基于CCD的多通道毛细管电泳信号处理研究

论文摘要

毛细管电泳作为一种准确而高效的分析方法,在基因测序、流行性疾病筛查、血液和药物筛选等研究中被广泛应用。随着研究工作的不断深入,样品的分析量不断增加,需要进行大量的平行检测以确定样品的种类、结构及其特性。因此,研制高通量的毛细管电泳检测系统,开展多通道毛细管电泳信号检测的研究,已成为亟待解决的问题。本文根据毛细管电泳信号的激光诱导荧光检测原理,提出了一种基于CCD的多通道毛细管电泳信号检测系统。硬件电路设计以FPGA芯片EP2C8为核心,以QuartusⅡ软件为平台,基于Verilog HDL语言设计了CCD驱动电路及A/D控制等电路模块。CCD输出信号经预处理电路和A/D转换后送入FPGA处理,由FPGA软核处理器进行数据接收,并实现与PC机通信功能,最后由上位机绘制出检测曲线。系统的软件部分包括FPGA软核和上位机数据处理,基于C语言及NiosⅡ平台实现嵌入式软件设计,完成了CCD输出数据的接收和传输。上位机软件基于Visual C++平台,完成信号采集、曲线显示和数据文件保存等功能,建立了良好的人机交互界面。本文设计组建的多通道毛细管电泳信号检测系统,能同时对四通道毛细管电泳芯片中各通道的不同荧光信号强度进行检测,并同时实现四个通道的检测波形绘制与数据存储。系统具有体积小、高通量、检测效率高、低功耗等特点,有利于毛细管电泳芯片分析系统的微型化和便携化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的意义
• 1.2 基于CCD的毛细管电泳检测研究现状
• 1.3 本文的主要工作
• 2 毛细管电泳技术及CCD工作原理简介
• 2.1 毛细管电泳技术
• 2.1.1 毛细管电泳基本原理
• 2.1.2 毛细管电泳芯片结构及进样方法
• 2.2 CCD工作原理
• 2.2.1 CCD结构及工作原理
• 2.2.2 CCD驱动工作原理
• 3 CCD信号采集系统硬件电路设计
• 3.1 测试系统总体结构
• 3.2 系统硬件整体设计方案
• 3.3 FPGA芯片及其外围电路
• 3.3.1 串行配置接口电路
• 3.3.2 JTAG配置接口电路
• 3.3.3 SDRAM配置电路
• 3.4 CCD驱动模块
• 3.4.1 CCD外围电路
• 3.4.2 CCD驱动设计
• 3.5 CCD输出信号处理电路
• 3.5.1 差分放大电路
• 3.5.2 滤波电路
• 3.5.3 电压放大电路
• 3.5.4 A/D选择及其外围电路
• 3.6 串口通信接口电路
• 4 检测系统软件设计
• 4.1 FPGA逻辑设计
• 4.1.1 CCD驱动时序程序
• 4.1.2 A/D采样控制程序
• 4.2 Nios Ⅱ软核SOPC设计
• 4.2.1 软核系统结构设计
• 4.2.2 信号数据处理
• 4.2.3 RS232串口通信
• 4.3 上位机软件设计与实现
• 4.3.1 串口数据采集
• 4.3.2 数据处理
• 4.3.3 图形绘制
• 4.3.4 界面显示功能
• 5 实验结果及其分析
• 5.1 测试系统组建及毛细管电泳芯片的制备
• 5.2 TCD1028AP驱动电路及信号处理电路调试
• 5.2.1 TCD1028AP驱动脉冲调试
• 5.2.2 TCD1028AP信号处理电路调试
• 5.3 软件测试系统运行结果
• 5.4 光信号采集
• 结论
• 参考文献
• 附录A FPGA芯片及其外围电路
• 附录B 系统电源电路图
• 附录C 系统PCB版图设计
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢