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문제 정의
- 전기영동(electrophoresis)은 DNA 단편 조각을 전류의 영향하에서 특정 매질을 통과하도록 이동시키는 전기화학적 분리과정이고[4], 젤 영상 분석은 자외선 파장의 반응을 이용하여 DNA 단편들의 이동 지점 영상을 취득하고 DNA 단편 조각들의 이동 거리 정보에 근거하여 검사대상 물질의 특성을 분석하는 과정이다[5,6]. 본 논문에서는 DNA 증폭 과정에 사용되는 PCR(polymerase chain reaction) 장치를 적은 비용으로 소형 크기로 제작하기 위한 시스템 구조와 이 구조에 적합한 펌웨어를 다룬다.
- 따라서 PCR 장치의 제작비용을 낮추면서 부피를 줄이기 위해서는, 우선 PCR 장치가 제공하는 기능의 개수를 최소화하여야 하고 또한 줄어든 기능 구조에 최적화되어 제작비용과 부피를 줄이도록 PCR 장치를 재설계하여야 한다. 본 논문에서는 DNA 증폭 기능만을 자체적으로 제공하고 그 이외의 기능들은 기존에 이미 널리 배포되어 추가로 구매하지 않아도 되는 PC 또는 노트북에 이전하는 주컴퓨터-국소장치(host-local) 구조[7,8]에 적합한 마이크로콘트롤러용 펌웨어를 제안한다. 제안된 펌웨어는 다음과 같은 목적에 부합되도록 설계되었다.
- 제안된 펌웨어가 국소장치 역할을 수행하기 위해서는 효소중합연쇄반응에 필요한 실시간 온도 제어 작업, 주컴퓨터와의 usb 통신 수신 작업, 그리고 주컴퓨터와의 usb 통신 송신 작업을 동시에 제공하여야 한다. 이러한 3개의 작업들에 대한 동시 동작 제어는 마이크로콘트롤러에 탑재된 펌웨어가 전담하므로, 본 논문에서는 펌웨어 실행코드 크기의 최소화라는 두 번째 설계 목적에 부합하도록 펌웨어를 구현하는 방법을 다룬다. 제안된 펌웨어는 운영체제 스케쥴러의 도움을 받지 않고 하드웨어 타이머 인터럽트를 이용하여 작업들을 스케쥴링(scheduling)하고, 메모리도 정적으로 직접 관리하도록 설계되었다.
- 최근에는 저전력 소모와 저렴한 가격의 장점을 가진 ARM 구조 기반의 32비트 고사양 Cortex 시리즈 칩이 각광을 받기 시작하였고, 개인용 컴퓨터와 서버 컴퓨터 분야에서는 고전력 소모를 요구하는 고속의 인텔 x86 시리즈 칩이 시장을 주도하고 있다. 본 논문에서는 저비용으로 제품의 소형 경량화에 유리한 8비트 마이크로콘트롤러를 선택하였고, 특히 산업체에서 현재 가장 많이 쓰이고 있는 microchip사의 PIC 칩을 선택하여 PCR 장치를 구현하는 방법을 다룬다.
- 본 논문에서는 저가의 소형 PCR 장치에 적합한 마이크로콘트롤러용 펌웨어를 설계하고 구현하였다. 제안된 펌웨어는 실행코드 크기를 최소화하기 위해서 운영체제의 도움을 받지 않고 하드웨어 인터럽트만을 이용하여 실시간 작업들을 동시에 제어하고, 또한 usb 통신을 이용하여 PC에게 DNA 증폭 작업 입출력 기능과 그래픽 인터페이스 기능을 이전하는 주컴퓨터-국소장치 구조에 최적화되어 동작한다.
가설 설정
- 수신된 메시지가 있으면 메시지 내용을 확인하여 응답 메시지를 반송하고, 수신된 메시지가 없으면 효소중합연쇄반응의 시간 경과에 대응하는 온도 변이 제어 신호를 발생한다. 국소장치의 주작업 루프 반복 주기는 주컴퓨터의 주작업 루프 반복 주기인 0.1초보다 짧은 0.05초로 설정하였다. 국소장치의 주작업 루프 반복 주기를 주컴퓨터의 주작업 루프 반복 주기와 동일하게 0.
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