激光共聚焦生物芯片扫描仪设计

一、前言

生物芯片是指在微小的基片如玻璃、硅片、有机材料薄膜上通过光引导化学合成或湿法刻蚀等方法制造的生物分子探针阵列。生物芯片可广泛应用于基因组测序，临床诊断，药物筛选，环境监测等许多方面。

激光共聚焦生物芯片扫描仪是指通过光电信号转换将生物芯片上的反应结果转变成可供分析处理的数字图像的扫读装置，分辨率高、性价比好。这种仪器是扫读荧光染料标记的生物芯片的两大主要类型仪器之一。

扫描台就是承载生物芯片的XY二维工件台，其上方是获取荧光信号的光学系统。仪器工作时，在Y向进行步进运动，由电机驱动，由编码器实时测量位置；X方向运动也由电机驱动进行正反线扫描运动，位置由光栅位置传感器实时测量；驱动信号由DSP中的软件产生，是否到达设定值由DSP来计算判断，整个回路构成一闭环控制系统。当扫描台运行到设定值时，必须发出取数信号，以使仪器迅速读取芯片上的信号。因此，扫描台运行的稳定性及定位精度对整机性能和图像质量有重要影响。

二、扫描台控制系统组成

主控机采用PC机。仪器开始工作时，主控机向微控制器输出限定扫描范围的数据和X、Y方向的步进数据；扫描过程中，在适当的时候通知光电倍增管读取荧光信号。此外，主控机还负责选择激光器，指挥调焦、滤光、变密度盘正常并协调工作。

微控制器采用TI公司的DSP芯片TMS320F206。此芯片有如下的特点：（1）采用改进的哈佛结构，即具有分开的程序存储区总线和数据存储区总线，极有效地提高代码执行速度，含有丰富的片内外设包括软件可编程等待状态发生器、片内振荡器和锁相环；（2）具有五个可作通用I/O的引脚，使该芯片可以满足事务型和数据性相结合的要求；（3）其片内集成了32K闪烁存储器以及单双访问随机存储器，在数据量不大的情况下，只需要扩展较小的片外存储器或不扩展存储器就可满足要求；（4）该芯片没有集成A/D和D/A转换器，适合用在不需要A/D和D/A转换的场合，有利于降低所开发系统的成本，提高性价比。

电机采用日本乐孜公司的混合式五相步进电机，它带有细分距驱动器。步进电机具有能够快速起停、角位移与控制脉冲精确同步、直接接受数字量而无需数模转换电路的特点和优点。而且具备细分距驱动器，更容易使扫描台渐渐逼近目标值从而实现精确定位。

位移传感器及反馈回路：X方向的位移传感器是光栅传感器，采用的是50对线含有两个光电元件的开式光栅，其测量分辨率是20μm，测量精度优于15μm。为了提高测量分辨率以满足更高的要求，对光栅信号实行了细分。采用CPLD设计实现可逆计数器，用原理图的方法2048位的光栅轴角增量式编码器测量位移。

三、硬件电路

随着扫描台的移动，光栅位置传感器输出两路正交的正弦信号，这两路信号经过模拟数字混合细分电路后，形成两路依然正交的方波信号，由CPLD实现的可逆计数器对此进行加/减可逆计数，最后形成位置数据。当DSP检测到扫描台正处于零位信号时，就向可逆计数器发出清零信号。

DSP通过扩展I/O口向电机发步进命令及其方向信号，与主计算机的通信也通过扩展I/O口，系统中DSP相当于从机。为保证主从机之间正确交流信息设计了简单有效的协议。

硬件原理图中的MAX705为系统提供自动和手动两种复位，便于系统调试和正常工作，Oscillato为系统提供频率为20MHz的晶振。

四、软件设计

初始化包括两部分，一方面是针对DSP的特点进行必要的设置如数据块的配置、数据叶指针的设置以及一些片上外围的设置等；另一方面是扫描的准备工作如分配存储单元、预置外设状态等。

系统在上电后，DSP首先执行初始化子程序并将扫描台置于零位，置零位是否可靠取决于来自零位检测电路的信号（Zero value signal）。接着接收主控机信息，并存储限定扫描范围的数据及X、Y方向各自的步进数据。其次输出驱动电机的方向信号和脉冲信号。然后读取扫描台位置数据，并使其与主计算机的设定值比较。当Ｙ方向位置数据与设定值相等时开始Ｘ方向的扫描，否则继续驱动扫描台，继续进行循环检测比较。进行X方向扫描时，当X方向的位置数据与设定值相等时，DSP向主计算机传达取数信号，即通过主计算机命令其它系统开始读取芯片上的荧光信号并进行A/D转换。DSP直到检测到A/D转换已完成才开始修改新目标值并向其步进。

根据以上流程图的思路，利用DSP的汇编语言指令，编写了命令文件和控制程序源文件并已通过软件仿真。

五、结束语

激光共聚焦生物芯片扫描仪的研发趋势是小型便携，获取信号实时可靠。采用TI公司的数字信号处理器TMS320F206作为主处理器的扫描台控制系统，具有使系统运算速度快、处理信号实时性好、易实现精确定位、设计简单并且容易实现小型化的特点和优点。