一种“5连接”结构的电极共用引脚约束数字微流控生物芯片在线测试方法技术

本发明专利技术公开了一种“5连接”结构的电极共用引脚约束数字微流控生物芯片在线测试方法，包括：获取“5‑连接”结构的电极共用引脚约束数字微流控生物芯片的引脚约束规则；确定引脚分配方案；将微流控生物芯片模型转换为无向连通图模型，并设置所述无向连通图模型中的每一条边的优先级等级；以优先级策略作为路径选择策略，利用路径选择策略生成一条遍历边的路径；通过遗传算法对所述无向连通图模型中的边的优先级等级进行选择、交叉和变异操作，生成新的优先级等级，并通过迭代的方式，逐渐获得更短的测试路径。本发明专利技术采用优先级策略与遗传算法相结合的混合方法，首次解决了“5‑连接”结构引脚受限芯片的在线测试问题，且具有较好的测试效果。

【技术实现步骤摘要】
一种“5连接”结构的电极共用引脚约束数字微流控生物芯片在线测试方法
本专利技术涉及数字微流控生物芯片在线测试
，特别是涉及一种基于“5连接”结构的电极共用引脚约束数字微流控生物芯片在线测试方法。
技术介绍
数字微流控生物芯片由2层板构成，底层为控制电极层，可由外部引脚进行控制，顶层为连续的地电极。在电极上均涂有疏水物质，以利于液滴在芯片上的电极间进行移动。当需要移动液滴至相邻电极时，需要激活该相邻电极，并使液滴所在的电极为低电位，则液滴即可移动至该相邻电极。通过对控制电极施加不同的高低电平对板极之间的液滴进行移动、混合等操作。当芯片出现开路与短路等灾难性故障时，液滴在经过故障单元时，将会停滞不前，使生化实验无法正常进行。由于生化实验对数字微流控芯片的可靠性要求非常高，所以需要对芯片进行充分的离线与在线测试，即不仅需要在芯片生产后或实验开展前进行离线测试，而且需要在实验开展时对芯片进行在线测试，以便确保芯片的可靠性。根据芯片引脚的控制方式的不同，数字微流控生物芯片可以分为直接寻址型与电极共用引脚约束型2种不同结构的芯片，图1所示为5x5电极阵列的数字微流控芯片。图1(a)为直接寻址型芯片，该芯片中的每一个电极均连接一个单独的控制引脚，也即一个控制引脚仅仅控制着一个电极单元。图1(b)为“5-连接”算法设计的电极共用引脚约束型芯片，该电极阵列中的每个电极与其上、下、左、右四个直接相邻电极的引脚编号均不同，共需5个不同的引脚编号。芯片中的多个电极可以共用一个相同编号的控制引脚，也即一个控制引脚可以同时激活多个电极单元。对于直接寻址芯片而言，由于控制引脚与电极之间是一一对应关系，所以液滴的操纵很方便。但是随着芯片规模的逐渐增大，这种方式需要较多的控制引脚，使得芯片的设计成本与制造成本均急剧上升。而电极共用引脚约束芯片由于多个电极只需要由一个控制引脚进行控制，从而减少了芯片外围的引脚数量，进而降低了芯片成本，弥补了直接寻址芯片的不足。然而，由于电极共用引脚约束芯片中存在多个电极共用一个引脚的情况，相比直接寻址芯片而言，液滴操纵的自由度降低，同时芯片的测试复杂度也更高。在数字微流控芯片的测试中，直接寻址芯片的研究成果较多，而对于电极共用引脚约束芯片的研究较少。有学者提出了通用型电极共用引脚约束芯片的设计方法，也有学者利用蚁群算法对通用引脚芯片进行了离线与在线测试，取得了较好的测试效果。但这些通用型的设计方法较复杂，生产成本较高。另有学者采用了“5-连接”结构的电极共用引脚约束芯片的设计方法，该方法设计思路简单，生产成本较低。但该类电极共用引脚约束的芯片在设计时并没有考虑芯片的在线测试，虽然该类芯片可以较大比例地减少芯片引脚数量，却无法在生化实验进行的同时对芯片进行在线测试。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于“5连接”结构的电极共用引脚约束数字微流控生物芯片在线测试方法，用于解决现有技术的至少一个缺陷。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种“5连接”结构的电极共用引脚约束数字微流控生物芯片在线测试方法，包括：获取“5-连接”结构的电极共用引脚约束数字微流控生物芯片的引脚约束规则；确定“5-连接”结构的电极共用引脚约束数字微流控生物芯片引脚分配方案；将“5-连接”结构的电极共用引脚约束数字微流控生物芯片模型转换为无向连通图模型，并设置所述无向连通图模型中的每一条边的优先级等级；以优先级策略作为路径选择策略，利用路径选择策略生成一条遍历边的路径；通过遗传算法对所述无向连通图模型中的边的优先级等级进行选择、交叉和变异操作，生成新的优先级等级，并通过迭代的方式，逐渐获得更短的测试路径。可选地，所述引脚约束规则包括静态流体约束、动态流体约束以及电极共用引脚约束；所述静态流体约束表示为：或者其中，为液滴l1、l2在时刻t所在的行，为液滴l1、l2在时刻t所在的列；所述动态流体约束表示为：或者或者或者所述电极共用引脚约束表示为：其中，表示k时刻实验液滴所在的引脚号，表示k时刻测试液滴所在的引脚号，Di表示第i个“5-连接”功能区域。可选地，所述确定“5-连接”结构的电极共用引脚约束数字微流控生物芯片引脚分配方案，包括：对所述电极共用引脚约束数字微流控生物芯片进行分区，得到相应的功能分区；采用“5-连接”方法对每个分区进行引脚分配；其中，“5-连接”方法是指在同一个功能分区内，均采用5个不同引脚进行引脚分配，电极共用引脚约束数字微流控生物芯片中每个阵列单元与其上、下、左、右4个相邻阵列单元的引脚号不同。可选地，所述将“5-连接”结构的电极共用引脚约束数字微流控生物芯片模型转换为无向连通图模型，包括：将电极转换为无向连通图中的顶点；各相邻顶点之间用边进行连接。可选地，通过logistics混沌算子产生0至1以内的优先级系数，并为无向连通图模型每条边分配一个优先级系数，使得无向连通图模型中的每条边对应一个优先级等级。可选地，所述以优先级策略作为路径选择策略，利用路径选择策略生成一条遍历边的路径，包括：选定一个符合引脚约束规则的顶点作为测试液滴的起始点，并利用路径选择策略生成测试路径；若测试液滴存在满足所有约束条件的邻接顶点且未遍历的邻接边，则选择优先级最高的边对应的顶点作为下一个搜索顶点；若所有邻接边均已遍历，则根据Floyd算法选择距离未遍历边最近的有效邻接点作为搜索顶点；若测试液滴的所有邻接顶点均不满足约束条件，则执行回退操作，测试液滴回到上一个顶点，并对不满足要求的顶点进行标记；当所有边均已遍历时，测试液滴所经过的所有顶点按时间顺序构成的序列即为获得的在线测试路径。可选地，所述通过遗传算法对所述无向连通图模型中的边的优先级等级进行选择、交叉和变异操作，生成新的优先级等级，并通过迭代的方式，逐渐获得更短的测试路径，包括：步骤1：对遗传算法进行初始化设置；步骤2：根据给定的群体大小和无向连通图模型中边的数量，生成初始群体；步骤3：根据优先级策略求解测试路径，计算出各测试路径长度，并求出局部最优解；步骤4：根据各测试路径的长度，求出适应度函数值；步骤5：求出选择概率；步骤6：根据轮盘赌方式与精英保留策略对群体进行选择；步骤7：根据交叉概率对群体进行交叉操作；步骤8：根据变异概率进行变异操作；步骤9：重复步骤3至步骤8，直到迭代次数完成为止。如上所述，本专利技术的一种基于“5连接”结构的电极共用引脚约束数字微流控生物芯片在线测试方法，具有以下有益效果：1、本专利技术在“5-连接”结构的电极共用引脚约束芯片特点的基础上，推导了“5-连接”结构的电极共用引脚约束芯片引脚约束规则，同时，协同考虑“5-连接”结构的电极共用引脚约束芯片的设计与在线测试要求，提出适合在线测试的“5-连接”结构的电极共用引脚约本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种“5连接”结构的电极共用引脚约束数字微流控生物芯片在线测试方法，其特征在于，包括：/n获取“5-连接”结构的电极共用引脚约束数字微流控生物芯片的引脚约束规则；/n确定“5-连接”结构的电极共用引脚约束数字微流控生物芯片引脚分配方案；/n将“5-连接”结构的电极共用引脚约束数字微流控生物芯片模型转换为无向连通图模型，并设置所述无向连通图模型中的每一条边的优先级等级；/n以优先级策略作为路径选择策略，利用路径选择策略生成一条遍历边的路径；/n通过遗传算法对所述无向连通图模型中的边的优先级等级进行选择、交叉和变异操作，生成新的优先级等级，并通过迭代的方式，逐渐获得更短的测试路径。/n

【技术特征摘要】
1.一种“5连接”结构的电极共用引脚约束数字微流控生物芯片在线测试方法，其特征在于，包括：
获取“5-连接”结构的电极共用引脚约束数字微流控生物芯片的引脚约束规则；
确定“5-连接”结构的电极共用引脚约束数字微流控生物芯片引脚分配方案；
将“5-连接”结构的电极共用引脚约束数字微流控生物芯片模型转换为无向连通图模型，并设置所述无向连通图模型中的每一条边的优先级等级；
以优先级策略作为路径选择策略，利用路径选择策略生成一条遍历边的路径；
通过遗传算法对所述无向连通图模型中的边的优先级等级进行选择、交叉和变异操作，生成新的优先级等级，并通过迭代的方式，逐渐获得更短的测试路径。


2.根据权利要求1所述的“5连接”结构的电极共用引脚约束数字微流控生物芯片在线测试方法，其特征在于，所述引脚约束规则包括静态流体约束、动态流体约束以及电极共用引脚约束；
所述静态流体约束表示为：

或者
其中，为液滴l1、l2在时刻t所在的行，为液滴l1、l2在时刻t所在的列；
所述动态流体约束表示为：

或者或者或者
所述电极共用引脚约束表示为：



其中，表示k时刻实验液滴所在的引脚号，表示k时刻测试液滴所在的引脚号，Di表示第i个“5-连接”功能区域。


3.根据权利要求1所述的“5连接”结构的电极共用引脚约束数字微流控生物芯片在线测试方法，其特征在于，所述确定“5-连接”结构的电极共用引脚约束数字微流控生物芯片引脚分配方案，包括：
对所述电极共用引脚约束数字微流控生物芯片进行分区，得到相应的功能分区；
采用“5-连接”方法对每个分区进行引脚分配；其中，“5-连接”方法是指在同一个功能分区内，均采用5个不同引脚进行引脚分配，电极共用引脚约束数字微流控生物芯片中每个阵列单元与其上、下、左、右4个相邻阵列单元的引脚号不同。


4.根据权利要求1所述的“5连接”结构的电极共用引脚约束数字微流控生物芯片在线测试方法，其特征在于，所述将“5-连接”结构的电极共用引脚约束数字微流控生物芯片模型...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄喜军，许川佩，张龙，李翔，胡聪，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西;45