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【論文精選】基於FPGA的免疫層析信號數據採集系統

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,潘少恆3

(1.福州大學 物理與信息工程學院,福建 福州350116;2.福建省醫療器械與醫藥技術重點實驗室,福建 福州350116;

3.澳門大學 模擬與混合信號超大規模集成電路國家重點實驗室,澳門999078)

摘 要:

提出了一種基於FPGA控制的免疫層析信號數據採集系統,系統由免疫層析模擬信號採集模塊、FPGA數字控制模塊和上位機處理模塊組成。FPGA數字控制模塊由A/D驅動、電機驅動和數據傳輸模塊組成,其主要工作流程是電機轉動的同時控制TM7705同步採樣,並在RAM中緩存採樣數據。該系統能夠實現試條檢測的控制,檢測結果表示線性度為R2=0.998,靈敏度為0.027 7 mL/μg,最低檢測濃度為1.95 μg/mL,重複性小於5%。該系統檢測靈敏度較高、一致性穩定,具有較好的實用性和可擴展性。

關鍵詞: 免疫層析;數據採集;FPGA控制

中圖分類號: TN98;TH776

文獻標識碼: 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. 基於FPGA的免疫層析信號數據採集系統[J].電子技術應用,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

免疫層析檢測技術綜合了特異性免疫結合、親和性層析反應等檢測方法[1],具有靈敏度高、特異性強、測量快速、操作簡單和可現場檢測等特點[2-4],因此被廣泛運用在食品安全檢測、臨床檢驗等領域[5]。 目前國內外有許多基於光電式的免疫層析檢測系統的研究[6-7],在檢測靈敏度、檢測範圍等方面具有很大優勢和靈活性。例如,文獻[8]的熒光免疫層析定量檢測系統,採集電路採用12位A/D的PIC單片機,主控電路以8051F020單片機為核心,控制步進電機、A/D和顯示等功能。文獻[9]設計了一種攜帶型熒光免疫定量分析儀,以MSP430F1611微處理器為核心,搭配內部12位A/D,主要控制步進電機、RS232串口傳輸等驅動。但存在以下問題:系統結構複雜,需要多種處理器合作,增加了系統設計、測試的難度;目前免疫層析檢測系統利用現有處理器實現系統控制,不能根據用戶需求定製功能和升級硬體模塊。隨著儀器功能不斷提高,當系統需要增加無線傳輸、二維碼掃描槍、加樣控制槍等功能時,需要重新配置引腳功能、設計外圍電路,甚至更換晶元,系統升級的靈活度受限,且延長開發周期,增加研發成本。本系統是一種全新的免疫層析信號採集方案,可降低免疫層析檢測儀的複雜度,增加儀器的可擴展性。

本文設計的光電式免疫層析定量檢測系統主要由4個模塊構成,包括機械傳動、光學、數據處理和控制單元,系統驅動和邏輯全部集成在一塊FPGA晶元中,降低了系統的複雜度。其中,機械傳動模塊利用步進電機對試條進行精確定位,實現光學模塊對試條的完整掃描。同時,光學模塊將試條上分佈的光信號轉換成電信號併發送至數據處理模塊進行數據處理,從而得到檢測結果。控制模塊主要實現機械傳動、A/D採樣和數據傳輸3個任務之間的協同工作。

1 系統整體設計

本研究設計的熒光免疫層析定量檢測系統的整體結構如圖1所示。系統可分為三大功能模塊:免疫層析信號採集模塊、FPGA數字控制模塊和上位機處理模塊。

(1)免疫層析信號採集模塊:採用TM7705為核心的模擬前端電路和信號放大電路實現對免疫層析信號的採集、放大、預處理的操作。

(2)FPGA數字控制模塊:利用FPGA的快速和可自定義設計的特點,採用狀態機設計方案控制系統各個模塊的協調工作。只需修改相應的設計就能快速升級系統功能,滿足用戶需求。

(3)上位機模塊:免疫層析信號處理並與下位機通信機制,實現數字濾波和峰值檢測功能。按鍵控制系統複位和啟動等操作。

2 信號採集模塊

2.1 光電檢測模塊

熒光免疫層析檢測系統光路如圖2所示,365 nm的激發光通過透鏡聚焦后被二向色鏡全反射,再經柱面鏡整形為矩形光斑,隨後電機線性掃描檢測窗口,使試條激發的熒光信號通過二向色鏡和濾光片聚焦到光電感測器將其轉化為電信號[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、基準電壓產生電路和減法電路組成。光信號經光電感測器轉換為電信號,其幅值約為nA級電流信號,因此,在模擬放大電路中,採用OPA657設計的跨阻放大器對微弱的電流信號進行電流/電壓轉換,再經OP07運算放大器二級放大為伏級電壓。同時,基準電壓產生電路根據試條的背景熒光信號大小產生基準電壓,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轉換電路。

2.3 ADC採樣電路

ADC採樣電路由TM7705及其外圍電路構成。TM7705的精度為16 bit,最高採樣速率達到500 Hz。數字控制模塊通過SPI匯流排與AD晶元通信,實現晶元複位、初始化、寄存器配置和AD數據讀取等操作。

2.4 傳動掃描平台

傳動掃描平台實現電機驅動試條槽線性運動,主要包括試條槽、步進電機(28BYJ-48)、驅動電路板及傳動平台等。步進電機的驅動電壓為5 V,以四相八拍方式運轉,並採用ULN2003功率放大器實現電機驅動。

3 FPGA數字控制模塊設計

FPGA數字控制模塊是定量檢測系統的核心,主要由ADC驅動單元、電機驅動單元、串口發送單元和控制單元組成。數字控制單元作為系統核心單元,當系統工作時,電機正向轉動一拍;ADC驅動單元通過SPI匯流排控制AD晶元對免疫層析試條採樣,並將數據存儲在RAM中,直至試紙條檢測窗口全部掃描完,電機反轉到初始位置,再將RAM中的數據通過串口發送至上位機。控制單元工作流程如圖3所示。

3.1 ADC驅動單元設計

ADC驅動單元作為主設備通過SPI介面data_in、sclk_in、Dout與從設備ADC晶元TM7705通信,sclk_in 為讀寫的同步時鐘信號,data_in和Dout分別為數據輸入和輸出信號。ADC驅動單元通過start控制TM7705的讀與寫,當start高位為1時,向TM7705寫入配置數據,實現晶元初始化,DRDY為ADC數據轉換完成標誌位,DRDY為0表示TM7705採樣完成,設計中將DRDY轉換頻率設置為250 Hz(DRDY每4 ms置為0)。當start低位為1、且DRDY為0時,通過Dout串列口讀取採樣數據輸出至雙口RAM中。圖4為TM7705驅動示意圖。

3.2 電機驅動單元設計

如圖5所示,電機驅動單元通過direction、motor_driver信號驅動步進電機轉動。direction為正反轉控制信號,高位置1正轉,低位置1反轉。其中adc_start為TM7705轉換開始信號,addr_num提供雙口RAM的寫地址。步進電機每運行一拍啟動模數轉換並將寫地址值addr_num更新。

3.3 控制單元

控制單元主要負責系統的協調工作,圖6為控制單元框圖。控制單元產生RAM的讀使能信號和地址值,將RAM中採集數據通過串口發送出去。該單元控制系統開始與結束狀態,保證系統檢測數據的正確性;在採樣時間內,該單元控制電機運轉一次的同時完成對試條的採樣和存儲。其中fid_start是系統工作使能信號,fid_done表示結束信號。

4 系統模擬與結果

4.1 系統模擬

利用Altera-Modelsim軟體進行時序模擬,為了讓模擬圖直觀可見,系統採樣完成後直接進行數據傳輸。圖7為採樣結束與信號傳輸開始的時序模擬圖,並在測試時模擬TM7705的Dout採樣值全部為0xAAF0。該圖體現了系統電機運轉、A/D採樣和串口傳輸3個任務協調工作的方式,電機運轉的同時進行A/D轉換,當光頭走過檢測窗口后,將RAM中保存的檢測數據通過串口發送至上位機。其中對Dout放大可見,Dout在32個SCLK時鐘周期內的模擬輸入值為0xAAF0,讀寫數據在SCLK上升沿,並延遲了1/4個時鐘周期保證數據正確讀取。最後TXD接收的數據為0fAAF0,與本文模擬的Dout值相同,證明系統運行的正確性和可行性。

4.2 上位機測試軟體

採集系統將檢測結果傳送至上位機,上位機採用MFC(Microsoft Foundation Classes)設計,包括峰值檢測、中值平滑濾波和Vt/Vc計算等演算法處理,並顯示相應的檢測波形。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雜訊。圖8表示CRP(C-reactionprotein)試條濃度為250 μg/mL的檢測波形,兩個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,採集裝置測量5次取平均值作為檢測結果,進行線性方程擬合,擬合曲線如圖9所示。

線性回歸方程為:

其中y為測試線與質控線比值(Vt/Vc),x為待測液濃度。線性相關係數R2=0.998,靈敏度為0.027 11 mL/μg。以上結果表明在1.95~250 μg/mL濃度範圍內,系統具有很好的線性響應特性和精確的靈敏度。

4.4 重複性和最低檢測濃度測試

系統重複性測量是指在所有外部環境不變的條件下,短時間內反覆測量同一根試條10次,求10次檢測數據的變異係數CV(Coefficient of Variance)表示檢測結果。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次並計算CV值,測量結果如表1所示。

因為低濃度測量峰值時,T線的峰值可能小於雜訊,濃度為0.95 μg/mL的試條Vt/Vc變異係數較大,檢測結果應判定為無效。本文選取CV值<10%測量值作為檢測的最低濃度,可見本系統的最低檢測濃度1.95 μg/mL。在1.95~250 μg/mL的線性檢測範圍時,該系統檢測數據的CV值小於5%,具有較好的重複性。

5 結論

本研究中採用FPGA作為主控單元,利用 FPGA可配置和現場可編程的優點,使電機定位精準,系統結構簡單,同時可以改進現有處理器引腳固定的缺點,使增加功能更加方便。本設計的FPGA控制單元部分採用Verilog HDL語言實現,為研發免疫層析檢測定製晶元提供設計思想。本系統控制單元全部採用Verilog HDL硬體語言實現,可以靈活設計I/O介面和系統功能模塊,只需通過修改FPGA代碼便可實現所需功能,滿足特殊化定製需求;系統所有邏輯由一塊FPGA實現,系統結構簡單。通過實驗測量可知,在1.95~250 μg/mL的檢測範圍內線性度R2=0.998,CV值小於5%,符合儀器設計要求。

參考文獻

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[10] 李曉婷.熒光免疫試條定量檢測儀的設計與開發[D].杭州:浙江大學,2014.



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