(yùn)動(dòng)的梯度電勢(shì)完成樣品組分的分離。

圖1 低電壓毛細(xì)管電泳芯片控制原理及運(yùn)動(dòng)模型示意圖

　　3 低電壓電泳芯片系統(tǒng)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)

　　3.1 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)方案

　　系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是先通過(guò)負(fù)壓進(jìn)樣后，在低電壓運(yùn)動(dòng)控制器的作用下，分段、交替輸出分離電壓到分離電極上，形成一定的運(yùn)動(dòng)梯度電場(chǎng)，待分離組分在梯度電場(chǎng)的作用下，呈現(xiàn)出不同的分離速率，后經(jīng)檢測(cè)器處的信號(hào)采集電路，在NIOSII處理器的控制下將電泳信號(hào)保存到存儲(chǔ)器中，通過(guò)一定的信息輸出方式，最終將電泳信號(hào)傳到PC機(jī)中，進(jìn)行后續(xù)的電泳圖譜分析與處理?；赟OPC的低電壓電泳芯片控制與采集硬件系統(tǒng)主要由低電壓電泳芯片、負(fù)壓進(jìn)樣控制電路、低電壓運(yùn)動(dòng)電壓控制模塊、電泳信號(hào)采集及處理電路模塊、SDRAM存儲(chǔ)器、閃速存儲(chǔ)器flash、操作控制輸入電路、信息輸出電路等部分組成。

　　基于SOPC 的低電壓電泳芯片系統(tǒng)平臺(tái)硬件的總體設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

　　低電壓毛細(xì)管電泳芯片采用MEMS加工技術(shù)，在ITO玻璃基片上經(jīng)清洗、烘干、正膠光刻ITO圖形、濕法腐蝕ITO薄膜、去膠、清洗、烘干等工藝后形成低電壓微電極陣列及電導(dǎo)檢測(cè)器，在玻璃蓋片上經(jīng)清洗、烘干、負(fù)膠光刻、濕法腐蝕、去膠、清洗、烘干等工藝后形成緩沖池、進(jìn)樣溝道以及分離溝道，最后經(jīng)玻-玻鍵合制備而成。[!--empirenews.page--]

　　待分離組分在協(xié)處理器CPU2、負(fù)壓進(jìn)樣、運(yùn)動(dòng)電壓控制等電路模塊作用下，經(jīng)進(jìn)樣通道、分離通道到達(dá)電導(dǎo)檢測(cè)處，在電泳信號(hào)采集電路的采集下，送到主處理器CPU1處理器，CPU1處理后，發(fā)送相應(yīng)控制命令到協(xié)處理器CPU2以及通過(guò)信號(hào)輸出模塊將電泳信號(hào)送到PC機(jī)。協(xié)處理器CPU2得到命令后，對(duì)進(jìn)樣、運(yùn)動(dòng)電壓控制等模塊進(jìn)行相應(yīng)控制，實(shí)現(xiàn)進(jìn)樣、運(yùn)動(dòng)電壓控制輸出以及操作控制數(shù)據(jù)的通信等基本操作。而主處理器CPU1及其電泳信號(hào)采集及處理模塊則實(shí)現(xiàn)基于Avalon流模式的高速信號(hào)采集、電泳信號(hào)預(yù)處理子以及上、下位機(jī)數(shù)據(jù)通訊處理等。在系統(tǒng)中SDRAM用于存放臨時(shí)數(shù)據(jù), 閃速存儲(chǔ)器flash 用于存放固定數(shù)據(jù)和程序，操作控制輸入電路則用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。
 　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中,采用SOPC Builder配置生成片上系統(tǒng)。SOPC Builder是功能強(qiáng)大的基于圖形界面的片上系統(tǒng)定義和定制工具。SOPC Builder庫(kù)包括處理器和大量的IP核及外設(shè)。根據(jù)應(yīng)用的需要, 本系統(tǒng)選用NiosII/f Processor*2、JTAG、UART、On-Chip-Memory、DMA、Interval timer、Parallel PIO、Avalon Tri-State Bridge、SDRAM controller*2，由宏塊生成的片上雙口ARM以及自己定義的運(yùn)動(dòng)電壓控制IP和基于Avalon流模式的電泳信號(hào)采集IP接口等。對(duì)這些模塊配置完成后,使用SOPC Builder進(jìn)行系統(tǒng)生成。SOPC Builder自動(dòng)產(chǎn)生每個(gè)模塊的HDL 文件,同時(shí)自動(dòng)產(chǎn)生一些必要的仲裁邏輯,協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各部件的工作。

　　3.2 系統(tǒng)硬件模塊的設(shè)計(jì)

　　3.2.1 低電壓運(yùn)動(dòng)控制模塊設(shè)計(jì)

　　低電壓運(yùn)動(dòng)控制模塊主要由CPU2來(lái)控制，其主要功能是對(duì)64路電極對(duì)供電電源施加的次序進(jìn)行控制，其實(shí)質(zhì)就是CPU1檢測(cè)電泳信號(hào)后，發(fā)送相應(yīng)標(biāo)志控制字到CPU2，CPU2依據(jù)標(biāo)志控制字實(shí)現(xiàn)對(duì)由8片MAX306多路模擬開(kāi)關(guān)陣列進(jìn)行地址譯碼，而后將電極供電電壓加到相應(yīng)的正負(fù)電極對(duì)上。其低電壓運(yùn)動(dòng)控制模塊硬件電路結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖3所示，其中D0~D7與EN0~EN7分別是電極模擬開(kāi)關(guān)陣列地址選擇及片選使能控制。

圖3 低電壓運(yùn)動(dòng)控制模塊硬件電路結(jié)構(gòu)圖

　　3.2.2 基于Avalon流模式的電泳信號(hào)采集控制器設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了圖4所示基于Avalon流模式電泳信號(hào)采集控制器的硬件接口。該控制器由電泳信號(hào)采集控制接口；FIFO存儲(chǔ)器（利用FPGA中的宏塊生成）；Avalon Streaming Port接口3部分組成，其中電泳信號(hào)采集控制接口實(shí)現(xiàn)前級(jí)電泳信號(hào)調(diào)理電路中的高速16位ADC（MAX195）與FIFO之間的邏輯控制；FIFO實(shí)現(xiàn)輸出的高速數(shù)據(jù)流與外部總線(xiàn)接口的傳輸速度匹配；Avalon Streaming Port接口實(shí)現(xiàn)FIFO輸出與Avalon總線(xiàn)的無(wú)縫連接。

圖4 基于Avalon流模式電泳信號(hào)采集控制器IP核的硬件結(jié)構(gòu)圖

　　3.2.3 主從結(jié)構(gòu)的CPU架構(gòu)[!--empirenews.page--]

　　如圖1所示，在一片CyclonII 2C35 FPGA中，采用SOPC Builder構(gòu)建主從雙CPU架構(gòu)的系統(tǒng)，其中CPU1作主控,負(fù)責(zé)電泳信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、處理及任務(wù)分配；CPU2作協(xié)處理，負(fù)責(zé)低電壓電泳芯片進(jìn)樣控制電路、分離電壓控制。主控CPU1采集電泳信號(hào)后，將部分?jǐn)?shù)據(jù)，如是進(jìn)樣還是分離、是否結(jié)束、電壓是否施加到下一電極對(duì)等標(biāo)志發(fā)送給從CPU2處理, 然后由CPU2再控制相應(yīng)地控制電路，最終實(shí)現(xiàn)電極施加電壓位置與待分離組分運(yùn)動(dòng)范圍保持一致。這種結(jié)構(gòu)由于CPU1和CPU2各自控制一部分電路模塊，且主、從CPU交換的數(shù)據(jù)較少，有利于保障整個(gè)系統(tǒng)的高速采集與控制處理。主從CPU之間數(shù)據(jù)交換通過(guò)內(nèi)嵌的雙口RAM來(lái)實(shí)現(xiàn)。若主、從CPU數(shù)據(jù)交換多且頻繁，一般不采用此種主從結(jié)構(gòu)[6-7]，可采用流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)，無(wú)論怎樣的架構(gòu)，系統(tǒng)都可在不改變硬件的條件下，通過(guò)軟件更新就可實(shí)現(xiàn)雙CPU架構(gòu)的改變。

　　4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，主要包括：基于SOPC Builder定制的低電壓運(yùn)動(dòng)控制模塊設(shè)計(jì)，基于Avalon流模式電泳信號(hào)采集IP核設(shè)計(jì)，負(fù)壓進(jìn)樣控制模塊設(shè)計(jì)、片上系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)軟件設(shè)計(jì)、片上系統(tǒng)與PC機(jī)之間的通訊設(shè)計(jì)以及上位機(jī)電泳譜分析分析軟件等組成。其中，上位機(jī)開(kāi)發(fā)軟件為C++ Builder。由于篇幅有限，本文僅給出低電壓運(yùn)動(dòng)控制控制流程圖以及毛細(xì)管電泳芯片采集與控制軟件結(jié)構(gòu)圖，分別見(jiàn)圖5，圖6所示。

圖5 低電壓運(yùn)動(dòng)控制流程圖

圖6 毛細(xì)管電泳芯片采集與控制軟件結(jié)構(gòu)圖

　　5 結(jié)　論

　　本文提出了一種基于SOPC的低電壓毛細(xì)管電泳芯片采集與控制的實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)在Altera的CyclonII FPGA中利用SOPC Builder庫(kù)中的NiosII軟核處理器，基本IP核以及自定制IP核，能靈活快速地搭建真正意義上屬于自己的采集與控制SOPC系統(tǒng)，縮短開(kāi)發(fā)周期；通過(guò)內(nèi)嵌于FPGA內(nèi)部的NIOSII軟核處理器,能靈活方便地實(shí)現(xiàn)多處理器并行處理結(jié)構(gòu)，保證系統(tǒng)高速處理；采用單芯片實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)使系統(tǒng)解決方案更可靠、更廉價(jià)、更簡(jiǎn)潔；通過(guò)定制指令,利用FPGA多個(gè)并行處理單元, 使得在某些方面的處理能力大大超過(guò)硬核處理器，如DSP處理器；該方案由于采用SOPC技術(shù)能通過(guò)軟件的不斷更新實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件以及軟件的升級(jí)與換代。

　　本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)：將SOPC技術(shù)應(yīng)用于生物芯片的控制與檢測(cè)，在硬件不變的條件下，通過(guò)軟件更新就可對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)換代，特別適合生物芯片技術(shù)前期開(kāi)發(fā)以及探索性研究。