激光共聚焦生物芯片扫描仪扫描台位置反馈信号的变换（图）

一、概述

生物芯片技术是20世纪末发展起来的新技术，目前这一技术已经展示出它的广阔应用前景。生物芯片是可以在小小的面积上，利用微加工技术，并结合有关的化学合成技术制造而成的具有一定分子生物学检验功能的微型器件，能够带来无数生物信息。这一技术不但可以用于分子生物学的基础性研究工作，而且还可以进一步地应用于临床检验和环境监测等诸多个领域，这有可能在破译深藏在生物体中巨大遗传语言的生物学意义方面起到重要作用。

生物芯片所含有的信息必须通过扫读装置来获取。由于激光共聚焦扫描仪具有高分辨率，所以利用它可以将芯片测定结果转变成为可以供分析处理的图像数据。同芯片的制作、芯片的杂交一样，芯片信息的扫读也影响到芯片分析结果的质量。然而需要正确地扫读芯片信息，必须合理地控制承载芯片的工件台的移动。本文将要论述激光共聚焦生物芯片扫描仪工件台控制系统位置反馈信号的变换和处理。

二、工件台运动概述

扫描动作由电机驱动芯片工件台作X-Y二维移动来实现。为了精确而且可在任意位置扫读芯片信息，工件台的运动必须受到主控制器的控制。控制系统是由控制器、电机、位移传感器及位移检测电路形成的闭环控制系统。在扫描过程中，工件台的位置由光栅位移传感器实时测量，当X方向的扫描范围是22mm，扫描速度是每秒10线，采样分辨率是5μm时，则一次采样后信号变换及处理的时间不大于22.7μs。由于光栅位置传感器获得的位移信号是模拟信号，故需要对它进行变换处理，而且必须实时，方能为系统数据采集及传输赢得时间，从而保证生物芯片信息的可靠采集。Y方向位移由2048线，测量分辨率是0.24μm的编码器测量。

三、模拟信号描述

扫描仪利用长光栅传感器测量位移，根据莫尔条纹测距原理，光栅每移过一个光栅栅距（标尺节距），莫尔条纹移过一个条纹节距，传感器输出一个周期的交变信号，通过电路整形处理，变成一个脉冲输出，用计数器计下脉冲个数即可计算出位移量。位移信号每变化一个周期计一个数时，其分辨率为一个标尺节距（光栅栅距）。为了提高测量分辨率和保证信号传输处理的实时性，需采用了硬件细分技术。又由于芯片工件台在扫描过程中作往返运动，为了计数正确需对信号进行辩向可逆计数。以下分析说明高速扫描控制中，X方向采用50线/mm光栅位移传感器，且测距分辨率为2.5μm时，对输出信号进行的变换和处理。信号变换与处理的原理图如图1所示。

 

四、信号的变换和处理

4.1　信号的放大和电阻链细分

为了使光栅传感器输出信号有足够的幅值，先对其进行3～5倍的放大。从光栅传感器接收到两个相位相差90°的正弦信号，设其为U01=Asinθ，U02=Acosθ。将这两个信号送入同向放大器进行放大，同时将U1送入反向放大器进行放大。这样放大器的输出端得到了三路被放大了并且相位相差90°的正弦信号U11、U12、U13，将这三路信号送入精密电阻链细分电路的输入端，经过精密电阻链的移相作用，输出端得到相位相差45°的正弦信号。如图2所示。

4.2　整型及二细分

把相位相差45°的四路正弦信号送入电压比较器（过零触发器）整形，得到相位分别为0°、45°、90°、135°的方波信号，设为U21、U22、U23、U24。将U21和U23异或，U22和U24异或，输出端得到两路相位相差45°且脉宽均等的方波信号，分别设为UA、UB，而且当芯片工件台正向运动时，UA超前UB45°，当芯片工件台反向运动时，UB超前UA45°。电路至此，位移信号每变化一个周期计下了两个数，实现了二细分。同时为下一步的四细分及辩向提供了信号源。

4.3　四细分及辩向

把两路相位相差45°且信号频率增加了一倍的方波信号送入积分式与门四细分辩向电路。这一电路由与门，RC积分环节和与或非门组成。对应于工件台的正向和反向运动，分别由一个与或非门输出比输入信号周期缩小了四分之一的方波信号，完成了四细分。至此，位移信号每变化一个周期输出了八个脉冲，达到了测距分辨率为2.5μm的目的。同样，为了提高Y方向步进分辨率，需对编码器信号进行四细分及辨向处理，采用上述同样的方法。

细分辩向波形图如图3所示，图3（a）为正向移动，图3（b）为反向移动。

4.4　计数、锁存及零位检测

经过以上诸环节的处理，得到了扫描台位置数据——16位二进制数，采用四个内部级连的可逆计数器来计数。为了实现每扫描5μm锁存一次数据，并且在数据锁存好的同时输出一取数负脉冲，需在每输出两个计数脉冲时再输出一个通知锁存数据的信号。这个功能通过一个计数器来实现，给计数器的数据置位端的高三位预置高电平，于是最低位每接收到两个脉冲就输出一进位信号，将此信号再输入到锁存器的使能端，即可达到目的。

零位检测电路主要由一光电开关组成，目的是使芯片工件台每到零位，计数器就被清零和置位，同时输出零位信号。

五、结束语

对共聚焦扫描仪工件台的精确实时控制是准确获得生物芯片大量信息的基础。通过以上的研究设计，能够实时正确地获取和处理扫描过程中工件台的位移信号，为下一步的控制电路提供了可靠的信号来源。

目前，国内外都在采用软件细分技术。软件细分技术除了能够提高仪器精度之外，还有简化仪器电路，增强仪器功能等优点，但有响应速度慢，实时性差的缺点。

而硬件细分恰有响应速度快，实时性好的特点，且在细分数不很高却能达到所期望目标的情况下，电路并不复杂。故文章介绍了硬件八细分技术并开始应用。在未来激光共聚焦生物芯片扫描仪的高速扫描控制中，可望利用FPGA、CPLD来实现实时软件或硬件细分。