《数字电路》课外综合训练指导书
复杂可编程逻辑阵列芯片（CPLD）的应用开发
目录
1．前言
1.1 数字电路与逻辑设计课程的核心问题
1.2 可编程逻辑阵列芯片发展概述
1.3 CPLD的应用开发体现了数字电路与逻辑设计课程的主线2． DP-MCU/Altera应用开发
2.1 硬件平台
2.2 软件平台
3． Verilog HDL语言的学习
4． CPLD应用设计
4.1 应用开发步骤
4.2组合逻辑电路的CPLD实现
4.3时序逻辑电路的CPLD实现
5．课时安排与考核方式
6．结束语
7．参考资料
8．附录
1．前言
《数字电路与逻辑设计》是计算机科学系各专业的一门重要专业基础课程，提供认识、分析、设计各种计算机及其应用系统必须具有的理论基础与硬件原理。而《数字电路与逻辑设计》除了要掌握大量的理论知识、分析设计步骤与原理之外，还是一门实践性很强的课程。实践性强体现在，一方面对课程所学知识而言，必须通过实验课程进行分析、验证，才能提升对电路的原理与特性的理解与掌握；另一方面，数字电路课程的知识内容，能够解决实际的工程中所遇到的分析、设计应用的问题，具有掌握好该课程内容就拥有能应用与实际工作的特性。
为此，我们在制定课程的教学计划时，根据各章节的需要安排了相当数量的实验内容。但这些内容都是基于现成的功能比较简单集成电路来进行的，但我们平时所遇到的计算机硬件或系统集成，牵涉到的都是数字系统的问题。所以如何将数字电路课程的各个章节的内容，贯穿起来，形成系统的概念并且加以实践，对同学们的知识提升和能力都是个巨大的促进作用，这就是开展本课程综合训练的目的和意义。而怎样才能将课程的前后内容贯穿起来，形成一个综合的系统呢，数字电路的最新发展成果，可编程逻辑阵列芯片为我们解决这个提供了答案。本指导书以复杂可编程逻辑阵列芯片（CPLD）EPM7128S、利用Verilog HDL硬件开发语言及其仿真与JTAG工具、借助DP-MCU/CPLD开发平台，进行数字系统的综合分析与设计训练。
1.1 数字电路与逻辑设计课程的核心问题
该课程的核心问题有许多，包括逻辑函数及其表示、分立元件门电路到集成门电路、传递延时与竞争冒险现象、三态门结构与总线思想、组合逻辑电路的分析与设计、触发记忆单元、时序逻辑电路的分析与设计、存储器与可编程逻辑阵列芯片技术、A/D与D/A电路等，其中，除了A/D与D/A电路外，其它的所有核心内容，都可以借助可编程逻辑阵列芯片技术把这条核心主线贯穿起来，从而将器件和系统统一起来，这就是选择CPLD的应用开发做为综合训练的原因。
1.2 可编程逻辑阵列芯片发展概述
数字化时代是数字集成电路广泛应用为前提的。数字集成电路本身在不断地进行更新换代。它由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路、发展到超大规模集成电路(VLSIC，几万门以上)以及许多具有特定功能的专用集成电路。但是，随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路(ASIC)芯片，而且希望ASIC的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的ASIC 芯片，并且立即投入实际应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器件(FPLD)，其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列(FPGA)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)。
早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存贮器(PROM)、紫外线可按除只读存贮器(EPROM)和电可擦除只读存贮器(EEPROM)三种。由于结构的限制，它们只能完成简单的数字逻辑功能。
其后，出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件(PLD)，它能够完成各种数字逻辑功能。典型的PLD由一个“与”门和一个“或”门阵列组成，而任意一个组合逻辑都可以用“与一或”表达式来描述，所以，PLD能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功能。
这一阶段的产品主要有PAL(可编程阵列逻辑)和GAL(通用阵列逻辑)。PAL由一个可编程的“与”平面和一个固定的“或”平面构成，或门的输．出可以通过触发器有选择地被置为寄存状态。PAL器件是现场可编程的，它的实现工艺有反熔丝技术、EPROM技术和EEPROM技术。还有一类结构更为灵活的逻辑器件是可编程逻辑阵列(PLA)，它也由一个“与”平面和一个“或”平面构成，但是这两个平面的连接关系是可编程的。PLA器件既有现场可编程的，也有掩膜可编程的。在PAL的基础上，又发展了一种通用阵列逻辑GAL (Generic Array Logic)，如GAL16V8,GAL22V10 等。它采用了EEPROM工艺，实现了电可按除、电可改写，其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因而它的设计具有很强的灵活性，至今仍有许多人使用。这些早期的PLD器件的一个共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。
为了弥补这一缺陷，20世纪80年代中期。Altera和Xilinx分别推出了类似于PAL结构的扩展型CPLD(Complex Programmab1e Logic Dvice)和与标准门阵列类似的FPGA(Field Programmable Gate Array)，它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。这两种器件兼容了PLD和通用门阵列的优点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活。与门阵列等其它ASIC(Application Specific IC)相比，它们又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产(一般在10,000件以下)之中。几乎所有应用门阵列、PLD 和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用FPGA和CPLD器件。
下面对 FPGA／CPLD做一个概述。FPGA(现场可编程门阵列)与CPLD(复杂可编程逻辑器件)都是可编程逻辑器件，它们是在PAL,GAL等逻辑器件的基础之上发展起来的。同以往的PAL,GAL等相比较，FPGA／CPLD的规模比较大，它可以替代几十甚至几千块通用IC芯片。这样的FPGA／CPLD实际上就是一个子系统部件。这种芯片受到世界范围内电子工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎。经过了十几年的发展，许多公司都开发出了多种可编程逻辑器件。比较典型的就是Xilinx公司的FPGA器件系列和Altera公司的CPLD器件系列，它们开发较早，占用了较大的PLD市场。当然还有许多其它类型器件，如：Lattice，Vantis，Actel，Quicklogic，Lucent等。
尽管FPGA、CPLD和其它类型PLD的结构各有其特点和长处，但概括起来，它们是由三大部分组成的，一个二维的逻辑块阵列：构成了PLD器件的逻辑组成核心。输入／输出块：连接逻辑块的互连资源。连线资源：由各种长度的连线线段组成，其中也有一些可编程的连接开关，它们用于逻辑块之间、逻辑块与输入／输出块之间的连接（图形略）。对用户而言，CPLD 与FPGA的内部结构稍有不同，但用法一样，所以多数情况下，不加以区分。
随着VlSI(Very Large Scale IC，超大规模集成电路)工艺的不断提高单一芯片内部可以容纳上百万个晶体管，FPGA／CPLD芯片的规模也越来越大，其单片逻辑门数已达到上百万门，它所能实现的功能也越来越强，同时也可以实现系统集成。
FPGA／CPLD芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，不需要设计人员承担投片风险和费用，设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件环境来完成芯片的最终功能设计。所以，FPGA／CPLD的资金投入小，节省了许多潜在的花费。
用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同软件就可实现不同的功能。所以，用FPGA／PLD 试制样片，能以最快的速度占领市场。FPGA／CPLD软件包中有各种输入工具和仿真工具，及版图设计工具和编程器等全线产品，电路设计人员在很短的时间内就可完成电路的输入、编译、优化、仿真，直至最后芯片的制作。当电路有少量改动时，更能显示出FPGA／CPLD的优势。电路设计人员使用FPGA／CPLD进行电路设计时，不需要具备专门的IC(集成电路)深层次的知识，FPGA／CPLD软件易学易用，可以使设计人员更能集中精力进行电路设计，快速将产品推向市场。
1.3 CPLD的应用开发体现了数字电路与逻辑设计课程的主线
那么，CPLD的应用开发是怎样体现了数字电路与逻辑设计课程的主线的呢，CPLD的速度等级体现了门电路时间传递延时的概念，并在极端情况下可以体验的竞争冒险现象；而三态门与总线的内容是CPLD设计必备的知识，并在其电路结构中得到充分体现；课程中讲到的任何复杂的逻辑关系，不管它多么复杂，只要逻辑变量与逻辑关系是有限的，都可以通过CPLD 的”与-或”或者”或-与”表达式加以实现，而课程中的译码器、编码器、全加器、比较器、数据选择器等都可以得到实际的设计体验；CPLD可以设计成任意的触发记忆单元，由此可形成锁存器、移位寄存器、计数器等功能。这样，通过CPLD的开发应用，几乎将数字电路与逻辑设计整门课程的知识点连接在一起，起到融会贯通的作用。当然，我们还可根据具体需要，利用CPLD 设计出满足各种应用功能的综合性器件。
2．DP-MCU/Altera应用开发
应用开发环境使用DP-MCU/Altera综合仿真实验仪，由广州致远电子公司设计的单片机与CPLD一体的仿真开发工具，我们使用其中的CPLD开发功能部分。该开发环境是CPLD编程、编译、仿真、调试、运行等学习、设计、应用的平台，含硬件配置与接线及软件配置应用两个
部分。
2.1 硬件平台
硬件环境平台由PC 机、JTAG 下载调试电缆、DP-MCU/Altera 主机、用户板系统等4个部分组成，如图2.1所示。
关于DP-MCU/Altera 的内部结构，请参照《单片机与CPLD 综合应用技术》的第2章的
第2节的相关内容。
2.2 软件平台
软件环境为Altera 社提供的MAX+plusII ，它是一个完全集成化、易学、易用的可编程逻辑阵列芯片的开发设计软件环境。MAX+plusII 是Altera 公司的第三代PLD 开发软件，是Multiple Array Matrix and Programmable Logic User System 的缩写，具有开放的接口、丰富的设计库、模块化的工具以及Megacore 功能等特点。
DP-MCU/Altera 综合仿真实验仪带有一个光盘含有MAX+plusII ，安装时需要一个注册码文件，请同学们在自行安装时在详细阅读Readme 文件的基础上注意使用。
MAX+plusII 是以项目来管理工程文件，在MAX+plusII 下的任何开发设计都是以项目开始的。MAX+plusII 软件支持多种输入方式（相当与源文件的输入方式有多种），较常用的原理图输入方式与HDL 硬件描述语言输入等两种。而HDL 硬件描述语言又包含AHDL 、VHDL 、以及Verilog HDL 等描述语言。本指导书采用在较短时间内就能学习和掌握的Verilog HDL 语言。有关Verilog HDL 硬件描述语言的阐述见下一节的内容。
关于MAX+plusII 的具体使用，请参照《单片机与CPLD 综合应用技术》的第3章的第5节的相关内容。
3． Verilog HDL 语言的学习
Verilog HDL 是一种硬件描述语言，可用于从算法级、门级到开关级的多种抽象层次的数字系统建模。由于Verilog HDL 既是机器可读的语言也是人类可读的语言，因此它支持硬件设PC 机DP-MCU
/ Altera
用户板JTAG 电缆用户扩展电缆
图2.1 硬件连接
计的开发、验证、综合和测试；硬件数据之间的通信；硬件的设计、维护和修改。现在，Verilog HDL已经成为数字系统设计的首选语言，并成为综合、验证和布局布线技术的基础。
Verilog硬件描述语言（Verilog HDL）于1995年被接纳为IEEE标准，标准编号为IEEE Std 1364-1995。它使各种设计工具（包括验证仿真、时序分析、测试分析以及综合）能够在多个抽象层次上以标准文本格式描述数字系统，简单、直观并富有效率。由于其丰富的功能，Verilog HDL已经成为数字系统设计的首选语言。
Verilog包含了丰富的内建原语，包括逻辑门、用户定义的原语、开关以及线逻辑。它还具有器件管脚间的时延和时序检查功能。从本质上讲，Verilog所具有的混合抽象层次由两种数据类型所提供，这两种数据类型是线网（net）和变量（variable）（注1）。对于连续赋值，变量和线网的表达式能够连续地将值驱动到线网，它提供了基本的结构级建模方法。对于过程赋值，变量和网络值的计算结果可以存储于变量当中，它提供了基本的行为级建模方法。一个用描述的设计包含一组模块，每一个模块都包含一个I/O接口和一个功能描述。模块的功能描述可以是结构级的、行为级的、也可以是结构级和行为级的混合。这些模块组成一个层次化结构并使用线网进行互连。
Verilog语言可以通过使用编程语言接口（Programming Language Interface，PLI）和Verilog程序接口（Verilog Procedural Interface,VPI）进行扩展。PLI/VPI是一些例程的集合，它使得外部函数能够访问包含在Verilog HDL描述内部的信息，推动了与仿真之间的动态交互。PLI/VPI的应用包括将Verilog HDL仿真器与其它仿真和CAD系统、用户定制的调试任务、时延计算以及标注器相连接。
关于Verilog HDL硬件描述语言的具体内容，请参照《单片机与CPLD综合应用技术》的第5章的相关内容。
4． CPLD应用设计
本指导书中用到的软硬件平台支持的Altera社的CPLD产品的开发，我们也就使用DP-MCU/Altera仿真开发工具上的CPLD芯片EPM7128S为开发对象。EPM7128S是Altera 社的MAX7000系列器件中比较有代表性的产品， ALTERA的EPM7128S系列CPLD是基于第二代MAX结构体系地高性能EEPROM结构的CPLD。完全符合IEEE 1149.1 JTAG边界扫描标准，具有5V ISP的功能。具有最小5ns的引脚到引脚的逻辑时延，最高可175.4MHz的计数频率。引脚可配置为开漏输出。每个宏单元都有独立的可编程电源控制，最多可以节省50%的功耗。宏单元内的寄存器具有单独的时钟和复位等信号。支持多种电压接口。学习板上使用的是一个PLCC84封装的EPM7128S ，EPM7128S内部有128个宏单元、8个逻辑阵列块和2500个门电路。
关于EPM7128S的具体介绍，请参照《单片机与CPLD综合应用技术》的第4章的第4-5
节的相关内容与MAX 7000 Programmable Logic Device Family Data Sheet。
4.1 应用开发步骤
基本设计方法是借助MAX+plusII集成开发软件平台，建立项目工程文件（Project），利用Verilog HDL硬件描述语言，输入源代码，编译后生成相应的目标文件，通过下载电缆（“在系统”编程，又称JTAG下载）将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。这里介绍一下ISP的概念，目前，越来越多的单片机、嵌入式处理器、FPGA/CPLD支持ISP(In-System Programming编程或在线JTAG编程。也就是CPLD芯片在用户板中，PC主机可通过JTAG 下载、调试电缆，将编译生成的目标文件，写入CPLD中，一般的CPLD可擦写1000次，这样给调试带来极大的方便。
这里以抢答器为例讲一下它的设计过程，即芯片的设计流程。CPLD的工作大部分是在电脑上完成的。打开集成开发软件(Altera公司MAX+plus II)→画原理图、写硬件描述语言（VHDL，Verilog）→编译→给出逻辑电路的输入激励信号，进行仿真，查看逻辑输出结果是否正确→进行管脚输入、输出锁定（例如使用7128芯片，其64个输入、输出管脚可根据需要设定）→生成代码→通过下载电缆将代码传送并存储在CPLD芯片中。7128这块芯片各管脚已引出，将数码管、抢答开关、指示灯、蜂鸣器通过导线分别接到芯片板上，通电测试，当抢答开关按下，对应位的指示灯应当亮，答对以后，裁判给加分后，看此时数码显示加分结果是否正确，如发现有问题，可重新修改原理图或硬件描述语言，完善设计。设计好后，如批量生产，可直接复制其他CPLD芯片，即写入代码即可。
具体步骤如下：
（1）新建项目。
进入MAX+plus Ⅱ集成开发环境，新建一个命名为工程项目文件FA_Seq.pof，并在该项目下新建Verilog HDL源程序文件FA_Seq.v，输入上面的程序代码并保存。
（2）设计输入。
（3）器件选择与引脚锁定。
（4）项目的编译与仿真。
对该工程文件进行编译处理，若在编译过程中发现错误，则找出并更正错误，直至编译成功为止。若需要对所建的工程项目进行验证，则输入必要的激励波形文件，然后进行模拟波形仿真。观察模拟仿真结果并与预期的目标相比较，看是否符合设计要求，若不满足要求，则更正程序的相关部分
（5）器件编程下载。
（6）利用各种仪器对下载后CPLD进行功能测试，观察结果是否和预想的相同。
4.2 组合逻辑电路的CPLD实现
见补充材料1。
4.3 时序逻辑电路的CPLD实现
见补充材料2。
5．课时安排与考核方式
综合训练共20学时，具体安排如下：
考核方式以设计的作品，包括设计功能说明、硬件电路、软件清单、设计过程报告，评出优、良、中三个等级，拍摄以CPLD开发设计为主题的小组成员纪念合影，以供就职等使用。6．结束语
课外综合训练，是建设《数字电路与逻辑设计》精品课程的一个尝试，通过这样的一个，我们希望取得两个方面的成果。一方面让同学更贴近数字电路，解除对数字电路学习中的疑惑，全面掌握课程的内容，并提高实践和实战能力。另一方面，CPLD代表着集成电路发展的最新技术，基于FPGA/CPLD 的CPU/SOC及外围电路应用设计是当前的一个热点，通过平台的使用、开发环境的认识和掌握、CPLD开发步骤的形成、以及一些实例的锻炼，为进入研究设计工作提早打下基础，对将来自己将来工作的思考与就职做了个准备。
7．参考资料
1）MAX 7000 Programmable Logic Device Family Data Sheet, Altera Corporation，1999. 2) On-line Verilog HDL Quick Reference Guide,
https://www.doczj.com/doc/8e16951802.html,/on-line_ref_guide/vlog_ref_top.html,
by Stuart Sutherland of Sutherland HDL, Inc., Portland, Oregon, USA
3）单片机与CPLD综合应用技术，周立功，北京航天航空大学出版社，2003。
4）CPLD技术及其应用，宋万杰，西安电子科技大学出版社，2001。
8．附录
数字电路课程中的三条主线
___建设《数字电路》精品课程辅导材料之一
网络与硬件教研室林文忠
摘要：数字电路课程涵盖的内容很多，集成电路中最热门的CPU、存储器、可编程逻辑阵列这三项技术，都与数字电路有着密切的关系，其重要性不言而喻。本文从贯穿数字电路课程的逻辑关系的电路实现、记忆功能的电路实现、数字系统结构这三条主线，来把握数字电路的核心内容和其关联细节，以期对数字电路的认识和学习有指导作用。
关键词：逻辑关系、记忆功能、电路实现、门电路，触发器、数字系统
1．引言
在认识领域，大家对逻辑关系已经很熟悉，逻辑关系表达式是表示逻辑关系的常用方法。人们只要给出一组逻辑输入变量的值，通过人工的逻辑运算，就能获得相应的逻辑结果。过去人们常提出有没有一种物理的方法，能够实现逻辑变量以物理量的方式设定，并通过其内部的机构，产生一个代表其结果的物理量输出这样的问题。这个问题的解决方法，经过不断的追求、探索和实践，直到电子技术的出现，特别是集成电路的出现和发展，这种实现逻辑关系的物理方法，终于能以高速、低空间密度、极低的能耗的电路得以实现。
上述的逻辑结果，一旦输入条件消失，输出也随之消失，如何保持住这个输出结果，即所谓的记忆功能，电路的方法又如何实现，各个输入条件与其输出结果间又如何谐调、有序、系统地工作呢，带着这些问题进行下面的探讨。
2．逻辑关系的电路实现
分析与设计逻辑关系的数学基础是布尔代数或逻辑代数。布尔的逻辑代数理论建立在两种逻辑值“真True”、“假False”和三种逻辑关系“与AND”、“或OR”、“非NOT”所构成的代数系统，用“1”代表“真True”，用“0”代表“假False”。在数字电路中，通常是直流供电，比如在＋5V（V C）的供电系统中，用“1”表示高电平＋5V，用“0”表示低电平0V（地）。在模拟电路课程中，我们知道三极管有三种工作状态，即截止、放大和饱和，其输入信号和输出信号可以在地信号到电源电压V C之间连续地改变；而在数字电路中，三极管只工作在截止（关断）和饱和（导通）两种工作状态，其输入信号和输出只有高电平（“1”）和低电平（“0”）两种取值。
通过若干个工作在截止和饱和状态的三极管的电路组合，能够完成逻辑代数中的与
（F=A·B）、或（F=A+B）、非（F=A）三种基本逻辑运算（1）。这就是逻辑关系的电路实现，它具有重大的意义，说明只要给逻辑变量赋以的高低电平，就有一个表示逻辑运算结果的高低
电平的产生。也就是说，给逻辑变量赋以一个（或一组）逻辑0或者1，经电路运算关系，就获得一个0或者1的逻辑结果。上述提到的与、或电路运算中只有两个变量，同样的，多变量的与、或运算也可以用电路实现，只是用到的三极管更多一些，电路更复杂一些。与逻辑运算的电路实现称为与门电路，或逻辑运算的电路实现称为或门电路。
逻辑代数告诉我们，自然界或者说现实生活中，任何一个逻辑关系，不管它多么复杂，都可以用与-或表达式，或者用或-与表达式来表示。以用与-或表达式实现逻辑关系为例，如果电路能够提供足够多的与门和或门的话，那么再复杂的逻辑关系（表达式）都可以用电路的方式加以实现。
认识了逻辑关系的电路实现之后，我们就可以理解为什么现在可编程逻辑阵列芯片得到如此迅速的发展和广泛应用。可编程逻辑阵列芯片具有与阵列和或阵列，各阵列的门数依不同的芯片不同，用户借助设计语言和编程工具，来形成芯片的电路功能。比如，我们可以用可编程逻辑阵列芯片来设计CPU中的算术逻辑单元、CPU中控制器的指令译码器等。也可将自己设计的逻辑电路，交给芯片制作厂商，制成专用功能芯片（ASIC）。
3．记忆功能的电路实现
上述讲到的逻辑关系的电路实现，主要针对与组合逻辑电路，其特点是输入条件改变的话，输出结果也发生改变，不具有记忆的功能。具有记忆功能的电路，在输入条件发生改变或者消失之后，电路的输出结果也可以不发生改变。其电路原理，也是利用与-或-非这样的基本电路，将输出结果反馈到输入端而构成的（2）。构成记忆功能的单元电路称为触发器，在数字电路中，有多种类型的触发器，为了让记忆结果在适当的时刻在电路中发生作用，通常触发器中引入时钟，以便在时钟的节拍下，协调电路的工作。数字系统及计算机中，像寄存电路、移位电路、计数电路、序列信号发生电路等很多类型的电路需要记忆功能，它们都是由各种触发器构成的，这一类的电路也称为时序逻辑电路。
在数字系统中，一个具体的电路，往往是组合逻辑电路和时序逻辑电路一起组成的。比如对于静态存储器，其地址译码就是由与门构成的全译码组合逻辑电路；而它的记忆单元（存储单元）就是由触发器组成。再比如，在硬布线CPU中，控制器的译码控制部件产生操作命令，就是由指令操作码译码器（组合逻辑电路）和表示CPU机器周期的时序电路构成。
时序逻辑电路也同样可用可编程逻辑阵列芯片实现，可以利用编程逻辑阵列芯片设计任意进制的计数电路、任意位数的移位电路等。在带有乘法器的CPU中，乘法运算的实现就是算术逻辑单元、移位电路和计数电路构成的。再比如，可以利用可编程逻辑阵列芯片来设计微指令方式CPU的控制器，
如上所述，可编程逻辑阵列芯片在数字电路中以及应用系统中占有非常重要的位置，通过使用可编程逻辑阵列芯片，对组合逻辑电路和时序逻辑电路贯穿起来，对数字电路的认识和实践都
络中下载，实验室也有一些常用芯片的编程工具，可以做一些综合设计性实验。
4．数字系统结构
以上讲述的是独立功能的电路，数字系统是由一些独立功能电路综合而成的，可电路部分能够有机、协调地进行处理、运算和信息传递，不会出现停滞和数据冲突，很重要的还有一个三态门的概念。前面讲到，一个电路的输出要么1状态要么0状态是不严密的，电路中还有第三种状态即高阻状态。当电路处于高阻状态时，其输出和其他电路是隔离开的，好像该电路不存在一样。有了三态门结构，不同芯片的输出就可以使用同一个总线，它们分时使用总线，而不产生数据冲突。在CPU内部、CPU与外部电路连接时，大量地使用着总线技术，达到信息资源的多通道来往和共享。三态门是由电路中的片选信号控制，在某一时刻，数字系统中某个电路的片选信号有效，该电路就被选中，这样系统就能按一定的时钟节拍有机协调地工作。5．电路中必须注意的若干问题
当然上述用电路实现逻辑问题都是一些理想化的情况。实际上电路有其自身的一些特性，这些特性将影响逻辑功能的实现。常见的问题有电平问题、信号传递的延时问题、带负载能力问题、电能损耗问题等。比如在+5V系统中，所谓的逻辑1做不到对应的就是准确的5V，0逻辑对应的也不是0V，而是允许有一个范围，就是噪音容限；比如由于TTL三极管或着MOS
管的电容等分布参数的存在，信号在经过门电路需要花一定的时间，由于经过的门电路个数的不同，延时时间不同，特别在高频电路中，造成逻辑错误；比如总线的带动的负载如果过大，总线上的电平将发生变化，造成逻辑错误等，这些因素都必须考虑周全，才能保证数字系统可靠地工作。
6．结束语
以上，为了便于同学们的认识和学习，就逻辑关系的电路实现、记忆功能的电路实现、数字系统结构这三个数字电路课程中的重要问题进行了粗浅的探讨。当然，数字电路的核心问题还应包括电路的制作工艺、能耗控制等多方面的问题，同时数字电路也在不断的发展之中，自己也是在学习充实当中，文中有不妥之处，希望能多交流，共同提高。
全自动生物芯片微阵列化学发光检测平台SLXP-001标 准操作规程（程序版本01） 一、开机：打开仪器主机电源开关（仪器左上角）和温度控制开关（仪器右侧门打开里面的绿色按钮）→仪器进行开机自检→双击打开软件BIOCHIP_ANALYSIS→登陆→进入操作界面→【日常操作】→【系统初始化】 二、操作前准备： 1、检查废液桶内的废水，液位超过2/3时需清空；检查垃圾盒内的废料，废料超过垃圾盒1/3时需清空；检查洗液液位，当液位低于1/3时应及时补充。 2、将二抗反应液、检测液A和B加够当天的用量。二抗反应液放于1~6号相应的位置内，检测液A和B 分别放置于11和12号位。（不同批号试剂盒中相同批号的反应液和检测液A、B可以合并使用） 三、定标和质控：当使用新的批号试剂盒时，要进行定标和质控。 1、输入浓度值：点击【工作设置】→【试剂盒信息】→【添加试剂盒】→输入新的批号并选择项目→【确认】→【标准品浓度】→选择所添加的试剂盒，之后在右边界面出现标准品1~5和质控品的浓度修改界面，然后按照浓度表修改浓度或者扫描二维码输入浓度→【修改】。 2、定标液和质控液准备：分别用200μL蒸馏水复溶标准品5-1和质控品，将复溶后的校准品5-1和质控品各取200μL按照顺序加到各反应杯中。 3、校准品申请：【日常操作】→【定标质控申请】，选择要定标的芯片种类，试剂盒批号等→【确认申请】 三、样本准备： 1、根据血清数量将相应数量的空反应杯放置于杯架上； 2、用纯水按1：9稀释Mak处理液，之后每个杯子中加入20μL稀释后的Mak处理液； 3、按照一定顺序向杯子中加入180μL的血清，并与反应杯中的Mak处理液混匀。 四、样本申请：点击【日常操作】→【样本申请】→单击检查项目列表中所要检查的项目→在试剂盒批号的下拉菜单中选择对应批号→输入患者姓名、性别等信息→录入下一个样本信息（当最后一个样本血清信息录入完毕之后，点击完成申请） 五、仪器启动： 1、人工放芯片程序
西工大《阵列信号处理》复习考点整理 考试形式： 一、8道问答题，每道题5分； 二、六道大题，包括PPT 上老师给出的那一道。 一 1. 均匀线列阵在波束扫描时，波束图怎么变化？ 当波束指向法线方向时，波束图具有最窄的主瓣宽度；随着阵元指向逐渐远离法线方向，主瓣一直指向所调方向并且展宽；除了指向法线方向外，主瓣都关于波束倾角轴不对称；当达到某一临界角时不能形成波束，但是在端射方向又可以形成波束。且在端射方向形成一个较宽的主瓣。 2．DI 是什么？ DI 表示指向性指数，其表达式为 D 为方向性，是阵列和孔径的一个常用性能度量。 ???=ππ φθθφθπφθ200 ),(sin 41) ,(P d d P D T T 3. DC 加权的特点 （1）旁瓣级给定时，主瓣宽度最小； （2）主瓣宽度给定时，旁瓣级最低； （3）等旁瓣级。 4. 频域快拍模型是什么，步骤是什么，常用的频域快拍取的时间有什么关系？ （1）记住《最优阵列处理技术》245页图 5.1 （2）步骤： ①把总的观测时间T 分为K 个不重叠的时间区域，区域长度为△T ； ②对时域快拍进行FT ； ③对频域向量（频域快拍）进行窄带波束形成； ④对上述频域信号进行IFT 。 （3）△T 的选择准则 ①△T 必须远大于平面波通过阵列的传播时间； ②△T 依赖于输入信号的带宽和信号的时域谱，16≥??T B （B*△T 足够大，选用频域快拍模型）。 5. 什么是均匀阵的瑞利限？ 常规波束形成分辨率的极限。表达式为 6. 空间白噪声的阵增益的相关计算。 阵列增益ωA 的定义为阵列的输出SNR 和一个阵元上的输入SNR 的比值。下标“ω”表示空域不相关的噪声输入。表达式如下：
生物芯片及应用简介 简介 生物芯片（biochip）是指采用光导原位合成或微量点样等方法，将大量生物大分子比如核酸片段、多肽分子甚至组织切片、细胞等等生物样品有序地固化于支持物（如玻片、硅片、聚丙烯酰胺凝胶、尼龙膜等载体）的表面，组成密集二维分子排列，然后与已标记的待测生物样品中靶分子杂交，通过特定的仪器比如激光共聚焦扫描或电荷偶联摄影像机（CCD）对杂交信号的强度进行快速、并行、高效地检测分析，从而判断样品中靶分子的数量。由于常用玻片/硅片作为固相支持物，且在制备过程模拟计算机芯片的制备技术，所以称之为生物芯片技术。根据芯片上的固定的探针不同，生物芯片包括基因芯片、蛋白质芯片、细胞芯片、组织芯片，另外根据原理还有元件型微阵列芯片、通道型微阵列芯片、生物传感芯片等新型生物芯片。如果芯片上固定的是肽或蛋白，则称为肽芯片或蛋白芯片；如果芯片上固定的分子是寡核苷酸探针或DNA，就是DNA芯片。由于基因芯片（Genechip）这一专有名词已经被业界的领头羊Affymetrix公司注册专利，因而其他厂家的同类产品通常称为DNA微阵列(DNA Microarray)。这类产品是目前最重要的一种，有寡核苷酸芯片、cDNA芯片和Genomic芯片之分，包括二种模式：一是将靶DNA固定于支持物上，适合于大量不同靶DNA的分析，二是将大量探针分子固定于支持物上，适合于对同一靶DNA进行不同探针序列的分析。 生物芯片技术是90年代中期以来影响最深远的重大科技进展之一，是融微电子学、生物学、物理学、化学、计算机科学为一体的高度交叉的新技术，具有重大的基础研究价值，又具有明显的产业化前景。由于用该技术可以将极其大量
微流控芯片的发展及制造工艺介绍 微流控芯片的发展微全分析系统的概念是在1990年首欠由瑞士Ciba2Geigy 公司的Manz与Widmer提出的，当时主要强调了分析系统的“微”与“全”，及微管道网络的MEMS加工方法，而并未明确其外型特征。次年Manz等即在平板微芯片上实现了毛细管电泳与流动。微型全分析系统当前的发展前沿。微流控分析系统从以毛细管电泳分离为核心分析技术发展到液液萃取、过滤、无膜扩散等多种分离手段。其中多相层流分离微流控系统结构简单，有多种分离功能，具有广泛的应用前景。已有多篇文献报道采用多相层流技术实现芯片上对试样的无膜过滤、无膜参析和萃取分离。同时也有采用微加工有膜微渗析器完成质谱分析前试样前处理操作的报道。流控分析系统从以电渗流为主要液流驱动手段发展到流体动力气压、重动、离心力、剪切力等多种手段。 直至今日，各国科学家在这一领域做出更加显着地成绩。微流控技术作为当前分析科学的重要发展前沿，在研究与应用方面都取得了飞速的发展。 微流控芯片的原理 微流控芯片采用类似半导体的微机电加工技术在芯片上构建微流路系统，将实验与分析过程转载到由彼此联系的路径和液相小室组成的芯片结构上，加载生物样品和反应液后，采用微机械泵。电水力泵和电渗流等方法驱动芯片中缓冲液的流动，形成微流路，于芯片上进行一种或连续多种的反应。激光诱导荧光、电化学和化学等多种检测系统以及与质谱等分析手段结合的很多检测手段已经被用在微流控芯片中，对样品进行快速、准确和高通量分析。微流控芯片的最大特点是在一个芯片上可以形成多功能集成体系和数目众多的复合体系的微全分析系统？微型反应器是芯片实验室中常用的用于生物化学反应的结构，如毛细管电泳、聚合酶链反应、酶反应和DNA 杂交反应的微型反应器等。其中电压驱动的毛细管电泳（Capillary Electrophoresis ，CE）比较容易在微流控芯片上实现，因而成为其中发展最快的技术。它是在芯片上蚀刻毛细管通道，在电渗流的作用下样品液在通道中泳动，完成对样品的检测分析，如果在芯片上构建毛细管阵列，可在数分钟内完成对数百
基因工程作业 浅谈基因芯片
目录 摘要: (2) 关键词: (2) 前言: (2) 1概念特点 (2) 1.1概念 (2) 1.2特点 (2) 2原理 (3) 3分类 (3) 3.1根据用途分类 (3) 3.2根据作用方式分类 (3) 3.3根据固定在载体上的物质成分分类 (3) 4制备 (4) 4.1原位合成 (4) 4.2点样合成 (4) 5应用领域 (4) 5.1基因表达检测 (4) 5.2突变检测 (5) 5.3杂交测序 (5) 5.4基因文库作图 (5) 5.5药物筛选 (5) 5.6基因诊断 (5) 5.7 个体化医疗 (5) 6面临问题 (5) 6.1样品的制备 (5) 6.2探针合成与固定 (6) 6.3分子的标记 (6) 7发展情况 (6) 7.1世界发展情况 (6) 7.2中国发展情况 (6) 参考文献: (7)
浅谈基因芯片 Preliminary Study on Gene Chips 摘要：基因芯片就是按特定的排列方式固定有大量基因探针、基因片段的硅片、玻片、塑料片。基因芯片技术是高效地大规模获取相关生物信息的主要手段。目前，该技术应用领域主要有基因表达检测、突变检测、基因组多态性分析、基因文库作图、杂交测序等。九十年代初以美国为主开始进行的各种生物芯片的研制，将近十年的功夫，芯片技术得以迅速发展，并呈现发展高峰。 Abstract：Gene chips are silicon slices, glass slide, and plastic plate arranged in particular orders fixed with quantity of gene probes, gene fragments. The gene chip technology is the main means to obtain corresponding biological information effectively. Biochips were developed primarily by Americans in early nineties and the development reached a climax in late nineties. Presently, the main application domain of the technology includes gene expression detection, mutation detection, genome polymorphism analysis, gene library mapping and hybridization sequencing. 关键词：基因芯片；基因；应用 Key words：gene chip; gene; application 前言 基因芯片，又称DNA芯片或基因芯片，它们是DNA杂交探针技术与半导体工业技术相结合的结晶。该技术是指将大量探针分子固定于支持物上后与带荧光标记的DNA样品分子进行杂交，通过检测每个探针分子的杂交信号强度进而获取样品分子的数量和序列信息。 生物芯片技术为人类基因组学从理论研究向实用研究过渡以及生命科学从分子水平研究向细胞乃至整体水平研究的回归架起了一座桥梁。 1概念特点 1.1概念 生物芯片：和微缩集成电路一样，也是在一块指甲大小的硅片或尼龙膜等材料上，将生物分子探针(包括细胞、蛋白质、核酸及其他生物组分)以大规模阵列的形式排布，形成可与目的分子相互作用、并行反应的固相表面。将生物芯片与荧光标记分子进行化学反应(如杂交等)，经过激光扫描，不同反应强度的标记荧光将呈现不同特征的荧光发射光谱，用CCD 相机或激光共聚焦显微镜收集信号后，采用计算机软件分析数据和处理结果，从而获得大量的相关生物信息。 1.2特点 生物芯片对样品的检测是以高通量、集成化、并行化和微型化为特征。 举例来说，要研究肿瘤细胞的基因表达发生了哪些变化，或想了解在炎症时机体和细胞的反应性变化，就必须对肿瘤细胞的相关基因(如癌基因、抗癌基因、凋亡基因、细胞周期相关基因等)进行逐一分析，或对炎症相关的细胞因子、趋化因子、黏附分子等的表达状况进行研究。如果这些工作采用常规的分析方法来做，将耗费大量的人力和物力去从事重复性的工作。一般而言，常规做法将会采用各种不同的方法在基因水平、mRNA转录水平或蛋白质翻译水平上进行研究。如果想观察mRNA表达水平的改变，首先就要提取细胞的总
第二章生物芯片的基本原理 § 2.1 生物芯片的基本概念 一般而言，我们所指的芯片是以硅晶体为材料制造的用来存储信息、进行科学计算等用途的半导体器件，如各种计算机芯片。硅芯片是通过电路高低电平来表示逻辑1或逻辑0，不同的0，1组合可以代表自然界的一切信息，从而方便存储。生物电子芯片与硅芯片有很大的相似之处。20世纪70年代，人们发现脱氧核糖核酸（DNA, Deoxyribonucleic acid）处于不同的状态可以代表信息的存在或没有信息。这一发现引起科学家们的极大兴趣，科学家们立即投身到生物电子元件这一研究领域[1]。 80年代初，国际上提出了“生物芯片”这一概念，形象地把微电子集成电路技术与生物活性分子功能结合，提出构建具有生物活性的能够获取存储信息并进行处理和传输的微生物构件（微功能单元），以达到仿生信息处理的目的。在此基础上诞生了“分子电子学”。 90年代以来，在美国硅谷又兴起了研究和开发“生物芯片”的热潮[1][2]。这一“生物芯片”的概念是指运用大规模集成电路的光刻技术以及生物分子的自组装技术，在一微小芯片上组装成千上万个不同生物分子（DNA，蛋白质，多肽，细胞等）微阵列，实现生物分子信息的快速、并行、大规模检测[1][3]。 芯片分析的实质是在面积不大的基片表面上有序地点阵排列了一系列固定于一定位置的可寻址的识别分子。结合或反应在相同条件下进行。反应结果用同位素、化学荧光法、化学发光法或酶标法显示，然后用精密的扫描仪或CCD摄像技术记录。通过计算机软件分析，综合成可读的IC总信息[3][4][5]。 芯片分析实际上也是传感器分析的组合。芯片点阵中的每一个单元微点都是一个传感器的探头[6]。所以传感器技术的精髓往往都被应用于芯片的发展。阵列检测可以大大提高检测效率，减少工作量，增加可比性。所以芯片技术也是传感器技术的发展。 生物芯片的概念来自计算机芯片，但是到90年代初以后，在人类基因组计划的推动下，才得以迅速发展起来。
个体化医学检测 微阵列基因芯片技术规范
微阵列基因芯片是基于DNA分子杂交技术原理研制，通过探针结合碱基互补序列的单链核酸，从而确定其相应序列来识别基因或其产物。能够同时快速检测多个基因及其多个位点，在多态性分析、突变分析、基因表达谱测定及杂交测序等多领域具有广泛应用价值。 临床诊断技术使用的微阵列基因芯片，可快速鉴定病原体、检测遗传突变及基因表达，更早更方便的检测肿瘤基因标志，检测药物反应和代谢相关基因多态性来指导临床个体化治疗。 本规范旨在对个体化医学检测中采用微阵列基因芯片检测核酸序列以及基因表达进行一般性技术指导，不包括行政审批要求。 本规范由全国生物芯片标准化技术委员会（SAC/TC 421）提出。 本规范起草单位：全国生物芯片标准化技术委员会、清华大学医学院、生物芯片北京国家工程研究中心、北京博奥医学检验所。 本规范起草人：项光新、李元源、王辉、邓涛、孙义民、张治位、张川、邢婉丽、程京。
1.适用范围 (1) 2.声明/警告 (1) 3.术语和定义 (1) 4.样本处理 (2) 4.1样本类型 (2) 4.2样本采集、运输与保存 (3) 4.3样本质量保证 (3) 4.4样本信息保存 (3) 5.检测各步骤分述 (4) 5.1核酸分离 (4) 5.2核酸定量（如适用） (4) 5.3核酸扩增和标记 (4) 5.4芯片杂交 (5) 5.5信号采集和数据分析 (5) 6.结果报告 (5) 7.质量控制 (5) 8.注意事项 (6) 9.参考文献 (6)
1.适用范围 本规范适用于医疗机构开展微阵列基因芯片个体化医学检测服务。 检测服务需遵循国家卫生主管部门或各专业协会发布的疾病诊疗指南或国家卫生计生委医政医管局个体化医学检测技术专家委员会发布的个体化医学检测指南。 2.声明/警告 本规范所称微阵列基因芯片诊断技术是指从医疗机构获得的临床样本中，提取核酸（DNA或RNA），进行必要的扩增和标记，标记后的靶标与基因芯片进行分子杂交，通过基因芯片扫描仪器获得基因芯片杂交的图像与数据，经计算机程序分析，并给出检测报告的全过程。 3.术语和定义 （1）聚合酶链反应polymerase chain reaction（PCR） 聚合酶链反应或多聚酶链反应是一种对特定的DNA或RNA片段在体外进行快速扩增的方法。 （2）杂交hybridization 具有一定同源序列的两条核酸单链（DNA或RNA）可以通过氢键的方式，按碱基互补配对原则相结合。 （3）突变mutation 是细胞中DNA核苷酸序列发生了稳定的可遗传的改变。 （4）点重复spot replicates 每种探针在芯片上每个阵列中的重复次数。 （5）探针probe
1．(1)关于接收天线阵列的假设。接收阵列由位于空间已知坐标处的无源阵元按一定的形式排列而成。假设阵元的接收特性仅与其位置有关而与其尺寸无关（认为其是一个点），并且阵元都是全向阵元，增益均相等，相互之间的互耦忽略不计。阵元接收信号时将产生噪声，假设其为加性高斯白噪声，各阵元上的噪声相互统计独立，且噪声与信号是统计独立的。 (2)关于空间源信号的假设。假设空间信号的传播介质是均匀且各向同性的，这时空间信号在介质中按直线传播，同时又假设阵列处在空间信号辐射的远场中，所以空间源信号到达阵列时可以看做是一束平行的平面波，空间源信号到达阵列各阵元在时间上的不同延时，可由阵列的几何结构和空间波的来向所决定。空间波的来向在三维空间中常用仰角和方位角来表征。其次，在建立阵列信号模型时，还常常要区分空间源信号是窄带信号还是宽带信号。所谓窄带信号是指相对于信号（复信号）的载频而言，信号包络的带宽很窄（包络是慢变的），因此在同一时刻，该类信号对阵列各阵元的不同影响仅在于因其到达各阵元的波程不同而导致的相位差异。 2．自适应波束形成亦称空域滤波，是阵列处理的一个主要方面，逐步成为阵列信号处理的标志之一，其实质是通过对各阵元加权进行空域滤波，来达到增强期望信号、抑制干扰的目的；而且可以根据信号环境的变化自适应嘚改变各阵元的加权因子。虽然阵列天线的方向图是全方向的，但阵列的输出经过加权求和后，可以被调整到阵列接收的方向增益聚集在一个方向，相当于形成了一个波束，这就是波束形成的物理意义所在。波束形成技术的基本思想是：通过将各阵元输出进行加权求和，将天线阵列波束导向到一个方向上，对期望信号得到最大输出功率的导向位置即给出波达方向估计。 3. ULA ：()1exp(2sin ) exp(2(1)sin )T k k k d d j j M θπθπθλλ?? =---???? α L 阵：(,)[(,),(,)]T x y a a a θφθφθφ=，其中 2sin cos 2(1)sin cos (,)[1,...],,T j d j M x a e e πθφπθφθφ---= 2s i n s i n 22s i n s i n 2(1 ...(,)[,,,] j d j d j M T y a e e e πθφπθφπθφθφ----= 面阵: 12()()()M D D D ?? ?? ??=??????? ?x y x y x y A A A A A A A ，其中1 1 2 2 1 1 2 2 2cos sin /2cos sin /2cos sin /2(1)cos sin /2(1)cos sin /2(1)cos sin /111 K K K K j d j d j d x j d M j d M j d M e e e e e e πθφλπθφλπθφλ πθφλ πθφλπθφλ---------?? ????=? ? ???? A
微陣列資料分析(Microarray Data Analysis) 蔡政安副教授 前言 在人類基因體定序計劃的重要里程碑陸續完成之後，生命科學邁入了一個前所未有的新時代，在人類染色體總長度約三十億個鹼基對中，約含有四萬個基因，這是生物學家首次以這麼宏觀的視野來檢視生命現象，而醫藥上的研究方針亦從此改觀，科學研究從此正式進入後基因體時代。微陣列實驗(Microarray) 及其它高產能檢測(high-throughput screen) 技術的興起，無疑將成為本世紀的主流；微陣列實驗主要的優勢再於能同時大量地、全面性地偵測上萬個基因表現量，透過基因晶片，可在短時間內找出可能受疾病影響基因，作為早期診斷的生物指標(biomarker)。然而，由於這一類技術的高度自動化、規模化及微型化的特性，使得他們所生成的資料量非常龐大且資料型態比一般實驗數據更加複雜，因此，傳統統計分析方法已經不敷使用。在此同時，統計學家並未在此重要時刻缺席，提出非常多新的統計理論和方法來分析微陣列實驗資料，也廣受生物學家所使用。由於微陣列資料分析所牽涉的統計問題層面相當廣且深入，本文僅針對整個實驗中所衍生的統計問題加以介紹，並介紹其中一些新的圖形工具用以呈現分析結果。 基因晶片的原理 微陣列晶片即一般所謂的基因晶片，也是基因體計畫完成後衍生出來的產品，花費成本雖高，但效用無限，是目前所有生物晶片中應用最廣的，由於近年來不斷改進，也是最有成效的生物技術。一般而言，基因晶片是利用微處理技術，先把人類所有的基因分別固著在一小範圍的玻璃片(glass slide)、薄膜(membrane)或者矽晶片上；然後，可以平行地、大量地、全面性地偵測基因體中mRNA的量，也就是偵測基因的調控及相互作用表現。目前微陣列晶片大致分為以下兩種平台(如圖一) : cDNA 晶片及高密度寡核甘酸晶片(high-density oligonucleotide)，兩種系統無論在晶片的製程及樣本處理上皆有相當的差異，因此在分析上也略有不同，以下便就晶片的特性約略介紹。 1.cDNA 晶片: 基本上晶片上的探針(probes)及準備進行雜合反應(hybridization) 的樣本(Targets)皆來自於cDNA。正常及癌組織中萃取的mRNA經反轉錄後，分別標上綠色(Cy3)和紅色(Cy5)螢光標記，並同時和晶片進行雜合反應，反
阵列信号处理概述研究背景及意义和波达方向估计技术 1 概述 阵列信号处理作为信号处理的一个重要分支，在通信、雷达、声呐、地震、勘探、射电天文等领域获得了广泛应用和迅速发展。对所有探测系统和空间传输系统，空域信号的分析和处理是其基本任务。将多个传感器按一定方式布置在空间不同位置上，形成传感器阵列。并利用传感器阵列来接收空间信号，相当于对空间分布的场信号采样，得到信号源的空间离散观测数据。阵列信号处理的目的是通过对阵列接收的信号进行处理，增强所需要的有用信号，抑制无用的干扰和噪声，并提取有用的信号特征以及信号所包含的信息。与传统的单个定向传感器相比，传感器阵列具有灵活的波束控制、高的信号增益、极强的干扰抑制能力以及高的空间分辨能力等优点，这也是阵列信号处理理论近几十年来得以蓬勃发展的根本原因。阵列信号处理的最重要应用包括： ①信（号）源定位——确定阵列到信源的仰角和方位角，甚至距离（若信源位于近场）； ②信源分离——确定各个信源发射的信号波形。各个信源从不同方向到达阵列，这一事实使得这些信号波形得以分离，即使他们在时域和频域是叠加的； ③信道估计——确定信源与阵列之间的传输信道的参数（多径参数）。 阵列信号处理的主要问题[]1包括：波束形成技术——使阵列方向图的主瓣指向所需方向；零点形成技术——使天线的零点对准干扰方向；空间谱估计——对空间信号波达方向的分布进行超分辨估计。 空间谱估计技术是近年来发展起来的一门新兴的空域信号处理技术，其主要目标是研究提高在处理带宽内空间信号（包括独立、部分相关和相干）角度的估计精度、角度分辨率和提高运算速度的各种算法。在所有利用空间谱估计技术来实现对到达方向（DOA）估计的方法中，以R. O. Schmidt 提出的MUSIC 算法最为经典且最有代表性。Schmidt 在MUSIC 算法中提出了信号子空间的概念，即在维数大于信号个数的观测空间中进行子空间的划分，找出仅由噪声贡献生成的空间（噪声子空间）和由信号和噪声共同作用产生的空间，根据这两个子空间的基底以及阵列流型即可得到待测方向满足的方程，由其解得到来波方向的估计。子空间估计的方法一般采用观测矩阵奇异值分解或者观测量的空间协方差矩阵特征分解的方法。理论研究和实验均证实了这一类方法的高精度（其估计方差接近Cramer-Rao方差下限）和超分辨率特性。也就是说超分辨的概念就是指波达方向估计算法能够有效突破瑞利限的限制，并使其估计方差能够达到Cramer-Rao 方差下限的特性。 但是MUSIC，ESPRIT等大多数方位估计方法都是针对窄带信号提出的。目
第20卷第10期半 导 体 学 报V o l.20,N o.10 1999年10月CH I N ESE JOU RNAL O F SE M I CONDU CTOR S O ct.,1999 适用于实时图像处理的阵列 处理芯片BAP-1283 张 明 陈晓初 姚庆栋 (浙江大学信息与智能系统研究所A S I C设计研究室 杭州 310027) 摘要 具有16万门规模的并行阵列处理芯片BA P2128(B it2serial A rray P rocesso r w ith128 P rocess E lem en ts)芯片在法国一次性流片成功.本文介绍该芯片的主要结构与参数指标,以及 该芯片在开发实时图像处理系统中的应用. EEACC:2570,6140C,0290 1 引言 图像处理的特点是其极大的运算量.在中低层次的处理运算中,一方面,由于操作通常是针对每个象点进行的,因而运算量非常大,尤其是在有实时要求的情况下,必须采用并行处理技术;另一方面,这些操作又相对比较简单,每个象点的位数不多,采用通用的高性能D SP处理芯片,将造成资源上的浪费,而且难以实现处理系统的小型化.正是基于这二方面的考虑,并结合自身的应用要求,设计了面向实时图像处理应用的超大规模专用集成电路BA P2128. 2 BAP-128的芯片结构与参数指标 BA P2128以S I M D方式工作,每个芯片中有128个处理单元(P rocess E lem en t),以图1所示8×16的二维网形(M ESH)排列,图2给出了PE单元的内部结构,主要包括: 11一个1b it的ALU 它是处理单元完成对数据进行算术、逻辑运算操作的核心部件,可以进行一位全加、减和各种组合逻辑运算. 21一个1b it的工作状态控制标志寄存器FL G 为每个PE设置标志寄存器的作用是控制特定PE单元是否接受主控指令.FL G等于1 3国家自然科学基金资助项目(批准号69872033) 张 明 1962年出生,1995年获通信与电子系统专业博士学位.现为浙江大学信息与智能系统研究所副教授,主要从事A S I C设计,图像处理,并行结构方面的研究.(E2m ail:Zhangm@https://www.doczj.com/doc/8e16951802.html,) 1998205203收到,1998207201定稿
Ultra-weak Chemiluminescence Analytical Technology Principle and Application.ZHANG Zhong-Lun(Institute of Biophysics,The Chinese Academy of Scienc es,Beijing100101,China). Abstract Ultra-weak chemiluminescence analyzers that detect w eak light from sam ples w ere developed by ultra-weak chemiluminescence analytical technology.BPCL ultra-weak chemiluminescence analy zer has a lot of supper performance.It is satisfactory to research and applicatio n in the fields of biology,medicine and chemistry.The ex ample that of to research DNA damage was introduced.It is approved that the technology and analy zer were advanced and practical. Key words ultra-w eak chemiluminescence analy zer, DNA damage DNA微阵列(或芯片)技术原理及应用 何志巍 姚开泰 (湖南医科大学肿瘤研究所,卫生部癌变原理重点实验室,长沙410078) 摘要 DNA微阵列或芯片(DNA microarray or chip)技术是近年发展起来的又一新的分子生物学研究工具.它是利用光导化学合成、照相平板印刷以及固相表面化学合成等技术,在固相表面合成成千上万个寡核苷酸探针,或将液相合成的探针由微阵列器或机器人点样于尼龙膜或硅片上,再与放射性同位素或荧光物标记的DNA或cDNA杂交,用于分析DNA突变及多态性、DNA测序、监测同一组织细胞在不同状态下或同一状态下多种组织细胞基因表达水平的差异、发现新的致病基因或疾病相关基因等多个研究领域. 关键词 DNA微阵列(或芯片),原理,应用 学科分类号 Q785 从人类基因组计划启动至今,已积累了大量基因序列数据库,而它们在疾病和发育中的生物学意义尚知之甚少[1,2].目前人们正在由研究基因的结构及染色体定位的结构基因组学,向研究这些基因表达调控、在机体发育分化及疾病中作用的功能基因组学转变[3].而将多学科、多技术融合而成的DNA微阵列或芯片技术可研究同一或不同组织细胞在不同生理、病理条件下成千上万个基因结构、功能改变以及基因表达间相互作用的关系,发现致病基因或疾病相关基因,这必将为功能基因组学产生巨大的推动作用.本文主要介绍了该技术的概念、原理及在基因表达、基因突变或多态性分析及DNA测序等方面研究的最新进展. 1 概念理论依据 美国加州Affymetrix公司的Lipshutz等[4]较早地介绍了高密度寡核苷酸微阵列的制造、检测、软件及应用,随后该公司将照相平板印刷技术、计算机、激光共聚焦扫描、固相表面合成寡核苷酸及核酸分子杂交等结合起来,研制出DNA芯片. DNA微阵列或芯片是指在大规模集成电路所控制的机器人在尼龙膜或硅片固相支持物表面,有规律地合成成千上万个代表不同基因的寡核苷酸“探针”,或液相合成探针后由阵列器(arrayer)或机器人点样于固相支持物表面.这些“探针”可与用放射标记物如32P或荧光物如荧光素、丽丝胺等标记的目的材料中的DNA或cDNA互补核酸序列相结合,通过放射自显影或激光共聚焦显微镜扫描后,对杂交结果进行计算机软件处理分析,获得杂交信号的强度及分布模式图,以此反映目的材料中有关基因表达强弱的表达谱.该技术仍以基因连锁、连锁不平衡、限制性长度多态性、可变串联重复序列及单核苷酸多态性标记等基因定位方法为基础,采用分子杂交等多种技术方法为手段,进行遗传作图,对不同材料中的多个基因表达模式进行平行对比分析,是一种高产出的、新的基因分析方法.以尼龙膜为固相支持物的DNA微阵列和以硅片为固相支持物的DNA芯片,二者在原理上相同,仅在支持物及检测手段等方面略有不同. 收稿日期:1998-10-08,修回日期:1999-01-19
微阵列分析与基因差异表达 药物基因组学中的基因表达分析目前主要应用于创新药物研究和开发。同时，基因表达谱已经开始为慢性致命性疾病的药物治疗效应提供预测信息，并指导治疗选择，而寡核苷酸微阵列平台具有应用于药物基因组学研究的潜在优势。 微阵列分析的特点： 与DNA顺序分析和基因分型不同，微阵列基因表达分析的分析物是信使RNAs （mRNA）。信使RNAs的不稳定性要比DNA大得多，对操作方面的要求非常高，以避免由于Rnase酶降解而产生假象。此外，信使RNA在经PCR产生DNA拷贝扩增之前，或在大多数的微阵列分析中，或在产生cRNA拷贝的试管内转录（IVT）线性扩增程序中，都是逆转录形成cDNA的。在IVT反应期间，cRNAs都被标记，而在杂交到寡核苷酸阵列时往往被分裂。 在研究中，基因表达阵列常常采用被标记的cRNAs或长寡核苷酸作为固定探针，以及由类似于半导体工业应用的光刻技术制造的寡核苷酸探针阵列；寡核苷酸探针可直接在微阵列表面合成，还可以应用多空间的完美匹配单碱基－错匹配探针对来查询每一个重要的基因。这种高密度寡核苷酸探针诊断方法可检测出拼接变异种的能力，以及因特殊转录而造成融合基因时产生的特异性嵌合转录（如慢性髓细胞白血病中的BCR－ABL）。 目前有很多种途径来对成千上万的探针强度数据点进行数据分析，最近提出的是临床应用表达类型的最佳实用指导方针。各种全自动化的分析方法（如层次聚类算法与运用自组织图）可供用于确定具有相似表达类型的分组基因之间的关系。同样，还有一些需操作人员监管的分析方法（如支持向量机），可应用同质的PCR检测平台进行药物效应的基因显型检测，以筛选和鉴定最可能有效的患者。 促进肿瘤诊治水平提高 基因的表达差异是药物疗效的基础。基因表达的各种分析方法正在开发过程中，为疾病，尤其是肿瘤的治疗选择提供分子图表类型信息。例如，常见的急性成人或儿童白血病
第25卷第4期 杭州电子科技大学学报V ol.25,N o.4 2005年8月Journal of Hangzh ou Dianzi University Aug.2005 阵列信号处理中几种关键技术的研究 王文勇1,陆安南2 (1.杭州电子科技大学通信工程学院,浙江杭州310018; 2.中国电子科技集团第36研究所,浙江嘉兴314001) 收稿日期:2004-09-17 作者简介:王文勇(1976-),男,安徽凤阳人,在读研究生,信号处理. 摘要:阵列信号处理技术的工程化研究日益成为其走向实际应用的重要步骤。该文首先介绍了阵 列信号处理实验系统的硬件组成,并在此基础上,分析了两种阵列信号处理的关键技术———谱估 计法中M USIC 算法和空间零点预处理波束形成技术,最后文章通过该实验系统对此两种处理技术 的有效性进行了验证。实验结果表明:M USIC 算法具有良好的测向精度,而空间零点预处理波束 形成技术具有较强信号分离能力。 关键词:阵列信号处理;空间谱估计;数字波束形成 中图分类号:T N914.53 文献标识码:A 文章编号:1001-9146(2005)04-0016-03 0 引 言 阵列信号处理是现代信号处理的一个重要分支,其本质是利用空间分散排列的传感器阵列和多通道接收机来获取信号的时域和空域等多维信息,以达到检测信号和提取其参数的目的。迄今为止,阵列信号处理的应用范围已经涉及诸如雷达、声纳、导航等领域。阵列信号处理的主要内容可分为波束形成技术、零点技术及空间谱估计技术等方面,它们都是基于对信号进行空间采样的数据进行处理,因此这些技术是相互渗透和相互关联的。波束形成技术的主要目的是要使阵列天线方向图的主瓣指向所需的方向,零点技术的主要目的是使天线的零点对准干扰方方向,前者是提高阵列输出所需要信号的强度,后者是减小干扰信号的强度,实质上都是提高阵列输出的信噪比的问题。而空间谱估计则主要研究信号到达方向(DOA )的问题。若将这几种技术结合,就会对空域信号处理的性能有很大的提高。 1 系统组成 一般阵列信号处理实验系统主要由3个部分组成:阵列天线、多通道接收机、以及阵列信号处理器。如图1所示 。 图1 阵列信号处理实验系统硬件基本结构 该文采用的阵列天线为9单元均匀圆阵,阵列半径为0.56m 。多通道数字接收机完成下变频、D/A 以及数字信号的Hilbert 变换。阵列信号处理器是实验系统的核心部分,进行的计算包括空间谱估计、波束形成及信号分离。由于考虑阵列信号处理的计算量巨大,其中包括有复矩阵的计算,为了满足对计算速度和实时性的要求,在本系统中阵列信号处理器采用两片高速数字信号处理专用芯片(DSP ),一片用来实现空间谱估计,另一片用来实现波束形成和信号分离。处理器的结构原理如图2所示。 由图2可见,信号既可以通过PCI 接口进入处理器,也可以通过DSP 的链路口进入处理器。利用一片接口芯片PCI9054实现和PCI 总线的通信。数字信号处理专用芯片通过两片FIFO 挂到本地总线的数据线上,这样就把双向接口设计为两个单项接口,即在当DSP 需要传输数据时,先把数据放入FIFO 中,然后通知主机已有数据输出,主机在任意时刻读出数据,完成DSP 到主机的数据传输;反之亦然。这样
第11章试题： 一、选择题 1.下面哪种生物芯片不属于微阵列芯片( ) A. 基因芯片 B. 蛋白芯片 C. PCR反应芯片 D. 芯片实验室 2.生物芯片的主要特点是( ) A. 高通量 B. 微型化 C. 集成化 D. 并行化 3. 下面哪些方法属于基因芯片原位合成技术（） A. 原位光刻合成 B. 合成点样 C. 压电打印 D. 分子印章 二、名词解释 1. 基因芯片 2. 蛋白芯片 3. 微缩芯片实验室
三、简答题 1. 试述生物芯片的种类及主要功能。 2. 试述基因芯片的工作原理及制备。 3. 简述蛋白芯片的原理及应用。 4.举例说明基因芯片在临床诊断中的应用。 第11章答案： 一、选择题 1. C 2. A、B、C、D 3. A、C、D 二、名词解释 1. 基因芯片 将大量的基因片段有序地、高密度地排列在玻璃片或纤维膜等载体上，称之为基因芯片(gene chip)，又称DNA芯片(DNA chip)或DNA微阵列(DNA micro-array)。基因芯片技术是建立在基因探针和杂交测序技术上的一种高效、快速的核酸序列分析手段。它是将大量探针分子固定于支持物上，然后与标记的样品进行杂交，通过检测杂交信号的强度及分布来进行基因的分析。在一块1cm2大小的基因芯片上，根据需要可固定数以千计甚至万计的基因，以此形成一个密集的基因方阵，实现对千万个基因的同步检测。 2. 蛋白芯片 蛋白质芯片（protein chip），又称蛋白质微阵列(protein microarray)，是用于蛋
白质功能研究及相互作用分析的生物芯片，采用原位合成、机械点样或共价结合的等方法将多肽、蛋白、酶、抗原、抗体固定于硅片、玻璃片、塑料片、凝胶、尼龙膜等固相介质上形成的生物分子点阵。在待分析样品中的生物分子与蛋白质芯片的探针分子发生杂交或相互作用或其他分离方式分离后，利用激光共聚焦显微扫描仪对杂交信号进行高通量检测和分析。蛋白质芯片是将整个蛋白质水平的相关生化分析过程集成于芯片表面，从而实现对多肽、蛋白质及其他生物成份进行高通量检测。
一、选择题 1.下面哪种生物芯片不属于微阵列芯片 ( ) A. 基因芯片 B. 蛋白芯片 C. PCR反应芯片 D. 芯片实验室 2.生物芯片的主要特点是( ) A. 高通量 B. 微型化 C. 集成化 D. 并行化 3. 下面哪些方法属于基因芯片原位合成技术（） A. 原位光刻合成 B. 合成点样 C. 压电打印 D. 分子印章 二、名词解释 1. 基因芯片 2. 蛋白芯片 3. 微缩芯片实验室 三、简答题 1. 试述生物芯片的种类及主要功能。 2. 试述基因芯片的工作原理及制备。 3. 简述蛋白芯片的原理及应用。 4.举例说明基因芯片在临床诊断中的应用。
一、选择题 1. C 2. A、B、C、D 3. A、C、D 二、名词解释 1. 基因芯片 将大量的基因片段有序地、高密度地排列在玻璃片或纤维膜等载体上，称之为基因芯片(gene chip)，又称DNA芯片(DNA chip)或DNA微阵列(DNA micro-array)。基因芯片技术是建立在基因探针和杂交测序技术上的一种高效、快速的核酸序列分析手段。它是将大量探针分子固定于支持物上，然后与标记的样品进行杂交，通过检测杂交信号的强度及分布来进行基因的分析。在一块1cm2大小的基因芯片上，根据需要可固定数以千计甚至万计的基因，以此形成一个密集的基因方阵，实现对千万个基因的同步检测。 2. 蛋白芯片 蛋白质芯片（protein chip），又称蛋白质微阵列(protein microarray)，是用于蛋白质功能研究及相互作用分析的生物芯片，采用原位合成、机械点样或共价结合的等方法将多肽、蛋白、酶、抗原、抗体固定于硅片、玻璃片、塑料片、凝胶、尼龙膜等固相介质上形成的生物分子点阵。在待分析样品中的生物分子与蛋白质芯片的探针分子发生杂交或相互作用或其他分离方式分离后，利用激光共聚焦显微扫描仪对杂交信号进行高通量检测和分析。蛋白质芯片是将整个蛋白质水平的相关生化分析过程集成于芯片表面，从而实现对多肽、蛋白质及其他生物成份进行高通量检测。 3. 微缩芯片实验室 芯片实验室是将样品制备、生化反应和检测分析的全过程集约化，并缩微到一张芯片上自动完成，形成的所谓微型全分析系统（micro total analysis systen,μ-TAS）,或称“缩微芯片实验室”（lab-on-a-chip）。
生物芯片分类及应用 生物芯片（biochip）是指采用光导原位合成或微量点样等方法，将大量生物大分子比如核酸片段、多肽分子甚至组织切片、细胞等等生物样品有序地固化于支持物的表面，组成密集二维分子排列，然后与已标记的待测生物样品中靶分子杂交，通过特定的仪器对杂交信号的强度进行快速、并行、高效地检测分析，从而判断样品中靶分子的数量。由于常用硅片作为固相支持物，且在制备过程模拟计算机芯片的制备技术，所以称之为生物芯片技术。 生物芯片分类生物芯片虽然只有10多年的历史，但包含的种类较多，分类方式和种类也没有完全的统一。 1、用途分类 （1）生物电子芯片：用于生物计算机等生物电子产品的制造。 （2）生物分析芯片：用于各种生物大分子、细胞、组织的操作以及生物化学反应的检测。前一类目前在技术和应用上很不成熟，一般情况下所指的生物芯片主要为生物分析芯片。 2、作用方式分类 （1）主动式芯片：是指把生物实验中的样本处理纯化、反应标记及检测等多个实验步骤集成，通过一步反应就可主动完成。其特点是快速、操作简单，因此有人又将它称为功能生物芯片。主要包括微流体芯片（microftuidic chip）和缩微芯片实验室（lab on chip，也叫芯片实验室，是生物芯片技术的高境界）。 （2）被动式芯片：即各种微阵列芯片，是指把生物实验中的多个实验集成，但操作步骤不变。其特点是高度的并行性，目前的大部分芯片属于此类。由于这类芯片主要是获得大量的生物大分子信息，最终通过生物信息学进行数据挖掘分析，因此这类芯片又称为信息生物芯片。包括基因芯片、蛋白芯片、细胞芯片和组织芯片。 3、成分分类 （1）基因芯片（gene chip）：又称DNA芯片（DNA chip）或DNA微阵列（DNA microarray），是将cDNA或寡核苷酸按微阵列方式固定在微型载体上制成。