基于單片機(jī)和FPGA的CF-PCR芯片系統(tǒng)研究.pdf

1、聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)技術(shù)是一種基因片段體外擴(kuò)增技術(shù)，在生物及醫(yī)學(xué)相關(guān)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。目前，絕大部分PCR擴(kuò)增反應(yīng)是在傳統(tǒng)的商業(yè)PCR儀上進(jìn)行的，由于采用熱容較大的金屬塊進(jìn)行熱循環(huán)溫度控制，升溫和降溫的速度較慢，一個(gè)完整的PCR循環(huán)通常需要1h～2h，甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。另外，微流控檢測(cè)系統(tǒng)中的毛細(xì)管電泳分析已經(jīng)能夠在體積較小的芯片上完成，如果將連續(xù)流動(dòng)式PCR芯片(CF-PCR)與其集成在一起，將實(shí)現(xiàn)生化分析的集成化和微型化。因此

2、，對(duì)PCR芯片的研究成為PCR反應(yīng)裝置的研究熱點(diǎn)之一。本文開(kāi)展了基于單片機(jī)和IFPGA的CF-PCR芯片系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要從事PCR芯片制作、溫度控制及擴(kuò)增實(shí)現(xiàn)的研究。 本文采用微電子技術(shù)和微機(jī)械加工技術(shù)，制作了以玻璃為基體的微流通溝道芯片，并完成了集Pt金屬薄膜加熱器和溫度傳感器于一體的硅基芯片加工，經(jīng)封裝后構(gòu)成了CF-PCR芯片。設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)和FPGA開(kāi)發(fā)平臺(tái)的CF-PCR芯片的智能溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)將溫度控制算法從單片機(jī)

3、中脫離出來(lái)，利用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)，發(fā)揮了FPGA集成度高、可靠性好、設(shè)計(jì)靈活、運(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn)，可提高溫度控制的精度。其中，單片機(jī)主要實(shí)現(xiàn)AD采樣控制、鍵盤(pán)按鍵控制以及向FPGA傳送數(shù)據(jù)指令的功能；FPGA主要實(shí)現(xiàn)溫度曲線(xiàn)擬合、PID控制算法以及PWM波形產(chǎn)生等功能。單片機(jī)與FPGA協(xié)同合作，結(jié)合外部的硬件電路，完成了多通道溫度信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換與顯示等功能，有效的實(shí)現(xiàn)了三溫區(qū)的恒溫控制。 本文利用搭建的連續(xù)流動(dòng)式PCR芯片系統(tǒng)，采