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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:刁宥升
研究生(外文):Yo-Shen Tao
論文名稱:聚合酶連鎖反應系統控制器之設計
論文名稱(外文):Design Of Polymerase Chain Reaction System Controller
指導教授:許孟烈
指導教授(外文):Meng-Lieh Sheu
學位類別:碩士
校院名稱:國立暨南國際大學
系所名稱:電機工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:72
中文關鍵詞:聚合酶連鎖反應現場可程式化邏輯陣列系統控制器硬體描述語言
外文關鍵詞:Polymerase Chain Reaction(PCR)field programmable gate array (FPGA)System Controllerhardware description language
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DNA分析是生物科技中的一項關鍵技術,聚合酶連鎖反應(Polymerase Chain Reaction,PCR)則是進行DNA分析前的一項重要步驟,PCR可以將少量的DNA倍增到DNA分析所需要的足夠份量。為配合吾人實驗室PCR系統晶片之研究,本論文主要是藉由電子設計自動化軟體(EDA Tool)的協助與硬體描述語言(HDL)的撰寫,利用現場可程式閘陣列(FPGA)晶片,製作一個具有四級管線(Pipeline)的可程式化八位元微控制器,此控制器將運用在聚合酶連鎖反應系統晶片上所需的溫度控制系統。
此八位元微控制器包含資料路徑及控制單元模組,吾人以Verilog硬體描述語言,透過Altera公司之Max+Plus II Tool個別驗證功能無誤,並整合成一八位元微控制器進行功能模擬、驗證及FPGA的實體驗證。最後再依聚合酶連鎖反應所需的溫度循環機制,進行微控制器程式的撰寫,並將程式載入FPGA的八位元微控制器內的唯讀記憶體中進行測試。
本論文所設計之微控制器簡單容易實現,適合一般低速簡單的應用,吾人未來將研究使其可以參數化設定,以配合不同的應用要求而做適當的硬體調整,使它能更容易的整合到不同的系統晶片之中。

DNA analysis is a crucial process for biotechnology. Polymerase chain reaction (PCR) is an imperative step for performing DNA analysis. PCR can proliferate a small quantity of DNA sample to a large quantity enough for DNA analysis in a short time. Our goal is to develop a PCR system chip by integrating standard CMOS process and MEMS process. In this thesis, an 8-bit 4-level pipelined programmable micro-controller for temperature control during PCR process is designed by HDL description and implemented by using field programmable gate array (FPGA).
The micro-controller includes modules of data path and control unit. Verilog hardware description language is used to model the modules. The individual module is functionally verified by Max Plus II of Altera and integrated into an 8-bit micro-controller. The micro-controller is realized by a FPGA chip, and then micro program for the temperature control of PCR is downloaded into the ROM in FPGA for system test.
The micro-controller proposed in this thesis is very simple and easy to implement. It is suitable for general low speed applications. In order to easily integrate the micro-controller into other applications, we will try to parameterize its design variables for adjusting its hardware structure in future works.

目錄
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
誌謝 Ⅲ
圖目錄 Ⅳ
表目錄 Ⅶ
目錄 Ⅷ
第一章 緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 本文架構 3
第二章 聚合酶連鎖反應系統 4
2.1 聚合酶連鎖反應簡介及原理 4
2.1.1聚合酶連鎖反應簡介 4
2.1.2 聚合酶連鎖反應原理 5
2.2 聚合酶連鎖反應之應用 8
2.3 聚合酶連鎖反應系統發展與現況 10
2.3.1 聚合酶連鎖反應系統發展回顧 10
2.3.2 聚合酶連鎖反應系統現況 11
第三章 數位積體電路設計與FPGA介紹 13
3.1 數位積體電路設計 13
3.2 數位邏輯晶片之分類與比較 15
3.3 Verilog HDL電路設計 19
3.3.1 Verilog HDL的重要與普及性 20
3.3.2 Verilog HDL之設計觀念 21
3.3.3 Verilog HDL之設計 22
3.4 FPGA簡介 25
3.4.1 FPGA之內部架構 25
3.4.2 Altera FLEX 10K介紹 26
3.4.3 FPGA使用之優點 29
3.5 FPGA之設計流程 30
第四章 八位元微控器設計與應用 34
4.1 微控器之設計 34
4.2 指令集 34
4.2.1 指令 34
4.2.2 指令格式 35
4.3 資料處理管線結構設計 37
4.3.1 資料暫存器與I/O系統 38
4.3.2 資料選擇控制系統 39
4.3.3 存入控制系統 40
4.3.4 資料管線系統模擬 41
4.4 控制系統設計 45
4.4.1 堆疊系統 46
4.4.2 堆疊指標系統 46
4.4.3 程式計數系統 47
4.4.4 條件碼控制系統 48
4.4.5 控制器系統 49
4.4.6 控制系統模擬 50
4.5 八位元微控制器模擬 53
4.6 八位元微控器應用 59
第五章 結論及未來展望 66
參考文獻 68
簡歷 72

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[25]楊紹聖、蕭鳴均、李進福、蔡培元編譯,”Verilog數位電腦設計”,全華科技圖書,民國九十年四月。
[26]本論文所設計之程式碼請參考本實驗室網站”http://163.22.24.18/index.html”

QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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