文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.07.023
中文引用格式： 李國慶，魏建崇，王志炯，等. 基于FPGA的免疫層析信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)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
免疫層析檢測技術(shù)綜合了特異性免疫結(jié)合、親和性層析反應(yīng)等檢測方法[1]，具有靈敏度高、特異性強(qiáng)、測量快速、操作簡單和可現(xiàn)場檢測等特點(diǎn)[2-4]，因此被廣泛運(yùn)用在食品安全檢測、臨床檢驗(yàn)等領(lǐng)域[5]。
目前國內(nèi)外有許多基于光電式的免疫層析檢測系統(tǒng)的研究[6-7]，在檢測靈敏度、檢測范圍等方面具有很大優(yōu)勢和靈活性。例如，文獻(xiàn)[8]的熒光免疫層析定量檢測系統(tǒng)，采集電路采用12位A/D的PIC單片機(jī)，主控電路以8051F020單片機(jī)為核心，控制步進(jìn)電機(jī)、A/D和顯示等功能。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了一種便攜式熒光免疫定量分析儀，以MSP430F1611微處理器為核心，搭配內(nèi)部12位A/D，主要控制步進(jìn)電機(jī)、RS232串口傳輸?shù)闰?qū)動。但存在以下問題：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要多種處理器合作，增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測試的難度；目前免疫層析檢測系統(tǒng)利用現(xiàn)有處理器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制，不能根據(jù)用戶需求定制功能和升級硬件模塊。隨著儀器功能不斷提高，當(dāng)系統(tǒng)需要增加無線傳輸、二維碼掃描槍、加樣控制槍等功能時(shí)，需要重新配置引腳功能、設(shè)計(jì)外圍電路，甚至更換芯片，系統(tǒng)升級的靈活度受限，且延長開發(fā)周期，增加研發(fā)成本。本系統(tǒng)是一種全新的免疫層析信號采集方案，可降低免疫層析檢測儀的復(fù)雜度，增加儀器的可擴(kuò)展性。
本文設(shè)計(jì)的光電式免疫層析定量檢測系統(tǒng)主要由4個(gè)模塊構(gòu)成，包括機(jī)械傳動、光學(xué)、數(shù)據(jù)處理和控制單元，系統(tǒng)驅(qū)動和邏輯全部集成在一塊FPGA芯片中，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。其中，機(jī)械傳動模塊利用步進(jìn)電機(jī)對試條進(jìn)行精確定位，實(shí)現(xiàn)光學(xué)模塊對試條的完整掃描。同時(shí)，光學(xué)模塊將試條上分布的光信號轉(zhuǎn)換成電信號并發(fā)送至數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而得到檢測結(jié)果。控制模塊主要實(shí)現(xiàn)機(jī)械傳動、A/D采樣和數(shù)據(jù)傳輸3個(gè)任務(wù)之間的協(xié)同工作。
1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
本研究設(shè)計(jì)的熒光免疫層析定量檢測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)可分為三大功能模塊：免疫層析信號采集模塊、FPGA數(shù)字控制模塊和上位機(jī)處理模塊。
（1）免疫層析信號采集模塊：采用TM7705為核心的模擬前端電路和信號放大電路實(shí)現(xiàn)對免疫層析信號的采集、放大、預(yù)處理的操作。
（2）FPGA數(shù)字控制模塊：利用FPGA的快速和可自定義設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，采用狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)方案控制系統(tǒng)各個(gè)模塊的協(xié)調(diào)工作。只需修改相應(yīng)的設(shè)計(jì)就能快速升級系統(tǒng)功能，滿足用戶需求。
（3）上位機(jī)模塊：免疫層析信號處理并與下位機(jī)通信機(jī)制，實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波和峰值檢測功能。按鍵控制系統(tǒng)復(fù)位和啟動等操作。
2 信號采集模塊
2.1 光電檢測模塊
熒光免疫層析檢測系統(tǒng)光路如圖2所示，365 nm的激發(fā)光通過透鏡聚焦后被二向色鏡全反射，再經(jīng)柱面鏡整形為矩形光斑，隨后電機(jī)線性掃描檢測窗口，使試條激發(fā)的熒光信號通過二向色鏡和濾光片聚焦到光電傳感器將其轉(zhuǎn)化為電信號[10]。
2.2 模擬信號處理模塊
模擬信號處理模塊主要由模擬放大電路、基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路和減法電路組成。光信號經(jīng)光電傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，其幅值約為nA級電流信號，因此，在模擬放大電路中，采用OPA657設(shè)計(jì)的跨阻放大器對微弱的電流信號進(jìn)行電流/電壓轉(zhuǎn)換，再經(jīng)OP07運(yùn)算放大器二級放大為伏級電壓。同時(shí)，基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路根據(jù)試條的背景熒光信號大小產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，通過減法電路將模擬放大的電壓信號中的背景基值電壓減掉，最終得到的電壓信號被送至A/D轉(zhuǎn)換電路。
2.3 ADC采樣電路
ADC采樣電路由TM7705及其外圍電路構(gòu)成。TM7705的精度為16 bit，最高采樣速率達(dá)到500 Hz。數(shù)字控制模塊通過SPI總線與AD芯片通信，實(shí)現(xiàn)芯片復(fù)位、初始化、寄存器配置和AD數(shù)據(jù)讀取等操作。
2.4 傳動掃描平臺
傳動掃描平臺實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動試條槽線性運(yùn)動，主要包括試條槽、步進(jìn)電機(jī)(28BYJ-48)、驅(qū)動電路板及傳動平臺等。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電壓為5 V，以四相八拍方式運(yùn)轉(zhuǎn)，并采用ULN2003功率放大器實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動。
3 FPGA數(shù)字控制模塊設(shè)計(jì)
FPGA數(shù)字控制模塊是定量檢測系統(tǒng)的核心，主要由ADC驅(qū)動單元、電機(jī)驅(qū)動單元、串口發(fā)送單元和控制單元組成。數(shù)字控制單元作為系統(tǒng)核心單元，當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動一拍；ADC驅(qū)動單元通過SPI總線控制AD芯片對免疫層析試條采樣，并將數(shù)據(jù)存儲在RAM中，直至試紙條檢測窗口全部掃描完，電機(jī)反轉(zhuǎn)到初始位置，再將RAM中的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至上位機(jī)。控制單元工作流程如圖3所示。
3.1 ADC驅(qū)動單元設(shè)計(jì)
ADC驅(qū)動單元作為主設(shè)備通過SPI接口data_in、sclk_in、Dout與從設(shè)備ADC芯片TM7705通信，sclk_in 為讀寫的同步時(shí)鐘信號，data_in和Dout分別為數(shù)據(jù)輸入和輸出信號。ADC驅(qū)動單元通過start控制TM7705的讀與寫，當(dāng)start高位為1時(shí)，向TM7705寫入配置數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)芯片初始化，DRDY為ADC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志位，DRDY為0表示TM7705采樣完成，設(shè)計(jì)中將DRDY轉(zhuǎn)換頻率設(shè)置為250 Hz（DRDY每4 ms置為0）。當(dāng)start低位為1、且DRDY為0時(shí)，通過Dout串行口讀取采樣數(shù)據(jù)輸出至雙口RAM中。圖4為TM7705驅(qū)動示意圖。
3.2 電機(jī)驅(qū)動單元設(shè)計(jì)
如圖5所示，電機(jī)驅(qū)動單元通過direction、motor_driver信號驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。direction為正反轉(zhuǎn)控制信號，高位置1正轉(zhuǎn)，低位置1反轉(zhuǎn)。其中adc_start為TM7705轉(zhuǎn)換開始信號，addr_num提供雙口RAM的寫地址。步進(jìn)電機(jī)每運(yùn)行一拍啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換并將寫地址值addr_num更新。
3.3 控制單元
控制單元主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，圖6為控制單元框圖。控制單元產(chǎn)生RAM的讀使能信號和地址值，將RAM中采集數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送出去。該單元控制系統(tǒng)開始與結(jié)束狀態(tài)，保證系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)的正確性；在采樣時(shí)間內(nèi)，該單元控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一次的同時(shí)完成對試條的采樣和存儲。其中fid_start是系統(tǒng)工作使能信號，fid_done表示結(jié)束信號。
4 系統(tǒng)仿真與結(jié)果
4.1 系統(tǒng)仿真
利用Altera-Modelsim軟件進(jìn)行時(shí)序仿真，為了讓仿真圖直觀可見，系統(tǒng)采樣完成后直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。圖7為采樣結(jié)束與信號傳輸開始的時(shí)序仿真圖，并在測試時(shí)模擬TM7705的Dout采樣值全部為0xAAF0。該圖體現(xiàn)了系統(tǒng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、A/D采樣和串口傳輸3個(gè)任務(wù)協(xié)調(diào)工作的方式，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，當(dāng)光頭走過檢測窗口后，將RAM中保存的檢測數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至上位機(jī)。其中對Dout放大可見，Dout在32個(gè)SCLK時(shí)鐘周期內(nèi)的模擬輸入值為0xAAF0，讀寫數(shù)據(jù)在SCLK上升沿，并延遲了1/4個(gè)時(shí)鐘周期保證數(shù)據(jù)正確讀取。最后TXD接收的數(shù)據(jù)為0fAAF0,與本文模擬的Dout值相同，證明系統(tǒng)運(yùn)行的正確性和可行性。
4.2 上位機(jī)測試軟件
采集系統(tǒng)將檢測結(jié)果傳送至上位機(jī)，上位機(jī)采用MFC（Microsoft Foundation Classes）設(shè)計(jì)，包括峰值檢測、中值平滑濾波和Vt/Vc計(jì)算等算法處理，并顯示相應(yīng)的檢測波形。其中中值濾波能有效克服基線漂移，平滑濾波能較好地抑制周期信號的干擾，濾除工頻干擾及高頻噪聲。圖8表示CRP（C-reactionprotein）試條濃度為250 μg/mL的檢測波形，兩個(gè)波峰分別為測試線峰值和檢測線峰值。
4.3 線性度和靈敏度測試
本文選擇CRP試條作為測試對象，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種不同濃度試條，采集裝置測量5次取平均值作為檢測結(jié)果，進(jìn)行線性方程擬合，擬合曲線如圖9所示。
線性回歸方程為：
其中y為測試線與質(zhì)控線比值(Vt/Vc)，x為待測液濃度。線性相關(guān)系數(shù)R2=0.998，靈敏度為0.027 11 mL/μg。以上結(jié)果表明在1.95～250 μg/mL濃度范圍內(nèi)，系統(tǒng)具有很好的線性響應(yīng)特性和精確的靈敏度。
4.4 重復(fù)性和最低檢測濃度測試
系統(tǒng)重復(fù)性測量是指在所有外部環(huán)境不變的條件下，短時(shí)間內(nèi)反復(fù)測量同一根試條10次，求10次檢測數(shù)據(jù)的變異系數(shù)CV(Coefficient of Variance)表示檢測結(jié)果。選擇250 μg/mL、31.25 μg/mL、1.95 μg/mL和0.95 μg/mL的4種代表性試紙條作為測試樣本，分別測量10次并計(jì)算CV值，測量結(jié)果如表1所示。
因?yàn)榈蜐舛葴y量峰值時(shí)，T線的峰值可能小于噪聲，濃度為0.95 μg/mL的試條Vt/Vc變異系數(shù)較大，檢測結(jié)果應(yīng)判定為無效。本文選取CV值<10%測量值作為檢測的最低濃度，可見本系統(tǒng)的最低檢測濃度1.95 μg/mL。在1.95～250 μg/mL的線性檢測范圍時(shí)，該系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)的CV值小于5%，具有較好的重復(fù)性。
5 結(jié)論
本研究中采用FPGA作為主控單元，利用 FPGA可配置和現(xiàn)場可編程的優(yōu)點(diǎn)，使電機(jī)定位精準(zhǔn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，同時(shí)可以改進(jìn)現(xiàn)有處理器引腳固定的缺點(diǎn)，使增加功能更加方便。本設(shè)計(jì)的FPGA控制單元部分采用Verilog HDL語言實(shí)現(xiàn)，為研發(fā)免疫層析檢測定制芯片提供設(shè)計(jì)思想。本系統(tǒng)控制單元全部采用Verilog HDL硬件語言實(shí)現(xiàn)，可以靈活設(shè)計(jì)I/O接口和系統(tǒng)功能模塊，只需通過修改FPGA代碼便可實(shí)現(xiàn)所需功能，滿足特殊化定制需求；系統(tǒng)所有邏輯由一塊FPGA實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。通過實(shí)驗(yàn)測量可知，在1.95～250 μg/mL的檢測范圍內(nèi)線性度R2=0.998，CV值小于5%，符合儀器設(shè)計(jì)要求。
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作者信息：
李國慶1，2，魏建崇1，2，王志炯3，高躍明1，2，韋孟宇2，3，杜 民1，2，潘少恒3
（1．福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州350116；2．福建省醫(yī)療器械與醫(yī)藥技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州350116；
3．澳門大學(xué) 模擬與混合信號超大規(guī)模集成電路國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，澳門999078）