文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2017.07.023
中文引用格式： 李國(guó)慶，魏建崇，王志炯，等. 基于FPGA的免疫層析信號(hào)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(cè)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(cè)方法[1]，具有靈敏度高、特異性強(qiáng)、測(cè)量快速、操作簡(jiǎn)單和可現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等特點(diǎn)[2-4]，因此被廣泛運(yùn)用在食品安全檢測(cè)、臨床檢驗(yàn)等領(lǐng)域[5]。
目前國(guó)內(nèi)外有許多基于光電式的免疫層析檢測(cè)系統(tǒng)的研究[6-7]，在檢測(cè)靈敏度、檢測(cè)范圍等方面具有很大優(yōu)勢(shì)和靈活性。例如，文獻(xiàn)[8]的熒光免疫層析定量檢測(cè)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(dòng)。但存在以下問(wèn)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(cè)試的難度；目前免疫層析檢測(cè)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(hù)需求定制功能和升級(jí)硬件模塊。隨著儀器功能不斷提高，當(dāng)系統(tǒng)需要增加無(wú)線(xiàn)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(jí)的靈活度受限，且延長(zhǎng)開(kāi)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(hào)采集方案，可降低免疫層析檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)主要由4個(gè)模塊構(gòu)成，包括機(jī)械傳動(dòng)、光學(xué)、數(shù)據(jù)處理和控制單元，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)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(dòng)模塊利用步進(jìn)電機(jī)對(duì)試條進(jìn)行精確定位，實(shí)現(xiàn)光學(xué)模塊對(duì)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(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)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(cè)結(jié)果?？刂颇K主要實(shí)現(xiàn)機(jī)械傳動(dòng)、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(cè)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(hào)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(hào)采集模塊：采用TM7705為核心的模擬前端電路和信號(hào)放大電路實(shí)現(xiàn)對(duì)免疫層析信號(hào)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(jí)系統(tǒng)功能，滿(mǎn)足用戶(hù)需求。
（3）上位機(jī)模塊：免疫層析信號(hào)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(cè)功能。按鍵控制系統(tǒng)復(fù)位和啟動(dòng)等操作。
2 信號(hào)采集模塊
2.1 光電檢測(cè)模塊
熒光免疫層析檢測(cè)系統(tǒng)光路如圖2所示，365 nm的激發(fā)光通過(guò)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(xiàn)性?huà)呙铏z測(cè)窗口，使試條激發(fā)的熒光信號(hào)通過(guò)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(hào)[10]。
2.2 模擬信號(hào)處理模塊
模擬信號(hào)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(hào)經(jīng)光電傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，其幅值約為nA級(jí)電流信號(hào)，因此，在模擬放大電路中，采用OPA657設(shè)計(jì)的跨阻放大器對(duì)微弱的電流信號(hào)進(jìn)行電流/電壓轉(zhuǎn)換，再經(jīng)OP07運(yùn)算放大器二級(jí)放大為伏級(jí)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(hào)大小產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，通過(guò)減法電路將模擬放大的電壓信號(hào)中的背景基值電壓減掉，最終得到的電壓信號(hào)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(guò)SPI總線(xiàn)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(dòng)掃描平臺(tái)
傳動(dòng)掃描平臺(tái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)試條槽線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)，主要包括試條槽、步進(jìn)電機(jī)(28BYJ-48)、驅(qū)動(dòng)電路板及傳動(dòng)平臺(tái)等。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(dòng)。
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(cè)系統(tǒng)的核心，主要由ADC驅(qū)動(dòng)單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)一拍；ADC驅(qū)動(dòng)單元通過(guò)SPI總線(xiàn)控制AD芯片對(duì)免疫層析試條采樣，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在RAM中，直至試紙條檢測(cè)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(guò)串口發(fā)送至上位機(jī)?？刂茊卧ぷ髁鞒倘鐖D3所示。
3.1 ADC驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)
ADC驅(qū)動(dòng)單元作為主設(shè)備通過(guò)SPI接口data_in、sclk_in、Dout與從設(shè)備ADC芯片TM7705通信，sclk_in 為讀寫(xiě)的同步時(shí)鐘信號(hào)，data_in和Dout分別為數(shù)據(jù)輸入和輸出信號(hào)。ADC驅(qū)動(dòng)單元通過(guò)start控制TM7705的讀與寫(xiě)，當(dāng)start高位為1時(shí)，向TM7705寫(xiě)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(guò)Dout串行口讀取采樣數(shù)據(jù)輸出至雙口RAM中。圖4為T(mén)M7705驅(qū)動(dòng)示意圖。
3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)
如圖5所示，電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元通過(guò)direction、motor_driver信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。direction為正反轉(zhuǎn)控制信號(hào)，高位置1正轉(zhuǎn)，低位置1反轉(zhuǎn)。其中adc_start為T(mén)M7705轉(zhuǎn)換開(kāi)始信號(hào)，addr_num提供雙口RAM的寫(xiě)地址。步進(jìn)電機(jī)每運(yùn)行一拍啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換并將寫(xiě)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?？刂茊卧a(chǎn)生RAM的讀使能信號(hào)和地址值，將RAM中采集數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送出去。該單元控制系統(tǒng)開(kāi)始與結(jié)束狀態(tài)，保證系統(tǒng)檢測(cè)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(duì)試條的采樣和存儲(chǔ)。其中fid_start是系統(tǒng)工作使能信號(hào)，fid_done表示結(jié)束信號(hào)。
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(guān)可見(jiàn)，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(hào)傳輸開(kāi)始的時(shí)序仿真圖，并在測(cè)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(guò)檢測(cè)窗口后，將RAM中保存的檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送至上位機(jī)。其中對(duì)Dout放大可見(jiàn)，Dout在32個(gè)SCLK時(shí)鐘周期內(nèi)的模擬輸入值為0xAAF0，讀寫(xiě)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(cè)試軟件
采集系統(tǒng)將檢測(cè)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(cè)、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(cè)波形。其中中值濾波能有效克服基線(xiàn)漂移，平滑濾波能較好地抑制周期信號(hào)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(cè)波形，兩個(gè)波峰分別為測(cè)試線(xiàn)峰值和檢測(cè)線(xiàn)峰值。
4.3 線(xiàn)性度和靈敏度測(cè)試
本文選擇CRP試條作為測(cè)試對(duì)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(cè)量5次取平均值作為檢測(cè)結(jié)果，進(jìn)行線(xiàn)性方程擬合，擬合曲線(xiàn)如圖9所示。
線(xiàn)性回歸方程為：
其中y為測(cè)試線(xiàn)與質(zhì)控線(xiàn)比值(Vt/Vc)，x為待測(cè)液濃度。線(xiàn)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(xiàn)性響應(yīng)特性和精確的靈敏度。
4.4 重復(fù)性和最低檢測(cè)濃度測(cè)試
系統(tǒng)重復(fù)性測(cè)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(cè)量同一根試條10次，求10次檢測(cè)數(shù)據(jù)的變異系數(shù)CV(Coefficient of Variance)表示檢測(cè)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(cè)試樣本，分別測(cè)量10次并計(jì)算CV值，測(cè)量結(jié)果如表1所示。
因?yàn)榈蜐舛葴y(cè)量峰值時(shí)，T線(xiàn)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(cè)結(jié)果應(yīng)判定為無(wú)效。本文選取CV值<10%測(cè)量值作為檢測(cè)的最低濃度，可見(jiàn)本系統(tǒng)的最低檢測(cè)濃度1.95 μg/mL。在1.95～250 μg/mL的線(xiàn)性檢測(cè)范圍時(shí)，該系統(tǒng)檢測(cè)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(chǎng)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(jiǎn)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(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，為研發(fā)免疫層析檢測(cè)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(yǔ)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(guò)修改FPGA代碼便可實(shí)現(xiàn)所需功能，滿(mǎn)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(jiǎn)單。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量可知，在1.95～250 μg/mL的檢測(cè)范圍內(nèi)線(xiàn)性度R2=0.998，CV值小于5%，符合儀器設(shè)計(jì)要求。
參考文獻(xiàn)
[1] SU J，ZHOU Z，LI H，et al.Quantitative detection of human chorionic gonadotropin antigen via immunogold chromatographic test strips[J].Analytical Methods，2014，6(2)：450-455.
[2] 任冰強(qiáng)，黃立華，黃惠杰.基于免疫層析技術(shù)的時(shí)間分辨熒光免疫分析儀研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2009(6)：1330-1335.
[3] 高躍明，李天麒，林傳陽(yáng)，等.熒光免疫層析試條光電信號(hào)處理及特征量選取[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2015，29(5)：662-668.
[4] PYO D，YOO J.New trends in fluorescence immunochro-matography[J].Journal of Immunoassay and Immunochemistry，2012，33(2)：203-222.
[5] REDDY J R，KWANG J，LECHTENBERG K F，et al.An immunochromatographic serological assay for the diagnosis of mycobacterium tuberculosis[J].Comparative Immunology，Microbiology and Infectious Diseases，2002，25(1)：21-27.
[6] LEE L G，NORDMAN E S，JOHNSON M D，et al.A low-cost, high-performance system for fluorescence lateral flow assays[J].Biosensors，2013，3(4)：360-373.
[7] LI J J，OUELLETTE A L，GIOVANGRANDI L，et al.Optical scanner for immunoassays with up-converting phosphorescent labels[J].IEEE Transactions on Biomedical Engineering，2008，55(5)：1560-1571.
[8] 謝夢(mèng)圓，張軍，谷穩(wěn)，等.便攜式定量熒光免疫分析儀[J].儀表技術(shù)與傳感器，2014(12)：25-28.
[9] 劉翔，杜民，李玉榕，等.熒光免疫層析定量檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2013，27(9)：859-866.
[10] 李曉婷.熒光免疫試條定量檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[D].杭州：浙江大學(xué)，2014.
作者信息：
李國(guó)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(mén)大學(xué) 模擬與混合信號(hào)超大規(guī)模集成電路國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，澳門(mén)999078）