万方数据基于FPGA的生物芯片数据桀集系统栏几㈠=0严航k2，唐小萍1(1．中国科学院光电技术研究所，成都610209；2．中国科学院研究生院，北京100039)《电子技术应用》2006年第1期要：生物芯片扫描仪在进行高速高分辨率扫描时对实时性要求很高，用一般微控制器难以实现。在介绍生物芯片扫描仪工作原理的基础上，提出了一种基于FPGA控制的生物芯片数据采集系统的设计方法，使生物芯片扫描仪在5斗m分辨率下扫描速度达到20线／s。关键词：生物芯片数据采集实时FPGA本刊邮箱：eta@nose．com．on摘广泛应用于分子生物学、疾病基因诊断、药物开学的发展。生物芯片技术是指将大量探针分子交，通过检测杂交信号的强度及分布而对样品辨率扫描这样高密度的生物芯片。因此，高速高分辨率1生物芯片扫描仪原理概述机调整物镜1的焦距，使激发光聚焦到生物芯片上的一栏，被光电倍增管(PMT)接收并转换为电信号，经放大、A／D转换后得到一个检测点的灰度值[21。通过控制X向、y向片信息被送入PC机进行分析和处理。2生物芯片数据采集系统硬件结构仪数据采集任务包括：微弱荧光信号的探测与采集；高生物芯片是二十世纪末随“人类基因组计划”的研究和发展而产生的一项高新技术芯片，发、司法鉴定等领域，有力地促进了当代生命科固定于载体(如玻片、金属片、高分子材料制作的薄膜等)中，然后与标记的样品分子进行杂分子的序列和数量进行分析的一项技术。生物芯片按标记种类可分为荧光染料标记、化学发光标记和放射性标记三种芯片，现在大部分生物芯片采用cy3、cy5两种荧光染料来标记[1】。生物芯片扫描仪就是对荧光染料标记的生物芯片析的仪器。目前在面积为22mmx75mm的标准生物芯片上，样品分子荧光点数已达6万以上，只能用51xm的分扫描对生物芯片扫描仪实时数据采集提出了更高的要求，用一般的微控制器难以实现。本文设计了一种基于FPGA控制的生物芯片数据采集系统，使生物芯片扫描仪在51xm分辨率下以20线／s的速度扫描时仍具有良好的扫描质量。生物芯片扫描仪工作原理如图1所示。这里采用两种波长的激光源：以波长为543．5nm的绿色激光激发cy3荧光染料；以波长为632．8nm的红色激光激发cy5荧光染料。激光源的选择由快门控制。激发光经反射镜、二色分光镜的光路至物镜1，经调焦电点；标记有荧光染料的样品分子在激光激发下产生的荧光由物镜1捕获后变成平行光；通过反射镜使平行荧光进入到干涉滤光片(由滤光片电机根据不同波长的激光切换滤光片)，滤除杂散光，再由透镜组2聚焦到小孔光电机拖动生物芯片在XY扫描台上做“弓”字形扫描运动(如图2所示)，完成对整片的检测。扫读出的生物芯根据上述生物芯片扫描仪工作原理，生物芯片扫描图1生物芯片扫描仪工作原理图图2生物芯片扫描路线81弘光电倍增管方向光／Y、，、、万方数据义忑：cKtxu。fYcK丁Yu。fTCKfTu。fLcKT介介图像数据CUfxcofYcufYcDfxzfYZflTZfLZ楚二二梦fKGfKR—]厂]厂]f．型坐卜ySB,hI一一．《电子技术应用》2006年第1期⋯厂]从八⋯⋯⋯欢迎网上投稿WWW．aetnet．cn业一lD。A卜——=二可通过硬件描述语言(VHDL)相当灵活地在其内部设计USB2．0接口，数据传输能力高达480Mb／s，为数据采集生物芯片扫描仪数据采集系统硬件结构框图如图3所示。生物芯片荧光信号经光电倍增管检测、放大后到刖D转以调节光电倍增管和放大电路增益；FPGA控制x、y向等，每个步进电机由步进脉冲和步进方向两路信号控制，快门为电磁阀，可由开关量直接3生物芯片数据采集系统软件设计机界面，FPGA层用VHDL语言编写相关USB接口发出命令字和相应的数据，用命令字、数据和状态码的传输。下层软件主要完成命令字译码、步进电机控采用模块化设计，内部模块框图如图5其中，译码寄存器组模块对计算机发送的命令字译码，输出相应的使能信号Scan望。婆。．坠!苎§．o—————————∥WWW．aetnet．com．cnA—u∥√命令字＼状态今速XY扫描的扫描台控制和调焦、快门、滤光片等的控制；高速XY方向位置测量；与PC机的通讯。因此，生物芯片扫描仪数据采集任务处理量大，控制逻辑复杂；另外，高速高分辨率扫描时，扫描台运行精密且速度快，系统扫描探测取样周期短，对实时性要求很高。采用一般的微控制器很难实现多任务实时处理。与常见的微控制器相比，FPGA具有高集成度、高速和高可靠性等优点，出满足用户需要的功能模块，各模块能并发执行，完全满足多任务实时处理要求。PC机与FPGA通讯采用提供了高速通道131。换器，由FPGA控制A／D转换器，转换为十六位图像数据，通过USB接口直接输入到PC机中；FPGA通过USB接口的二路八位命令和数据输出通