作者：altera公司技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理 joel a. seely

    摘 要： 基于fpga實(shí)現(xiàn)了生物芯片掃描儀中x-y二維掃描臺(tái)的位置檢測(cè)電路，解決原有電路存在的計(jì)數(shù)誤差和誤清零問題，提高系統(tǒng)的可靠性。詳細(xì)闡述了fpga中辨向細(xì)分、可逆計(jì)數(shù)器，接口電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，并給出了仿真波形。

    關(guān)鍵詞： fpga；位置檢測(cè)；辨向；細(xì)分；可逆計(jì)數(shù)

    引言

    生物芯片是20世紀(jì)末隨“人類基因組計(jì)劃”的研究和發(fā)展而產(chǎn)生的一項(xiàng)高新技術(shù)，是人們高效地大規(guī)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(biāo)記待測(cè)樣品分子。生物芯片掃描儀用激光激發(fā)熒光染料，通過對(duì)激發(fā)點(diǎn)的成像，檢測(cè)一個(gè)點(diǎn)；結(jié)合生物芯片x-y二維精密掃描臺(tái)上移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整片的掃描。 x-y二維掃描臺(tái)的位置檢測(cè)精度直接影響著掃描分辨率——生物芯片掃描儀性能的關(guān)鍵參數(shù)�；趥鹘y(tǒng)的數(shù)字電路的生物芯片掃描儀中x-y二維掃描臺(tái)的位置檢測(cè)電路存在計(jì)數(shù)誤差和誤清零問題，本文以基于fpga設(shè)計(jì)的位置檢測(cè)電路來解決。以fpga芯片代替?zhèn)鹘y(tǒng)的數(shù)字電路，不僅可提高系統(tǒng)的集成度和可靠性，而且fpga最高工作頻率已超過200mhz，通過硬件描述語言對(duì)fpga編程，電路設(shè)計(jì)更加靈活，為生物芯片掃描儀進(jìn)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(tái)位置檢測(cè)原理

    圖1 2

    x-y二維掃描臺(tái)x向、y向位置檢測(cè)元件采用開式光柵，50線/mm,由專用細(xì)分尺10細(xì)分后，測(cè)量分辨為2μm。開式光柵直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三相方波a、b、z相。a、b相方波相位差90°（如圖1、2所示），z相用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位，其邏輯電平都為5v。當(dāng)a相方波超前b相方波90°時(shí)，表示位移方向?yàn)檎较�，如圖1所示；當(dāng)a相方波滯后b相方波90°時(shí)，表示位移方向?yàn)榉捶较颍鐖D2所示。掃描臺(tái)x向、y向每位移2μm，光柵發(fā)出一個(gè)周期的方波。

    因此，x-y二維掃描臺(tái)的位置檢測(cè)首先要解決對(duì)光柵信號(hào)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(shí)仍有較高掃描質(zhì)量，x、y方向位置檢測(cè)精度應(yīng)高于2μm，以減少掃描臺(tái)的定位誤差，因此要對(duì)光柵信號(hào)進(jìn)一步細(xì)分；此外，還要完成將光柵信號(hào)轉(zhuǎn)換成控制器能讀取的位置數(shù)據(jù)，當(dāng)x向、y向位移方向?yàn)檎龝r(shí)，此位置數(shù)據(jù)遞增；當(dāng)x向、y向位移方向?yàn)樨?fù)時(shí)，此位置數(shù)遞減，并要保證實(shí)時(shí)的準(zhǔn)確可靠的提供x、y向的位置數(shù)據(jù)，作為控制器（如單片機(jī)、dsp）精確定位x-y二維掃描臺(tái)位置的依據(jù)。

    原有的生物芯片掃描儀中x-y二維掃描臺(tái)的一個(gè)方向的位置檢測(cè)采用4倍頻專用集成電路qa740210對(duì)光柵信號(hào)進(jìn)行辨向、細(xì)分，用4片4位二進(jìn)制74ls193計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)分后的光柵信號(hào)16位計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值（即位置數(shù)據(jù)）通過2片8位74ls245緩沖器輸出至控制器。這樣，x、y兩個(gè)方向的位置檢測(cè)電路多達(dá)14片芯片，占用大量的pcb空間，布線復(fù)雜，板上信號(hào)間的串?dāng)_易引起計(jì)數(shù)誤差和誤清零現(xiàn)象，影響掃描臺(tái)的精確定位。若只用一片fpga實(shí)現(xiàn)位置檢測(cè)電路，輸入為光柵信號(hào)，輸出即為位置數(shù)據(jù)，直接送入控制器，避免pcb板間信號(hào)串?dāng)_，就能有效消除計(jì)數(shù)誤差和誤清零現(xiàn)象。

    2 x-y二維掃描臺(tái)位置檢測(cè)的fpga設(shè)計(jì)方案

    圖3

    選用spartan-ii系列fpga（xc2s15-5vq100）作為x-y二維掃描臺(tái)的位置檢測(cè)電路，并行的對(duì)x、y兩路光柵信號(hào)的進(jìn)行辨向、細(xì)分、計(jì)數(shù)，并提供與控制器的接口，實(shí)時(shí)可靠的將x、y向位置數(shù)據(jù)傳送給控制器。

    fpga內(nèi)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(hào)xa，xb由x向辨向細(xì)分電路辨向細(xì)分后，輸出兩路脈沖信號(hào)xcu、xcd，16位計(jì)數(shù)模塊分別對(duì)這兩路脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將兩計(jì)數(shù)值xupcnt、xdowncnt相減，其差作為x向的16位位置數(shù)據(jù)xcnt。接口電路對(duì)3位地址信號(hào)a