设计应用

基于FPGA的免疫层析信号数据采集系统

李国庆1,2,魏建崇1,2,王志炯3,高跃明1,2,韦孟宇2,3,杜  民1,2,潘少恒3

(1.福州大学 物理与信息工程学院,福建 福州350116;2.福建省医疗器械与医药技术重点实验室,福建 福州350116;

3.澳门大学 模拟与混合信号超大规模集成电路国家重点实验室,澳门999078)


    摘  要: 提出了一种基于FPGA控制免疫层析信号数据采集系统,系统由免疫层析模拟信号采集模块、FPGA数字控制模块和上位机处理模块组成。FPGA数字控制模块由A/D驱动、电机驱动和数据传输模块组成,其主要工作流程是电机转动的同时控制TM7705同步采样,并在RAM中缓存采样数据。该系统能够实现试条检测的控制,检测结果表示线性度为R2=0.998,灵敏度为0.027 7 mL/μg,最低检测浓度为1.95 μg/mL,重复性小于5%。该系统检测灵敏度较高、一致性稳定,具有较好的实用性和可扩展性。

    关键词: 免疫层析;数据采集;FPGA控制

    中图分类号: TN98;TH776

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.07.023


    中文引用格式: 李国庆,魏建崇,王志炯,等. 基于FPGA的免疫层析信号数据采集系统[J].电子技术应用,2017,43(7):88-91,95.

    英文引用格式: Li Guoqing,Wei Jianchong,Wang Zhijiong,et al. Data acquisition system for immunochromatographic singal based on FPGA[J].Application of Electronic Technique,2017,43(7):88-91,95.

0 引言

    免疫层析检测技术综合了特异性免疫结合、亲和性层析反应等检测方法[1],具有灵敏度高、特异性强、测量快速、操作简单和可现场检测等特点[2-4],因此被广泛运用在食品安全检测、临床检验等领域[5]。    

    目前国内外有许多基于光电式的免疫层析检测系统的研究[6-7],在检测灵敏度、检测范围等方面具有很大优势和灵活性。例如,文献[8]的荧光免疫层析定量检测系统,采集电路采用12位A/D的PIC单片机,主控电路以8051F020单片机为核心,控制步进电机、A/D和显示等功能。文献[9]设计了一种便携式荧光免疫定量分析仪,以MSP430F1611微处理器为核心,搭配内部12位A/D,主要控制步进电机、RS232串口传输等驱动。但存在以下问题:系统结构复杂,需要多种处理器合作,增加了系统设计、测试的难度;目前免疫层析检测系统利用现有处理器实现系统控制,不能根据用户需求定制功能和升级硬件模块。随着仪器功能不断提高,当系统需要增加无线传输、二维码扫描枪、加样控制枪等功能时,需要重新配置引脚功能、设计外围电路,甚至更换芯片,系统升级的灵活度受限,且延长开发周期,增加研发成本。本系统是一种全新的免疫层析信号采集方案,可降低免疫层析检测仪的复杂度,增加仪器的可扩展性。

    本文设计的光电式免疫层析定量检测系统主要由4个模块构成,包括机械传动、光学、数据处理和控制单元,系统驱动和逻辑全部集成在一块FPGA芯片中,降低了系统的复杂度。其中,机械传动模块利用步进电机对试条进行精确定位,实现光学模块对试条的完整扫描。同时,光学模块将试条上分布的光信号转换成电信号并发送至数据处理模块进行数据处理,从而得到检测结果。控制模块主要实现机械传动、A/D采样和数据传输3个任务之间的协同工作。

1 系统整体设计

    本研究设计的荧光免疫层析定量检测系统的整体结构如图1所示。系统可分为三大功能模块:免疫层析信号采集模块、FPGA数字控制模块和上位机处理模块。

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    (1)免疫层析信号采集模块:采用TM7705为核心的模拟前端电路和信号放大电路实现对免疫层析信号的采集、放大、预处理的操作。

    (2)FPGA数字控制模块:利用FPGA的快速和可自定义设计的特点,采用状态机设计方案控制系统各个模块的协调工作。只需修改相应的设计就能快速升级系统功能,满足用户需求。

    (3)上位机模块:免疫层析信号处理并与下位机通信机制,实现数字滤波和峰值检测功能。按键控制系统复位和启动等操作。

2 信号采集模块

2.1 光电检测模块

    荧光免疫层析检测系统光路如图2所示,365 nm的激发光通过透镜聚焦后被二向色镜全反射,再经柱面镜整形为矩形光斑,随后电机线性扫描检测窗口,使试条激发的荧光信号通过二向色镜和滤光片聚焦到光电传感器将其转化为电信号[10]

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2.2 模拟信号处理模块

    模拟信号处理模块主要由模拟放大电路、基准电压产生电路和减法电路组成。光信号经光电传感器转换为电信号,其幅值约为nA级电流信号,因此,在模拟放大电路中,采用OPA657设计的跨阻放大器对微弱的电流信号进行电流/电压转换,再经OP07运算放大器二级放大为伏级电压。同时,基准电压产生电路根据试条的背景荧光信号大小产生基准电压,通过减法电路将模拟放大的电压信号中的背景基值电压减掉,最终得到的电压信号被送至A/D转换电路。

2.3 ADC采样电路

    ADC采样电路由TM7705及其外围电路构成。TM7705的精度为16 bit,最高采样速率达到500 Hz。数字控制模块通过SPI总线与AD芯片通信,实现芯片复位、初始化、寄存器配置和AD数据读取等操作。

2.4 传动扫描平台

    传动扫描平台实现电机驱动试条槽线性运动,主要包括试条槽、步进电机(28BYJ-48)、驱动电路板及传动平台等。步进电机的驱动电压为5 V,以四相八拍方式运转,并采用ULN2003功率放大器实现电机驱动。

3 FPGA数字控制模块设计

    FPGA数字控制模块是定量检测系统的核心,主要由ADC驱动单元、电机驱动单元、串口发送单元和控制单元组成。数字控制单元作为系统核心单元,当系统工作时,电机正向转动一拍;ADC驱动单元通过SPI总线控制AD芯片对免疫层析试条采样,并将数据存储在RAM中,直至试纸条检测窗口全部扫描完,电机反转到初始位置,再将RAM中的数据通过串口发送至上位机。控制单元工作流程如图3所示。

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3.1 ADC驱动单元设计

    ADC驱动单元作为主设备通过SPI接口data_in、sclk_in、Dout与从设备ADC芯片TM7705通信,sclk_in 为读写的同步时钟信号,data_in和Dout分别为数据输入和输出信号。ADC驱动单元通过start控制TM7705的读与写,当start高位为1时,向TM7705写入配置数据,实现芯片初始化,DRDY为ADC数据转换完成标志位,DRDY为0表示TM7705采样完成,设计中将DRDY转换频率设置为250 Hz(DRDY每4 ms置为0)。当start低位为1、且DRDY为0时,通过Dout串行口读取采样数据输出至双口RAM中。图4为TM7705驱动示意图。

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3.2 电机驱动单元设计

    如图5所示,电机驱动单元通过direction、motor_driver信号驱动步进电机转动。direction为正反转控制信号,高位置1正转,低位置1反转。其中adc_start为TM7705转换开始信号,addr_num提供双口RAM的写地址。步进电机每运行一拍启动模数转换并将写地址值addr_num更新。

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3.3 控制单元

    控制单元主要负责系统的协调工作,图6为控制单元框图。控制单元产生RAM的读使能信号和地址值,将RAM中采集数据通过串口发送出去。该单元控制系统开始与结束状态,保证系统检测数据的正确性;在采样时间内,该单元控制电机运转一次的同时完成对试条的采样和存储。其中fid_start是系统工作使能信号,fid_done表示结束信号。

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4 系统仿真与结果

4.1 系统仿真

    利用Altera-Modelsim软件进行时序仿真,为了让仿真图直观可见,系统采样完成后直接进行数据传输。图7为采样结束与信号传输开始的时序仿真图,并在测试时模拟TM7705的Dout采样值全部为0xAAF0。该图体现了系统电机运转、A/D采样和串口传输3个任务协调工作的方式,电机运转的同时进行A/D转换,当光头走过检测窗口后,将RAM中保存的检测数据通过串口发送至上位机。其中对Dout放大可见,Dout在32个SCLK时钟周期内的模拟输入值为0xAAF0,读写数据在SCLK上升沿,并延迟了1/4个时钟周期保证数据正确读取。最后TXD接收的数据为0fAAF0,与本文模拟的Dout值相同,证明系统运行的正确性和可行性。

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4.2 上位机测试软件

    采集系统将检测结果传送至上位机,上位机采用MFC(Microsoft Foundation Classes)设计,包括峰值检测、中值平滑滤波和Vt/Vc计算等算法处理,并显示相应的检测波形。其中中值滤波能有效克服基线漂移,平滑滤波能较好地抑制周期信号的干扰,滤除工频干扰及高频噪声。图8表示CRP(C-reactionprotein)试条浓度为250 μg/mL的检测波形,两个波峰分别为测试线峰值和检测线峰值。

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4.3 线性度和灵敏度测试

    本文选择CRP试条作为测试对象,配置250 μg/mL、125 μg/mL、62.5 μg/mL、31.25 μg/mL、15.6 μg/mL、7.81 μg/mL、3.91 μg/mL、1.95 μg/mL的8种不同浓度试条,采集装置测量5次取平均值作为检测结果,进行线性方程拟合,拟合曲线如图9所示。

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    线性回归方程为:

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其中y为测试线与质控线比值(Vt/Vc),x为待测液浓度。线性相关系数R2=0.998,灵敏度为0.027 11 mL/μg。以上结果表明在1.95~250 μg/mL浓度范围内,系统具有很好的线性响应特性和精确的灵敏度。

4.4 重复性和最低检测浓度测试

    系统重复性测量是指在所有外部环境不变的条件下,短时间内反复测量同一根试条10次,求10次检测数据的变异系数CV(Coefficient of Variance)表示检测结果。选择250 μg/mL、31.25 μg/mL、1.95 μg/mL和0.95 μg/mL的4种代表性试纸条作为测试样本,分别测量10次并计算CV值,测量结果如表1所示。

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    因为低浓度测量峰值时,T线的峰值可能小于噪声,浓度为0.95 μg/mL的试条Vt/Vc变异系数较大,检测结果应判定为无效。本文选取CV值<10%测量值作为检测的最低浓度,可见本系统的最低检测浓度1.95 μg/mL。在1.95~250 μg/mL的线性检测范围时,该系统检测数据的CV值小于5%,具有较好的重复性。

5 结论

    本研究中采用FPGA作为主控单元,利用 FPGA可配置和现场可编程的优点,使电机定位精准,系统结构简单,同时可以改进现有处理器引脚固定的缺点,使增加功能更加方便。本设计的FPGA控制单元部分采用Verilog HDL语言实现,为研发免疫层析检测定制芯片提供设计思想。本系统控制单元全部采用Verilog HDL硬件语言实现,可以灵活设计I/O接口和系统功能模块,只需通过修改FPGA代码便可实现所需功能,满足特殊化定制需求;系统所有逻辑由一块FPGA实现,系统结构简单。通过实验测量可知,在1.95~250 μg/mL的检测范围内线性度R2=0.998,CV值小于5%,符合仪器设计要求。

参考文献

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免疫层析 数据采集 FPGA控制