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  生物芯片是20世紀末隨“人類基因組計劃”的研究和發展而產生的一項高新技術,是人們高效地大規模獲取生物信息的有效手段。目前大部分生物芯片采用熒光染料標記待測樣品分子贵州快3开奖结果。生物芯片掃描儀用激光激發熒光染料,通過對激發點的成像,檢測一個點;結合生物芯片X-Y二維精密掃描臺上移動贵州快3开奖结果,實現對整片的掃描。X-Y二維掃描臺的位置檢測精度直接影響著掃描分辨率——生物芯片掃描儀性能的關鍵參數?;趥鹘y的數字電路的生物芯片掃描儀中X-Y二維掃描臺的位置檢測電路存在計數誤差和誤清零問題贵州快3开奖结果,本文以基于FPGA設計的位置檢測電路來解決。以FPGA芯片代替傳統的數字電路,不僅可提高系統的集成度和可靠性贵州快3开奖结果,而且FPGA最高工作頻率已超過200MHz贵州快3开奖结果,通過硬件描述語言對FPGA編程,電路設計更加靈活贵州快3开奖结果,為生物芯片掃描儀進一步提高掃描速度和掃描分辨率留了更大的裕量。

  1、X-Y二維掃描臺位置檢測原理

  X-Y二維掃描臺X向、Y向位置檢測元件采用開式光柵,50線/mm,由專用細分尺10細分后,測量分辨為2μm.開式光柵直接利用光電轉換原理輸出三相方波A贵州快3开奖结果、B、Z相。A贵州快3开奖结果、B相方波相位差90°(如圖1、2所示),Z相用于基準點定位,其邏輯電平都為5V.當A相方波超前B相方波90°時,表示位移方向為正方向,如圖1所示;當A相方波滯后B相方波90°時,表示位移方向為反方向贵州快3开奖结果,如圖2所示。掃描臺X向贵州快3开奖结果、Y向每位移2μm,光柵發出一個周期的方波。

  

  因此贵州快3开奖结果,X-Y二維掃描臺的位置檢測首先要解決對光柵信號的辨向問題,辨別出X、Y向的位移方向;其次,為保證生物芯片掃描在最高掃描分辨率為5μm時仍有較高掃描質量贵州快3开奖结果,X、Y方向位置檢測精度應高于2μm贵州快3开奖结果贵州快3开奖结果,以減少掃描臺的定位誤差,因此要對光柵信號進一步細分;此外,還要完成將光柵信號轉換成控制器能讀取的位置數據,當X向、Y向位移方向為正時贵州快3开奖结果,此位置數據遞增;當X向、Y向位移方向為負時,此位置數遞減,并要保證實時的準確可靠的提供X贵州快3开奖结果、Y向的位置數據贵州快3开奖结果,作為控制器(如單片機、DSP)精確定位X-Y二維掃描臺位置的依據。

  原有的生物芯片掃描儀中X-Y二維掃描臺的一個方向的位置檢測采用4倍頻專用集成電路QA740210對光柵信號進行辨向、細分,用4片4位二進制74LS193計數器級聯實現對細分后的光柵信號16位計數,計數值(即位置數據)通過2片8位74LS245緩沖器輸出至控制器贵州快3开奖结果。這樣,X、Y兩個方向的位置檢測電路多達14片芯片,占用大量的PCB空間,布線復雜贵州快3开奖结果,板上信號間的串擾易引起計數誤差和誤清零現象,影響掃描臺的精確定位贵州快3开奖结果。若只用一片FPGA實現位置檢測電路贵州快3开奖结果,輸入為光柵信號,輸出即為位置數據贵州快3开奖结果,直接送入控制器,避免PCB板間信號串擾,就能有效消除計數誤差和誤清零現象。

  2贵州快3开奖结果、X-Y二維掃描臺位置檢測的FPGA設計方案

  選用Spartan-II系列FPGA(XC2S15-5VQ100)作為X-Y二維掃描臺的位置檢測電路,并行的對X、Y兩路光柵信號的進行辨向贵州快3开奖结果、細分、計數,并提供與控制器的接口,實時可靠的將X、Y向位置數據傳送給控制器。

  FPGA內部模塊劃分如圖3所示:從X向光柵來的A、B兩相方波信號XA,XB由X向辨向細分電路辨向細分后,輸出兩路脈沖信號XCU、XCD,16位計數模塊分別對這兩路脈沖信號進行計數,并將兩計數值XUPCNT、XDOWNCNT相減,其差作為X向的16位位置數據XCNT.接口電路對3位地址信號ADDR譯碼,通過XCLR、YCLR對X、Y計數器分別清零,并選通X向或Y向位置數據輸出到控制器贵州快3开奖结果。

  對Y向同樣如此。本論文只以X向說明之。

  2.1、辨向細分設計

  由圖1和圖2可知,當光柵正向移動時,A相贵州快3开奖结果、B相的電平邏輯表現為“00”→“10”→“11”→“01”→“00”序列;當光柵反向移動時,A相、B相的電平邏輯表現為“00”→“01”→“11”→“10”→“00”序列。因此贵州快3开奖结果,只要能辨別出這兩種序列,就能實現辨向。

  

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  引入外部頻率為10MHz的時鐘源,利用這個時鐘的上升沿同時對A相、B相信號采樣,作為當前XA、XB值贵州快3开奖结果,以二維向量AB_new記之,AB_new通過一級觸發器后贵州快3开奖结果,記為AB_old,AB_new和AB_old都跟隨A相、B相方波信號變化而變化贵州快3开奖结果,只是AB_old要滯后AB_new一個采樣時鐘周期。這樣贵州快3开奖结果,就可以將AB_old和AB_new進行比較:當AB_old為“00”時贵州快3开奖结果,若AB_new為“10”,即A相超B相前90°,XCU輸出一個負脈沖贵州快3开奖结果,XCD保持為高電平不變;若AB_new為“01”,即A相滯后B相90°,XCD輸出一個負脈沖,XCU保持為高電平不變。X向光柵信號變化一個周期,如果A相超B相90°(位移方向為正),XCU就會輸出四個負脈沖,如果A相滯后B相90°(位移方向為負),XCD就會輸出四個負脈沖,同時實現了辨向與細分功能。

  2.2贵州快3开奖结果、可逆計數器設計




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