[发明专利]分布式存储下微流控芯片应用映射与控制系统设计方法

说明书

本发明涉及一种分布式存储下微流控芯片应用映射与控制系统设计方法。首先，设计一种分布式流通道存储策略，计算当前最佳的流通道缓存位置。其次，提出一种基于链表调度的应用映射算法，并在映射中应用设计的分布式流通道存储策略。此外，采用一种新的时延优化模型，考虑了实际的阀门同步驱动需求。最后，提出一种同步驱动的控制系统设计方法，对于具有同步驱动的阀门组采用近邻图算法来构建布线连接拓扑以及延迟嵌入合并绕障布线算法来计算零偏差时钟树；对于无同步驱动需求的阀门组采用普里姆算法来计算绕障矩形生成树，并在树中心位置确定控制端口的位置。本发明方法能够有效地权衡生化反应时间，控制端口数量，控制通道总长度及控制信号时延。

技术领域

本发明涉及微流控生物芯片自动化设计技术领域，特别涉及一种分布式存储下微流控芯片应用映射与控制系统设计方法。

背景技术

连续微流控生物芯片已成为一种潜在的低成本、快速反应的片上实验室平台。它们因其能并行且自动化在硬币大小的芯片区域内执行各种生化医学应用反应而受到广泛的关注。为了提高芯片执行效率以及降低制造成本，提出了一种分布式流通道存储的架构，从而流通道可以扮演存储与运输的双重作用。因此，液体运输与存取可以通过不同的流路径而同时地进行。这样的流路径规划需要在从生化应用到给定生物芯片架构的映射过程中被细致地考虑。此外，所有片上阀门都应被正确且迅速地驱动，以使得液体向正确的方向流动并且能暂时地封闭缓存流通道。这样的阀门精确控制需要在控制系统设计中系统地考虑，以支持生化反应的映射过程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分布式存储下微流控芯片应用映射与控制系统设计方法，能够得到一个最小化生化反应时间的应用映射方案以及一个最小化控制端口数量、控制通道总长度，以及压力传播时延的控制系统设计解。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种分布式存储下微流控芯片应用映射与控制系统设计方法，包括如下步骤：

步骤S1、流路径预布线阶段：采用迪杰斯特拉算法求得给定序列图上每个运输任务的流路径，每条流路径包含三条子路径，分别是输入端口到源组件、源组件到目标组件以及目标组件到输出端口；此外，记录每个流通道用来执行运输任务的使用情况；

步骤S2、分布式存储驱动的映射阶段：采用基于链表调度的映射算法依次对序列图上的每个操作按计算出的优先权值进行调度，并按预先计算的流路径进行液体的运输；若中间需要缓存至流通道中，则根据流通道的使用情况以及与目标组件的距离来求得最佳的缓存位置；若流路径被缓存通道所占用，则重新计算流路径进行对应的运输任务；

步骤S3、阀门分组阶段：采用控制逻辑表来记录阀门在整个映射过程的驱动状态，并构建无向兼容性图来表示阀门间的兼容性，再通过解决最小团划分问题来求得阀门的分组；最后根据时延优化模型求得同步驱动的阀门分组；

步骤S4、同步驱动的控制系统设计阶段：对于有同步驱动需求的阀门组采用延迟嵌入合并的绕障时钟树布线算法来计算零偏差时钟树，并通过延长控制通道长度来满足不同时钟树的同步驱动需求；对于无同步驱动的阀门分组则采用采用普里姆算法来计算绕障矩形生成树，并在树中心位置确定控制端口的位置；

步骤S5、反馈调整协同设计阶段：为权衡生化反应总时间，控制端口数量，控制通道总长度以及控制信号的最长时延，返回至步骤S1，通过改变流通道的权重，再重新计算不同的初始流路径集；迭代次数超过给定的阈值则结束。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明方法能够得到一个最小化生化反应时间的应用映射方案以及一个最小化控制端口数量、控制通道总长度，以及压力传播时延的控制系统设计解。

附图说明

图1专用存储器下架构的连续微流控芯片；

图2序列图和分布式流通道存储架构下的微流控芯片；

图3应用映射调度方案；

图4控制系统设计过程。