生物芯片技術(shù)是20世紀(jì)末發(fā)展起來的一項新技術(shù)。生物芯片是在微小面積上，利用微加工技術(shù)，并結(jié)合有關(guān)的化學(xué)合成技術(shù)制造而成的一種具有一定分子生物學(xué)檢驗功能的微型器件。分析和解釋生物芯片上得到的信息，將在DNA結(jié)構(gòu)與功能之間架起一道橋梁，進(jìn)而推進(jìn)生命科學(xué)的迅速發(fā)展。
　　目前，熒光標(biāo)記是生物芯片信息采集中使用最多也最成功的報告標(biāo)志。檢測熒光信號的生物芯片掃描儀主要有PMT（光電倍增管）激光共聚焦掃描儀和CCD生物芯片掃描儀兩種。與CCD生物芯片掃描儀相比，PMT激光共聚焦掃描儀的主要優(yōu)點在于： PMT器件的分辨率比CCD器件要高；并且，根據(jù)共聚焦原理，PMT器件只能接收通過探測針孔的光，而來自生物芯片其它部位的雜散光因在共焦針孔處不能成像而被濾除，結(jié)果得到的是一個具有高分辨率和高對比度的圖像。因此，目前商業(yè)的生物芯片掃描儀大都是PMT激光共聚焦掃描儀。
1 儀器組成及工作原理
　　設(shè)計的生物芯片掃描儀是雙光路、平臺移動型的激光共聚焦掃描儀。圖1是整個掃描儀的工作原理圖。整臺儀器主要由激光器（波長為532nm的綠色激光，可誘導(dǎo)Cy3產(chǎn)生熒光；波長為635nm的紅色激光，可誘導(dǎo)Cy5產(chǎn)生熒光）、PMT、電機及驅(qū)動器、掃描運動平臺、單片機（89S8252）、DSP（TMS320LF2407）、計算機等硬件及各種配套的應(yīng)用軟件組成。

　　激光器發(fā)出的激光經(jīng)過光路選擇器，選通兩路激光中的一路（例如532nm的綠光），照射到生物芯片上。生物芯片上的熒光物質(zhì)（Cy3）受激產(chǎn)生熒光（570nm）。熒光被激發(fā)物鏡匯聚成平行光。二向色鏡具有半透半反的特性，一面透射光線，另一面反射光線。熒光光束被二向色鏡反射到窄帶濾光片。窄帶濾光片能夠濾掉熒光以外的光（如從生物芯片上反射回的532nm激光），熒光被接收物鏡匯聚在共軛探測針孔上。針孔能對光束進(jìn)行整形，限制像點的直徑，也可以通過調(diào)整針孔大小改變系統(tǒng)的分辨率。通過探測針孔的光由PMT進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，得到的電信號經(jīng)過濾波、放大，再由A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。DSP對得到的信號進(jìn)行分析、處理，并通過USB模塊傳送到計算機。DSP除了分析、處理采樣數(shù)據(jù)外，還要經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)PMT的增益以及對計算機發(fā)來的數(shù)據(jù)、命令進(jìn)行譯碼并控制單片機。單片機是運動控制系統(tǒng)的核心，主要用于控制激光的選擇，激發(fā)物鏡的調(diào)焦和掃描平臺的運動。
2? 儀器硬件電路及其配套軟件設(shè)計
　　儀器硬件電路框圖如圖2所示。由于芯片掃描儀采樣周期短，對實時控制要求高，因此采用DSP作為核心處理器。在此選用了TI公司推出的TMS320LF2407。它是專門針對控制領(lǐng)域應(yīng)用的一款DSP，具有高速信號處理和數(shù)字控制功能所必需的體系結(jié)構(gòu)，其指令執(zhí)行速度高達(dá)40MIPS，且大部分的指令都可以在一個25ns的單周期內(nèi)執(zhí)行完畢。另外，它還具有非常強大的片內(nèi)I/O端口和其它外圍設(shè)備，可以簡化外圍電路設(shè)計，降低系統(tǒng)成本。

　　DSP與計算機之間通過USB模塊進(jìn)行通信，傳輸內(nèi)容包括系統(tǒng)控制指令、系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)、系統(tǒng)返回狀態(tài)、采樣數(shù)據(jù)；DSP與單片機之間通過SPI查詢方式進(jìn)行通信，傳輸內(nèi)容包括運動控制指令、運動控制數(shù)據(jù)、運動控制狀態(tài)；DSP與控制信號處理及PMT控制單元" title="控制單元">控制單元之間采用并行總線通信。
　　PMT是生物芯片掃描儀的核心檢測器件，根椐儀器要求選擇合適的PMT對提高整個檢測系統(tǒng)的性能很關(guān)鍵。為檢測微弱熒光信號，需要高靈敏度、高信噪比、大動態(tài)范圍的PMT。此外，為適應(yīng)快速掃描，PMT的響應(yīng)速度也要達(dá)到一定的要求。
　　在本儀器中，由CPLD構(gòu)建各種邏輯功能單元，如地址譯碼器、數(shù)據(jù)鎖存器、脈沖計算器等。此外，由于硬件設(shè)計時對實際應(yīng)用的要求不可能考慮得十分周全，因此要求具有足夠的冗余和靈活性，使用CPLD可以達(dá)到這一要求。通過將可能需要的各種信號端口及各芯片未用的控制及I/O端口引入CPLD，由于CPLD的大容量和現(xiàn)場可編程性，可以根據(jù)不同需求對電路進(jìn)行現(xiàn)場修改，從而增大了系統(tǒng)的靈活性，方便了日后的系統(tǒng)功能升級。
　　DSP程序在Code Composer ’C2000平臺上設(shè)計，單片機程序在偉福V3.20平臺上設(shè)計。DSP和單片機軟件的設(shè)計均采用前后臺的編程方式，后臺采用死循環(huán)輪詢方式，前臺則處于等待中斷的狀態(tài)，一旦中斷發(fā)生就會打斷后臺的輪詢，跳入中斷服務(wù)程序，執(zhí)行相應(yīng)操作。在編程語言上，采用C語言和匯編語言" title="匯編語言">匯編語言混合編程。一方面，C語言可讀性強，便于編程，能縮短軟件開發(fā)周期，也有利于以后的軟件維護(hù)；另一方面，匯編語言效率比較高，對于實時性要求比較高的操作可以采用匯編語言編程。
2.1 信號采集、處理及PMT控制單元
　　信號采集、處理及PMT控制單元框圖如圖3所示。主要功能為：對PMT輸出的信號進(jìn)行濾波、放大處理，通過A/D將PMT采集的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，控制調(diào)節(jié)PMT的增益。生物芯片掃描儀的采樣頻率為40kHz，而各種噪聲的頻率大都高于1MHz，因此構(gòu)建二階RC低通濾波器。設(shè)計濾波器的截止頻率為200kHz，能夠在有效濾除高頻噪聲的情況下保證有效信號不失真地通過。信號放大電路用于對PMT輸出的信號進(jìn)行放大調(diào)理，放大到A/D的采樣范圍。這樣可以充分利用A/D的分辨率，增加系統(tǒng)的動態(tài)范圍。在這里使用兩片具有低噪聲、低輸入電流偏移、低直流電壓輸出偏移特性的高精度運放OP07，構(gòu)成二級放大電路，放大倍數(shù)可以為1、2、4、8、16、32、64或1、10、100。A/D轉(zhuǎn)換器選用ANALOG DEVICES公司的高速、低噪聲、16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7665。12位D/A轉(zhuǎn)換器用于調(diào)節(jié)PMT的增益。

2.2? SPI通信
　　掃描儀的DSP和單片機之間采用SPI方式通信，主機（TMS320LF2407）進(jìn)行系統(tǒng)綜合功能管理，從機（單片機89S8252）用于實現(xiàn)具體控制功能。主機上的SPISCLK為從機提供時鐘信號；主機上的SPIMOSI輸出信號，從機上的MOSI輸入信號；從機上的MISO輸出信號，主機上的SPIMISO輸入信號。另外，從機有兩個狀態(tài)信號S1、S2，用于指示當(dāng)前從機工作狀態(tài)。從機的SPI中斷不能屏蔽，主機通過判斷S1和S2確定當(dāng)前從機狀態(tài)（見表1）。