导言
生物芯片是20世纪末随“人类基因组计划”的研讨和开展而发生的一项高新技术，是人们高效地大规划获取生物信息的有用手法。现在大部分生物芯片选用荧光染料符号待测样品分子。生物芯片扫描仪用激光激起荧光染料，经过对激起点的成像，检测一个点;结合生物芯片X-Y二维精细扫描台上移动，完结对整片的扫描。X-Y二维扫描台的方位检测精度直接影响着扫描分辩率——生物芯片扫描仪功用的要害参数。依据传统的数字电路的生物芯片扫描仪中X-Y二维扫描台的方位检测电路存在计数差错和误清零问题，本文以依据FPGA规划的方位检测电路来处理。以FPGA芯片替代传统的数字电路，不仅可进步体系的集成度和牢靠性，而且FPGA最高作业频率已超越200MHz，经过硬件描绘语言对FPGA编程，电路规划愈加灵敏，为生物芯片扫描仪进一步进步扫描速度和扫描分辩率留了更大的裕量。
1、X-Y二维扫描台方位检测原理
X-Y二维扫描台X向、Y向方位检测元件选用开式光栅，50线/mm，由专用细分尺10细分后，丈量分辩为2μm。开式光栅直接运用光电转化原理输出三相方波A、B、Z相。A、B相方波相位差90°(如图1、2所示)，Z相用于基准点定位，其逻辑电平都为5V。当A相方波超前B相方波90°时，表明位移方向为正方向，如图1所示;当A相方波滞后B相方波90°时，表明位移方向为反方向，如图2所示。扫描台X向、Y向每位移2μm，光栅宣布一个周期的方波。
因此，X-Y二维扫描台的方位检测首先要处理对光栅信号的辨向问题，辨别出X、Y向的位移方向;其次，为确保生物芯片扫描在最高扫描分辩率为5μm时仍有较高扫描质量，X、Y方向方位检测精度应高于2μm，以削减扫描台的定位差错，因此要对光栅信号进一步细分;此外，还要完结将光栅信号转化成控制器能读取的方位数据，当X向、Y向位移方向为正时，此方位数据递加;当X向、Y向位移方向为负时，此方位数递减，并要确保实时的精确牢靠的供给X、Y向的方位数据，作为控制器(如单片机、DSP)精确定位X-Y二维扫描台方位的依据。
原有的生物芯片扫描仪中X-Y二维扫描台的一个方向的方位检测选用4倍频专用集成电路QA740210对光栅信号进行辨向、细分，用4片4位二进制74LS193计数器级联完结对细分后的光栅信号16位计数，计数值(即方位数据)经过2片8位74LS245缓冲器输出至控制器。这样，X、Y两个方向的方位检测电路多达14片芯片，占用很多的PCB空间，布线杂乱，板上信号间的串扰易引起计数差错和误清零现象，影响扫描台的精确定位。若只用一片FPGA完结方位检测电路，输入为光栅信号，输出即为方位数据，直接送入控制器，避免PCB板间信号串扰，就能有用消除计数差错和误清零现象。
2、X-Y二维扫描台方位检测的FPGA规划方案
选用Spartan-II系列FPGA(XC2S15-5VQ100)作为X-Y二维扫描台的方位检测电路，并行的对X、Y两路光栅信号的进行辨向、细分、计数，并供给与控制器的接口，实时牢靠的将X、Y向方位数据传送给控制器。
FPGA内部模块区分如图3所示：从X向光栅来的A、B两相方波信号XA，XB由X向辨向细分电路辨向细分后，输出两路脉冲信号XCU、XCD，16位计数模块别离对这两路脉冲信号进行计数，并将两计数值XUPCNT、XDOWNCNT相减，其差作为X向的16位方位数据XCNT。接口电路对3位地址信号ADDR译码，经过XCLR、YCLR对X、Y计数器别离清零，并选通X向或Y向方位数据输出到控制器。
对Y向相同如此。本论文只以X向阐明之。
2.1、辨向细分规划
由图1和图2可知，当光栅正向移动时，A相、B相的电平逻辑表现为“00”→“10”→“11”→“01”→“00”序列;当光栅反向移动时，A相、B相的电平逻辑表现为“00”→“01”→“11”→“10”→“00”序列。因此，只要能辨别出这两种序列，就能完结辨向。
引进外部频率为10MHz的时钟源，运用这个时钟的上升沿一起对A相、B相信号采样，作为当时XA、XB值，以二维向量AB_new记之，AB_new经过一级触发器后，记为AB_old，AB_new和AB_old都跟从A相、B相方波信号改变而改变，仅仅AB_old要滞后AB_new一个采样时钟周期。这样，就可以将AB_old和AB_new进行比较：当AB_old为“00”时，若AB_new为“10”，即A相超B相前90°，XCU输出一个负脉冲，XCD坚持为高电平不变;若AB_new为“01”，即A相滞后B相90°，XCD输出一个负脉冲，XCU坚持为高电平不变。X向光栅信号改变一个周期，假如A相超B相90°(位移方向为正)，XCU就会输出四个负脉冲，假如A相滞后B相90°(位移方向为负)，XCD就会输出四个负脉冲，一起完结了辨向与细分功用。
2.2、可逆计数器规划
用两个16位二进制计数器对两路脉冲信号XCU、XCD别离计数，然后用一个16位减法器对此两个计数器的计数值作差，被减数为XCU的计数值XUPCNT，减数为对XCD的计数值XDOWNCNT，其差作为X向的方位数据XCNT。这样，XCU有计数脉冲时，XCNT就会添加，而XCD有计数脉冲时，XCNT就会减小，完结了可逆计数。结合前面的辨向细分电路，使X向的方位数据在正向位移时添加，反向位移时削减。方位数据的改变实在反映了位移状况。
2.3、接口电路规划
接口电路是控制器实时牢靠读取X向、Y向的方位数据或清零的接口。接口电路由译码电路、输出三态缓冲器组成。接口电路与控制器的16位数据线CNT用于FPGA向控制器传送方位数据，控制器的3位地址线ADDR作为译码电路的输入：能别离输出X、Y向方位数据，以及别离对X、Y向计数器清零。译码电路可使X向、Y向方位数据复用16位数据线，高效的运用控制器的端口资源;对3位地址信号译码发生清零信号，能有用地避免在只运用一根信号线时受搅扰等原因此引起的误清零现象。
3、规划仿真和完结
在ISE6.1i开发平台上，用VHDL语言对辨向细分、计数、接口电路进行编程完结。图4是仿真波形。
由图4可看出，X、Y向可并行的对光栅信号辨向、细分、计数，下面只以X向阐明：辨向细分电路依据两路正交的方波信号XA、XB的相位差别离在XCU，XCD上输出频率为XA、XB4倍的计数脉冲，完结了辨向细分;可逆计数器别离对XA、XB计数，计数值的差XCNT随X向的位移方向的改变添加或削减;当控制器的地址译码信号ADDR为“101”时，X向的方位数据XCNT输出到16位数据线CNT;当ADDR为“110”时，FPGA将Y向的方位数据YCNT输出到CNT;当地址线ADDR为“001”时，X向方位数据XCNT清零，CNT表现为高阻态;当ADDR为“010”时，Y向方位数据YCNT清零，CNT表现为高阻态;当ADDR为其他恣意值时，CNT都表现为高阻态，使控制器能向其他外设交流数据。将代码下载到XC2S15-5VQ100后，用于生物芯片扫描仪中，精确牢靠的完结了方位检测功用。
4、定论
用FPGA完结X-Y二维扫描台的方位检测电路，进步了体系的集成度，方位检测快速牢靠。而且，FPGA作业频率高、规划灵敏，可削减生物芯片扫描仪进一步提高扫描速度和扫描分辩率的开发时刻和本钱。
