專利名稱：行波介電電泳分離芯片控制與采集系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)(MEMS)領(lǐng)域，特別涉及微流控芯片的控制及微弱信號(hào)采集領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，介電電泳芯片技術(shù)作為一種重要的生物芯片技術(shù)，因其具有分析快速、樣品用量少、靈敏度高、具有非侵入性、易于集成和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，近年來得到
了人們的普遍關(guān)注。按電極結(jié)構(gòu)的不同可將介電電泳芯片分為三大類型常規(guī)介電電泳芯片、行波介電電泳芯片、電旋轉(zhuǎn)芯片。其主要原理是在非均勻電場中，生物顆?？梢员浑妶鰳O化，且不同結(jié)構(gòu)和材料組成的生物顆粒具有不同響應(yīng)的原理，達(dá)到對它們進(jìn)行操控、搬運(yùn)、分離等目的。然而，常規(guī)的介電電泳分離芯片一般根據(jù)不同生物顆粒(如細(xì)胞)的介電性質(zhì)的差異，采用正向介電力和負(fù)向介
電力實(shí)現(xiàn)對生物顆粒(如細(xì)胞)的操控和分離，例如Cheng J的研究小組利用正向介電力、負(fù)向介電力實(shí)現(xiàn)活酵母細(xì)胞與死酵母細(xì)胞的分離(Nature Biotechnolo-gy, 1998(16)， PP: 541-546)。采用正向介電力和負(fù)向介電力，要求被分離的兩種細(xì)胞的介電差異比較大，才能達(dá)到比較好的分離效果。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過程中由于撤掉外加電場，無法實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的連續(xù)分離。且當(dāng)細(xì)胞受正向介電力被吸附到電極邊緣的時(shí)候，由于電極邊緣往往是電場強(qiáng)度最大的地方，過高的電場強(qiáng)度(1000V/m)往往會(huì)對細(xì)胞造成傷害，嚴(yán)重的甚至?xí)辜?xì)胞膜擊穿，細(xì)胞破裂。為了克服常規(guī)介電電泳分離中存在的問題以及契合微型全分析系統(tǒng)要求自動(dòng)化、集成化的特點(diǎn)，提出了基于片上可編程系統(tǒng)(System On Programmable Chip, SOPC)技術(shù)實(shí)現(xiàn)行波介電電泳芯片控制與采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對行波電泳芯片控制特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的一種系統(tǒng)架構(gòu)靈活、升級(jí)換代容易、控制方式便捷、具有功耗低、靈敏度高、易于批量生產(chǎn)且價(jià)格低廉的行波介電電泳分離芯片的控制、采集系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)基于SOPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)行波介電電泳分離芯片的控制與采集。該行波介電電泳分離芯片的控制與采集系統(tǒng)由氧化錫銦(ITO)及聚二甲基硅氧垸(PDMS)制備而成的行波介電電泳分離芯片、CMOS MT9T001圖像傳感器、生物倒置顯微鏡及攝影接筒、上位控制PC機(jī)以及下位控制器等組成。上位控制PC機(jī)實(shí)現(xiàn)下位機(jī)的控制、顯微數(shù)字圖像處理以及電泳分析等功能。下位控制器以嵌入在FPGA中的NIOSII軟核處理器作為中央控制處理器，控制上、下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊，控制分離芯片驅(qū)動(dòng)信號(hào)模塊——嵌入在FPGA中的四相位DDS模塊的輸出，控制CMOS圖像傳感器的初始化配置以及相關(guān)外設(shè)的控制。
本發(fā)明行波介電電泳分離芯片控制與采集系統(tǒng)，在FPGAEP2C35芯片內(nèi)通過SOPC Builder定制專用的下位機(jī)系統(tǒng)，該下位機(jī)系統(tǒng)模塊由NIOSII軟核處理器、四相位DDS模塊、SDRAM控制器、USB控制器、Flash控制器、LCD控制器、鍵盤輸入控制器以及高速圖像數(shù)據(jù)采集控制器組成，其中DDS IP核通過DSPBuilder在Matlab/Simulink中生成；LCD控制器及高速圖像數(shù)據(jù)采集控制器采用用戶自定義邏輯實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明行波介電電泳分離芯片控制與采集系統(tǒng)其工作流程為待分離生物粒子混合物先通過注射進(jìn)樣后，由NIOSII軟核處理器控制四相位DDS模塊輸出四路相位嚴(yán)格相差90。的正弦波信號(hào)，使行波介電電泳分離芯片微溝道內(nèi)產(chǎn)生行波電場，生物粒子受介電電泳力的牽引沿特定的分離溝道做定向遷移，因不同生物粒子介電特性不同，從而呈現(xiàn)出不同的遷移速率，后經(jīng)CMOS圖像傳感器MT9T001采集生物顯微圖像，在基于Avalon流模式的采集控制器作用下將采集到的生物顯微圖像保存到SDRAM中，而后經(jīng)一定圖像處理后，最后通過USB2.0接口將采集到的生物顯微圖像傳到PC機(jī)中，進(jìn)行后續(xù)的生物顯微圖像處理與電泳分析等。
本技術(shù)方案將系統(tǒng)關(guān)鍵模塊通過SOPC技術(shù)封裝到單一 FPGA EP2C35中，構(gòu)成一種新穎的行波介電電泳分離芯片控制與采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生物顆粒的快速分離。其有益的效果主要表現(xiàn)在利用SOPC技術(shù)降低了設(shè)計(jì)成本，專用的DDS芯片價(jià)格較高，功能較多，應(yīng)用時(shí)常常不能利用全部功能，造成資源浪費(fèi)，設(shè)計(jì)成本提高。而該設(shè)計(jì)方法將設(shè)計(jì)的基于DDS電路嵌入到系統(tǒng)中使用并不會(huì)使設(shè)計(jì)成本增加多少，且只需更改相位控制字、頻率控制字、幅度控制字和査找表的數(shù)據(jù)位數(shù)N的值即可，控制更加方便；利用S0PC技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對CMOS圖像傳感器的數(shù)據(jù)采集，將NIOSII和采集控制器放在同一片F(xiàn)PGA中，能解決通常情況下硬件設(shè)計(jì)完成后，如要選用更高性能硬件處理器，造成系統(tǒng)功率和成本的浪費(fèi)等問題，能解決采用傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法系統(tǒng)功能升級(jí)困難，維護(hù)性差以及設(shè)計(jì)的靈活性較低等問題；能有效地簡化系統(tǒng)的構(gòu)造、縮短從概念到實(shí)現(xiàn)的距離。同時(shí)，采用NiosII軟核處理器可以提高系統(tǒng)的魯棒性，減小人為的設(shè)計(jì)失誤的因素。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。圖1行波介電電泳分離芯片加工工藝流程圖；圖2行波介電電泳分離芯片控制與采集系統(tǒng)原理3 DDS基本結(jié)構(gòu)原理圖4基于DSP Builder的DDS子系統(tǒng)在Matlab/Simulink中的示意圖；圖5基于Avalon流模式CMOS采集控制器接口 ；圖6實(shí)現(xiàn)四相位DDS控制的軟件流程圖；圖7實(shí)現(xiàn)MT9T001采集軟件流程圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。
圖l所示為行波介電電泳分離芯片的加工工藝，其主要包括兩部分 一是行
波介電電泳分離芯片ITO電極陣列的制備，制備過程中采用MEMS加工工藝，采用光刻、濕法腐蝕等方法制備陣列IT0電極； 一是PDMS分離微溝道的制備，采用Protel軟件繪制行波介電電泳分離芯片溝道的形狀，利用電路板制作技術(shù)加工出模具，采用PDMS整體澆注方法制備PDMS芯片微溝道，并經(jīng)氧等離子鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)芯片的整體封裝。
5圖2所示為行波介電電泳分離芯片控制與采集系統(tǒng)原理圖，包括上位控制 PC機(jī)，下位控制器，其中下位控制器包括FPGA EP2C35、 SDRAM、 USB2.0控 制芯片、ITO及PDMS制備而成的行波介電電泳分離芯片、CMOSMT9T001圖像 傳感器、四相位DDS輸出模塊及四路DAC0832和LPF電路、生物倒置顯微鏡及 攝影接筒、LCD顯示以及微量注射進(jìn)樣控制電路等組成。其中微量注射進(jìn)樣電路 由控制緩沖液進(jìn)樣和待分離混合物進(jìn)樣電路組成；在FPGA EP2C35芯片內(nèi)通過 SOPC Builder定制專用的下位機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)模塊由NIOSII軟核處理器、四相位 DDS模塊、SDRAM控制器、USB控制器、Flash控制器、LCD控制器、鍵盤輸 入控制器以及高速圖像數(shù)據(jù)采集控制器組成，其中DDS IP核通過DSP Builder在 Matlab/Simulink中生成；LCD控制器及高速圖像數(shù)據(jù)采集控制器采用用戶自定義 邏輯實(shí)現(xiàn)。待分離生物粒子混合物先通過注射進(jìn)樣后，由NIOSII軟核處理器控 制四相位DDS模塊輸出四路相位嚴(yán)格相差90。的正弦波信號(hào)，使行波介電電泳分 離芯片微溝道內(nèi)產(chǎn)生行波電場，生物粒子受介電電泳力的牽引沿特定的分離溝道 做定向遷移，因不同生物粒子介電特性不同，從而呈現(xiàn)出不同的遷移速率，后經(jīng) CMOS圖像傳感器MT9T001采集生物顯微圖像，在基于Avalon流模式的采集控制 器作用下將采集到的生物顯微圖像保存到SDRAM中，而后經(jīng)一定圖像處理后，最 后通過USB2. 0接口將采集到的生物顯微圖像傳到PC機(jī)中，進(jìn)行后續(xù)的生物顯微 圖像分析與處理。
圖3為DDS的結(jié)構(gòu)原理圖，它以數(shù)控振蕩器的方式，產(chǎn)生頻率、相位和幅度 可控的正弦波。電路包括了相位累加器、相位調(diào)制器、正(余)弦ROM査找表、 基準(zhǔn)時(shí)鐘源、DAC等組成。其中前三者是DDS結(jié)構(gòu)中的數(shù)字部分，具有數(shù)控頻率 合成的功能。DDS系統(tǒng)的核心是相位累加器，完成相位累加過程。在基準(zhǔn)時(shí)鐘的 控制下，頻率控制字由相位累加器累加，以得到相應(yīng)的相位數(shù)據(jù)，相位調(diào)制器接 收相位累加器的相位輸出，主要用于信號(hào)的相位調(diào)制，其輸出的數(shù)據(jù)作為取樣地 址來尋址正(余)弦ROM査找表，完成相位-幅度變換，輸出不同的幅度編碼；經(jīng)幅度調(diào)制器調(diào)制之后，再經(jīng)過DAC得到相應(yīng)的正弦波；最后經(jīng)低通濾波器對正
弦波進(jìn)行平滑處理，即可得到由頻率、相位以及幅度控制字決定的連續(xù)變換輸出 的正弦波。
圖4為基于DSP Builder的DDS子系統(tǒng)在Matlab/Simulink中的示意圖，根
據(jù)DDS的基本原理，利用FPGA的DSP開發(fā)工具DSP Builder對DDS進(jìn)行了建模，
搭建基于DDS技術(shù)的四相位正弦信號(hào)發(fā)生器的應(yīng)用模型。基于DSP Builder的
DDS子系統(tǒng)，它有3個(gè)輸入，分別為Freqword(32位頻率控制字)、Phaseword(16
位相位控制字)、Amp(10位幅度控制字)； 一個(gè)輸出，即8位DDS0ut輸出；2個(gè)
Parallel Adder Subtractor分別為相位累加器和相位調(diào)制器，LUT為正弦ROM
查找表。Matlab/Simulink對已經(jīng)設(shè)計(jì)好的DDS系統(tǒng)進(jìn)行編譯，通過調(diào)用DSP
Builder的"Signal Compiler"工具，進(jìn)行相關(guān)設(shè)置即可將該設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為VHDL
語言，從而在quartusll中生成DDS IP核。設(shè)計(jì)時(shí)，在QuartusII中調(diào)用4個(gè)
DDS子系統(tǒng)，利用SOPC Builder構(gòu)建NIOSII系^t后，在NIOSII控制下，即
可控制輸出四相位正弦波信號(hào)。系統(tǒng)中，為簡化程序設(shè)計(jì)以及嚴(yán)格保證輸出的四
相正弦波依次相位差為90。，在FPGA中用4個(gè)IK的LPM_RAM Block構(gòu)成LUT査
找表，分別存放相位差為90。等幅正弦波表值。
圖5為基于Avalon流模式CMOS采集控制器接口 ，選用Micron Inc.的300
萬像素(2048X 1536)的CMOS圖像傳感器MT9T001，其具有高靈敏度、高輸出幀
率、低噪聲、低功耗、高動(dòng)態(tài)范圍的優(yōu)點(diǎn)。MT9T001提供兩線串行總線接口，通
過改變傳感器內(nèi)部寄存器的設(shè)定值可以對傳感器電子增益、像素積分時(shí)間、傳感
器曝光時(shí)間、輸出圖像大小、輸出圖像位置以及圖像輸出幀率進(jìn)行控制。系統(tǒng)中，
如果每次采集都由NIOSII處理器采用査詢方式來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，采集的速度
是相當(dāng)慢的。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速來集，采用Avalon流模式來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的來集。
圖6為實(shí)現(xiàn)四相位DDS控制的軟件流程圖，以響應(yīng)鍵盤的操作為主線，根據(jù)
鍵盤的響應(yīng)執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。其工作過程是，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，系統(tǒng)首先進(jìn)入?yún)?shù)
設(shè)定狀態(tài)，通過鍵盤輸入初始的信號(hào)頻率、相位以及幅度大小。在設(shè)置的過程中顯示屏顯示相應(yīng)的設(shè)置狀態(tài)。設(shè)定好初始狀態(tài)后，Niosn根據(jù)設(shè)定值進(jìn)行相應(yīng)
的處理，然后轉(zhuǎn)化為頻率控制字、相位控制字以及幅度控制字送到四相位DDS 模塊，DDS模塊根據(jù)輸入的參數(shù)輸出相應(yīng)的波形數(shù)據(jù)到DAC0832,經(jīng)LPF輸出四路 相位嚴(yán)格相差90°的正弦信號(hào)驅(qū)動(dòng)控制介電電泳微芯片。
圖7為實(shí)現(xiàn)MT9T001采集軟件流程圖，首先對MT9T001圖像傳感器實(shí)現(xiàn)配置， 通過向相應(yīng)寄存器寫入控制字，然后比較寫入寄存器的控制字與讀出寄存器的控 制字是否一致，來確定MT9T001是否正確配置。然后判斷一幅圖像的起始幀是否 到來，如捕獲到起始幀頭后，就啟動(dòng)一次DMA并傳送一幀圖像數(shù)據(jù)，如連續(xù)采集 就繼續(xù)響應(yīng)相應(yīng)DMA控制程序，否則就程序結(jié)束。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的控制、采集系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法可廣泛應(yīng)用于微流控分析芯片中 生物顆粒操控、搬運(yùn)以及分離等，具有控制信號(hào)產(chǎn)生便捷、處理速度快、靈敏度 高、芯片易于批量生產(chǎn)且價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，能解決釆用傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方 法系統(tǒng)功能升級(jí)困難，維護(hù)性差以及設(shè)計(jì)的靈活性較低等問題，可廣泛應(yīng)用于臨 床醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、法醫(yī)刑偵等領(lǐng)域。
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權(quán)利要求
1、一種基于SOPC技術(shù)的行波介電電泳分離芯片控制與采集系統(tǒng)，由生物倒置顯微鏡、行波介電電泳分離芯片、上位機(jī)PC以及下位控制器等組成，上位機(jī)PC通過USB2.0實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)通訊。其特征在于上位PC機(jī)實(shí)現(xiàn)下位機(jī)的控制、顯微數(shù)字圖像處理以及電泳分析等功能；下位控制器中NIOSII軟核處理器作為中央控制處理器，控制上、下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊、控制四相位DDS模塊的輸出、控制CMOS圖像傳感器的啟動(dòng)配置以及控制相關(guān)外設(shè)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的行波介電電泳分離芯片控制與采集系統(tǒng)，其特征在于 所述的控制參數(shù)設(shè)置模塊包含四相位DDS模塊的頻率控制字、相位控制字及 幅度控制字的設(shè)置和CMOS MT9T001圖像傳感器參數(shù)的設(shè)置。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的行波介電電泳分離芯片控制與采集系統(tǒng)，其特征在于 所述的CMOS MT9T001圖像傳感器的啟動(dòng)配置及采集，采用自定制I2C模塊， 實(shí)現(xiàn)對MT9T001的配置，并基于Avalon流模式實(shí)現(xiàn)高速顯微圖像數(shù)據(jù)的采集。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的行波介電電泳分離芯片控制與采集系統(tǒng)，其特征在于 所述的四相位DDS模塊輸出四路相位嚴(yán)格相差90°的正弦波用于控制行波介 電電泳芯片生物粒子分離所需的介電力幅度、相位等，并驅(qū)動(dòng)生物粒子在特 定的芯片微溝道內(nèi)實(shí)現(xiàn)遷移運(yùn)動(dòng)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的行波介電電泳分離芯片控制與采集系統(tǒng)，其特征在于 所述的行波介電電泳分離芯片，采用PDMS制作芯片特定微溝道和透明的ITO 導(dǎo)電玻璃作為電極材料，并最終經(jīng)氧離子鍵合使HO微電極陣列與PDMS微流 體管道封裝成為一體，實(shí)現(xiàn)行波介電電泳分離芯片的制備。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的行波介電電泳分離芯片控制與采集系統(tǒng)，其特征在于 所述的生物倒置顯微鏡，對芯片微溝道內(nèi)分離效果進(jìn)行放大，增強(qiáng)檢測效果， 提高圖像處理的識(shí)別率。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的行波介電電泳分離芯片控制與采集系統(tǒng)，其特征在于所述的相關(guān)外設(shè)控制，采用自定制外設(shè)指令方式，實(shí)現(xiàn)LCD、Keyboard、USB2. 0 控制芯片等的驅(qū)動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)(MEMS)領(lǐng)域，特別涉及微流控芯片的控制及微弱信號(hào)采集領(lǐng)域。一種行波介電電泳分離芯片控制與采集系統(tǒng)，由生物倒置顯微鏡、行波介電電泳分離芯片、上位控制PC機(jī)以及下位控制器等組成，上位控制PC機(jī)通過USB2.0實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)通訊。其特征在于上位控制PC機(jī)包括顯微數(shù)字圖像處理及分析模塊；下位控制器中NIOSII軟核處理器作為中央控制處理器，控制上、下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊、控制四相位DDS模塊的輸出、控制CMOS圖像傳感器的DMA啟動(dòng)配置以及控制相關(guān)外設(shè)。其有益的效果主要表現(xiàn)在利用SOPC技術(shù)降低了設(shè)計(jì)成本，提高系統(tǒng)的魯棒性，減小人為的設(shè)計(jì)失誤的因素。
文檔編號(hào)G05B19/418GK101458519SQ20081004691
公開日2009年6月17日 申請日期2008年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月19日
發(fā)明者宇 廖, 廖紅華, 方海兵, 易金橋, 李興鰲, 慶 楊, 袁海林, 譚忠祥 申請人:湖北民族學(xué)院