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基于FPGA的免疫層析信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
2017年電子技術應用第7期
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 物理與信息工程學院，福建 福州350116；2．福建省醫(yī)療器械與醫(yī)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(guī)模集成電路國家重點實驗室，澳門999078
摘要： 提出了一種基于FPGA控制的免疫層析信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)由免疫層析模擬信號采集模塊、FPGA數(shù)字控制模塊和上位機處理模塊組成。FPGA數(shù)字控制模塊由A/D驅(qū)動、電機驅(qū)動和數(shù)據(jù)傳輸模塊組成，其主要工作流程是電機轉(zhuǎn)動的同時控制TM7705同步采樣，并在RAM中緩存采樣數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)試條檢測的控制，檢測結(jié)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，重復性小于5%。該系統(tǒng)檢測靈敏度較高、一致性穩(wěn)定，具有較好的實用性和可擴展性。
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. 基于FPGA的免疫層析信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[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.
Data acquisition system for immunochromatographic singal based on FPGA
Li Guoqing1，2，Wei Jianchong1，2，Wang Zhijiong3，Gao Yueming1，2，Wei Mengyu2，3，Du Min1，2，Pan Shaoheng3
1.College of Physics and Telecommunication Engineering，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350116，China； 2.Key Laboratory of Medical Instrumentation and Pharmaceutical Technology of Fujian Province，F(xiàn)uzhou 350116，China； 3.Department of Electrical and Computer Engineering，F(xiàn)aculty of Science and Technology，University of Macau，Macao 999078，China
Abstract： This paper introduced a data acquisition system based on FPGA control for immunochromatographic assay. The system was composed of analog signal acquisition module, FPGA digital control module and PC. The FPGA digital control module consisted of A/D driver, motor driver and data transmission module. It controlled the stepper motor and the synchronized sampling of TM7705, then the sampled data was saved in RAM. The proposed system was suitable for LFIA test control, which showed good detection linearity(R2=0.998). The sensitivity of the system was 0.0277 mL/μg, the lowest detecting concentration was 1.95 μg/mL and the CV was lower than 5%. In conclusion, the system has high detection sensitivity, good stability practicability and extensibility.
Key words : immunochromatographic；data acquisition；FPGA control

0 引言

    免疫層析檢測技術綜合了特異性免疫結(jié)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(xiàn)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(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[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，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，主要控制步進電機、RS232串口傳輸?shù)闰?qū)動。但存在以下問題：系統(tǒng)結(jié)構復雜，需要多種處理器合作，增加了系統(tǒng)設計、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，需要重新配置引腳功能、設計外圍電路，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(tǒng)主要由4個模塊構成，包括機械傳動、光學、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(xiàn)光學模塊對試條的完整掃描。同時，光學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)處理模塊進行數(shù)據(jù)處理，從而得到檢測結(jié)果?？刂颇K主要實現(xiàn)機械傳動、A/D采樣和數(shù)據(jù)傳輸3個任務之間的協(xié)同工作。

1 系統(tǒng)整體設計

    本研究設計的熒光免疫層析定量檢測系統(tǒng)的整體結(jié)構如圖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處理模塊。

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    （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現(xiàn)對免疫層析信號的采集、放大、預處理的操作。

    （2）FPGA數(shù)字控制模塊：利用FPGA的快速和可自定義設計的特點，采用狀態(tài)機設計方案控制系統(tǒng)各個模塊的協(xié)調(diào)工作。只需修改相應的設計就能快速升級系統(tǒng)功能，滿足用戶需求。

    （3）上位機模塊：免疫層析信號處理并與下位機通信機制，實現(xiàn)數(shù)字濾波和峰值檢測功能。按鍵控制系統(tǒng)復位和啟動等操作。

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]。

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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(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設計的跨阻放大器對微弱的電流信號進行電流/電壓轉(zhuǎn)換，再經(jīng)OP07運算放大器二級放大為伏級電壓。同時，基準電壓產(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及其外圍電路構成。TM7705的精度為16 bit，最高采樣速率達到500 Hz。數(shù)字控制模塊通過SPI總線與AD芯片通信，實現(xiàn)芯片復位、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

    傳動掃描平臺實現(xiàn)電機驅(qū)動試條槽線性運動，主要包括試條槽、步進電機(28BYJ-48)、驅(qū)動電路板及傳動平臺等。步進電機的驅(qū)動電壓為5 V，以四相八拍方式運轉(zhuǎn)，并采用ULN2003功率放大器實現(xiàn)電機驅(qū)動。

3 FPGA數(shù)字控制模塊設計

    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，當系統(tǒng)工作時，電機正向轉(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?？刂茊卧ぷ髁鞒倘鐖D3所示。

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3.1 ADC驅(qū)動單元設計

    ADC驅(qū)動單元作為主設備通過SPI接口data_in、sclk_in、Dout與從設備ADC芯片TM7705通信，sclk_in 為讀寫的同步時鐘信號，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start高位為1時，向TM7705寫入配置數(shù)據(jù)，實現(xiàn)芯片初始化，DRDY為ADC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成標志位，DRDY為0表示TM7705采樣完成，設計中將DRDY轉(zhuǎn)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。

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3.2 電機驅(qū)動單元設計

    如圖5所示，電機驅(qū)動單元通過direction、motor_driver信號驅(qū)動步進電機轉(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。步進電機每運行一拍啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換并將寫地址值addr_num更新。

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3.3 控制單元

    控制單元主要負責系統(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；在采樣時間內(nèi)，該單元控制電機運轉(zhuǎn)一次的同時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。

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4 系統(tǒng)仿真與結(jié)果

4.1 系統(tǒng)仿真

    利用Altera-Modelsim軟件進行時序仿真，為了讓仿真圖直觀可見，系統(tǒng)采樣完成后直接進行數(shù)據(jù)傳輸。圖7為采樣結(jié)束與信號傳輸開始的時序仿真圖，并在測試時模擬TM7705的Dout采樣值全部為0xAAF0。該圖體現(xiàn)了系統(tǒng)電機運轉(zhuǎn)、A/D采樣和串口傳輸3個任務協(xié)調(diào)工作的方式，電機運轉(zhuǎn)的同時進行A/D轉(zhuǎn)換，當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。其中對Dout放大可見，Dout在32個SCLK時鐘周期內(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個時鐘周期保證數(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)運行的正確性和可行性。

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4.2 上位機測試軟件

    采集系統(tǒng)將檢測結(jié)果傳送至上位機，上位機采用MFC（Microsoft Foundation Classes）設計，包括峰值檢測、中值平滑濾波和Vt/Vc計算等算法處理，并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噪聲。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。

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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，進行線性方程擬合，擬合曲線如圖9所示。

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    線性回歸方程為：

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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特性和精確的靈敏度。

4.4 重復性和最低檢測濃度測試

    系統(tǒng)重復性測量是指在所有外部環(huán)境不變的條件下，短時間內(nèi)反復測量同一根試條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次并計算CV值，測量結(jié)果如表1所示。

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    因為低濃度測量峰值時，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，該系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)的CV值小于5%，具有較好的重復性。

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，使電機定位精準，系統(tǒng)結(jié)構簡單，同時可以改進現(xiàn)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控制單元部分采用Verilog HDL語言實現(xiàn)，為研發(fā)免疫層析檢測定制芯片提供設計思想。本系統(tǒng)控制單元全部采用Verilog HDL硬件語言實現(xiàn)，可以靈活設計I/O接口和系統(tǒng)功能模塊，只需通過修改FPGA代碼便可實現(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實現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構簡單。通過實驗測量可知，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(fā)[D].杭州：浙江大學，2014. 



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 物理與信息工程學院，福建 福州350116；2．福建省醫(yī)療器械與醫(yī)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(guī)模集成電路國家重點實驗室，澳門999078）

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