基于現(xiàn)場可編程門陣列的膠體金讀數(shù)儀

萬宇平　歐陽文波　賈芳芳　何方洋

(北京勤邦生物技術(shù)有限公司，北京 102206)

?

儀器研制與改進

基于現(xiàn)場可編程門陣列的膠體金讀數(shù)儀

萬宇平歐陽文波賈芳芳何方洋*

(北京勤邦生物技術(shù)有限公司，北京 102206)

摘要：研制了一種基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的膠體金讀數(shù)儀，由FPGA控制CMOS相機進行膠體金試紙條圖像的采集，通過一系列的算法分析搜索出檢測限位置并計算出灰度值，再通過膠體金試紙條的檢測值-濃度特征曲線實現(xiàn)定性和定量，最后將檢測結(jié)果通過GPRS無線網(wǎng)絡實時發(fā)送到遠程服務器。該儀器具有體積小，準確率高，操作簡單，重復性好等優(yōu)點，已成功應用于實際的監(jiān)管領(lǐng)域和食品生產(chǎn)企業(yè)。

關(guān)鍵詞：膠體金FPGACMOS攝像頭GPRS

1引言

膠體金試紙能夠快速、批量檢測食品中的有毒有害物質(zhì)，具有操作簡便、費用低廉、無需專業(yè)人員和大型儀器等諸多優(yōu)點[1-3]，但是實際應用中出現(xiàn)了一些問題：檢測結(jié)果難以量化，需手動記錄結(jié)果，光線強弱和人員差異都會影響結(jié)果的判讀，較難溯源等[4-6]。因此，針對以上出現(xiàn)的問題，應運而生了配合膠體金試紙判讀的讀數(shù)儀，該類儀器不僅保持了膠體金試紙原有的優(yōu)勢，而且還克服了其缺點，實現(xiàn)了自動判讀、記錄檢測結(jié)果等功能[7，8]。本項目研制的膠體金讀數(shù)儀就屬于該類儀器中的一種智能化便攜式儀器，能夠通過物聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)、溯源，利于食品安全監(jiān)管工作的順利開展。目前，該儀器已成功應用于實際的監(jiān)管領(lǐng)域和食品生產(chǎn)企業(yè)。

2系統(tǒng)組成及工作原理

該系統(tǒng)主要包括：現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)主控核心CPU、射頻模塊、時鐘管理模塊、薄膜按鍵板、FLASH存儲器、SD卡模塊、LED照明光源、內(nèi)置高清CMOS相機、試紙條圖像采集模塊、熱敏打印機、WIFI模塊、GPRS模塊和TFT彩屏顯示器。

系統(tǒng)的工作原理是由FPGA作為主控芯片，通過采集時鐘信號、幀同步、行同步等信號，有序采集圖像數(shù)據(jù)，在主從控制器、讀寫控制器、同步控制器的協(xié)同控制下，通過數(shù)據(jù)緩沖器乒乓操作，控制CMOS相機進行試紙條圖像的采集，在NiosⅡ軟核處理器的控制下，提取目標圖像區(qū)域數(shù)據(jù)進行進一步的數(shù)據(jù)計算處理，確定C,T線位置，最終得出C,T線光檢值。并有相應的標準曲線測算出濃度。

3系統(tǒng)圖像處理的實現(xiàn)

FPGA內(nèi)部分為硬核邏輯功能和軟核CPU控制功能，硬核部分支持圖像采集處理存儲，軟核運行32位NiosⅡ快速處理器CPU，主頻100MHz，完成圖像數(shù)據(jù)分析與處理任務之外，控制協(xié)調(diào)外圍部件：TFT液晶顯示、時鐘電路、熱敏打印機、GPRS模塊等驅(qū)動與控制。

圖1膠體金讀數(shù)儀圖像處理流程圖

首先采集N幅圖像窗口有效區(qū)域300×50像素的圖像PN[300,50]，進行均值濾波算法，把N幅圖像壓縮成一幅圖像NewP[300,50]；將新的圖像結(jié)合照明補償系數(shù)逐個點相乘獲取補償后的二維圖像數(shù)組Gray_NewP[300,50]；下一步進行歸一化處理，將50行做均值處理，獲取一維數(shù)組QX_ Gray_NewP[300,1]，根據(jù)該一維數(shù)組顯示為一條檢測區(qū)域灰度分布曲線，如圖2所示。

圖2　灰度化校準數(shù)據(jù)曲線示例

由圖2可以看出曲線中有2個明顯的波谷，這就是所要提取的C，T線值。

4系統(tǒng)硬件設計

4.1FPGA主控核心設計

FPGA核心主控芯片最小系統(tǒng)電路、雙SDRAM緩存模塊，F(xiàn)LASH數(shù)據(jù)存儲模塊，外置晶振電路，CMOS相機圖像傳感器電路、電源管理模塊，選用美國ALTERA公司生產(chǎn)Cyclone Ⅳ系列的芯片EP4CE30，此芯片屬于現(xiàn)場可編程陣列芯片，內(nèi)部有豐富的可編程邏輯資源，可以通過硬件描述語言就像電子積木一樣，方便的創(chuàng)建集成電路，實現(xiàn)豐富多樣的邏輯電路，而且該類FPGA芯片集成Nios○RⅡ 32位軟核IP處理器實現(xiàn)控制層應用，可以實現(xiàn)單芯片集成復雜邏輯資源的控制功能，適用于圖像采集和處理系統(tǒng)應用。

EP4CE30這款芯片采用經(jīng)過優(yōu)化的60nm低功耗工藝，Cyclone Ⅳ E FPGA拓展了前一代Cyclone Ⅲ FPGA的低功耗優(yōu)勢。最新一代器件降低了內(nèi)核電壓，與前一代產(chǎn)品相比，總功耗降低了25%。主控制芯片是整個控制系統(tǒng)的核心，負責完成圖像數(shù)據(jù)采集存儲、處理，并控制所有外設的協(xié)調(diào)工作。FPGA芯片豐富的內(nèi)部資源和高集成度，大大提高了系統(tǒng)的集成度和穩(wěn)定性，降低了設備的體積。

4.2圖像采集模塊設計

圖像采集模塊由CMOS圖像傳感器單芯片組成，接口由SCCB協(xié)議控制數(shù)據(jù)串口、數(shù)據(jù)12bit并口組成，Nios Ⅱ處理器通過串口發(fā)送控制配置命令發(fā)送給傳感器芯片，傳感器芯片輸出幀頻圖像邏輯信號，F(xiàn)PGA內(nèi)部采集邏輯電路在時序邏輯電路的配合下，乒乓操作SDRAM存儲器，有序采集圖像數(shù)據(jù)并緩存在Flash，完成單幅圖像的采集，圖像采集光路系統(tǒng)示意圖如圖3所示。樣機系統(tǒng)的圖像采集部分由暗室光密閉模塊、試紙條插卡槽、環(huán)形勻光LED光源、高清相機鏡頭、高靈敏度面陣CMOS圖像芯片組成。光照度均勻更能保證圖像的真實性，獲得良好的數(shù)據(jù)重復性。

圖3　圖像采集光路系統(tǒng)示意圖

4.3電源管理模塊設計

電源管理模塊，把鋰電池或者外接電源提供的5V/2A電源進行濾波穩(wěn)壓處理，轉(zhuǎn)換成5路電源，其中3路：5.0V、3.3V、2.5V給FPGA主控芯片供電，一路5.0V給CMOS相機供電，一路5.0V給串口熱敏打印機和GPRS模塊供電。熱敏打印機在工作時瞬間電流能達到1.2A以上，GPRS模塊瞬間工作電流峰值達到500mA以上，給圖像采集電路帶來干擾，因此需要單獨電源隔離和濾波，經(jīng)過處理，可以排除電流突變帶來的干擾，實現(xiàn)鋰電池供電時也可以穩(wěn)定采集圖像得到滿意的數(shù)據(jù)。穩(wěn)定可靠的電源管理系統(tǒng)為整機的穩(wěn)定性提供了可靠的動力系統(tǒng)。

4.4GPRS模塊設計

本設計采用上海移遠的M35 GPRS模塊，該模塊通過串口與PFGA主芯片通訊交互數(shù)據(jù)，SIM卡與外部GSM移動網(wǎng)絡通信實現(xiàn)移動網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交互。GPRS模塊具有功耗低，傳輸穩(wěn)定，速度快，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，非常適合在沒有Internet網(wǎng)絡的情況下，通過GPRS網(wǎng)絡連接互聯(lián)網(wǎng)向遠程服務器傳輸檢測數(shù)據(jù)，可以隨時隨地檢測，大大提高設備的靈活性。該模塊設計有效地解決在沒有互聯(lián)網(wǎng)的情況下實現(xiàn)了向遠程服務器發(fā)送數(shù)據(jù)的功能。

4.5系統(tǒng)的模塊設計

系統(tǒng)需要外擴實時時鐘模塊來實現(xiàn)對當前時間與檢測時間記錄，外擴SD卡，記錄測試數(shù)據(jù)，外擴人機接口包括按鍵、彩屏TFT顯示和熱敏打印機等。這些外擴模塊提供了豐富的人機交互，較大地提高了設備的可操作性。

5實驗設計

5.1光檢值的測定

膠體金讀數(shù)儀分析原理是基于對顯色灰度深淺變化的檢測，因此對膠體金試紙條顯色檢測有著廣泛的通用性。

以克侖特羅殘留檢測試紙條為例，設計以下實驗內(nèi)容：配制6種濃度的克侖特羅豬尿樣品溶液，其濃度分別為0.0μg/L、0.1μg/L、0.5μg/L、1.0μg/L、2.0μg/L、3.0μg/L，每種濃度的豬尿樣品溶液分別用1個試紙條進行測試，連續(xù)測試10次，得到60個T線讀值；對60個光檢測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，計算光檢測平均值、標準偏差、CV值、最大偏差等。對檢測器的性能：光檢測結(jié)果階梯寬度、光檢測重復性、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性進行分析，以下列舉的性能比較內(nèi)容進行解釋。

光檢測結(jié)果階梯寬度：相鄰濃度的試紙條光檢測值的差，該差值越大，越利于膠體金試紙條試驗匹配。

光檢測重復性：對同一試紙條檢測N次,計算CV值，該值越低，重復性越好。

數(shù)據(jù)穩(wěn)定性：多次檢測數(shù)據(jù)，綜合評估檢測結(jié)果，CV值低，光檢測重復性好，表明數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好。試紙條重復性梯度測試數(shù)據(jù)匯總見表1。

顯色區(qū)域內(nèi)控制線顯色表示該試紙卡有效，檢測線T顯色深淺的變化代表著檢測溶液濃度的變化。待檢樣品溶液中克侖特羅的濃度越高，T線的灰度就越淺，圖像壓縮處理的曲線波谷就越淺，變異系數(shù)/線性相關(guān)系數(shù)比值也就越小。

5.2標準曲線的建立和測算

在實際膠體金試紙卡測試當中，必然采集大量的數(shù)據(jù)，需要對這些數(shù)據(jù)進行記錄、整理、計算和分析，從而尋找這些數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律，找到適合的擬合曲線算法，從而無限接近正確的結(jié)果。

曲線坐標的建立，通常以濃度自變量作為橫坐標(X軸)，以因變量-光檢值作為縱坐標(Y軸)，并注明坐標軸相應的單位。擬合曲線的標準是平滑的曲線，實驗數(shù)據(jù)坐標點均落在這條平滑的曲線上。

本設計采用的是兩點直線擬合，通過標定標準濃度而獲得標準曲線，就可以通過讀數(shù)儀在獲取光檢測數(shù)據(jù)的同時，得到相應的濃度值，從而實現(xiàn)定量測試。

6結(jié)束語

研制出了一種基于現(xiàn)場可編程門陣列的膠體金讀數(shù)儀，該設備體積小，重量輕，便于手持檢測，集成化程度高，集成了130W像素CMOS高清相機圖像采集進行快速分析處理、GPRS無線傳輸、彩色液晶屏界面顯示、穩(wěn)定光源照明等功能模塊與一體，可以滿足食品企業(yè)和監(jiān)管單位的應用需求。

參考文獻

[1] 何小維,趙喜紅,劉曉云,等. 膠體金快速檢測技術(shù)的研究進展[J]. 中國人獸共患病學報,2007,23(1): 86-88.

[2] 黃芬,葉紹輝. 免疫層析快速診斷試紙條的制備及其應用[J].當代畜牧,2006(8):20-22.

[3] 劉蕾,周蕾,黃立華,等. 基于一維CCD的免疫層析試紙條檢測系統(tǒng)[J].儀器儀表學報,2007,28(2):246-250.

[4] 汪曣,白玉潔,張艷超,等. 基于CCD的膠體金試紙條光電檢測儀器設計及實驗研究[J].傳感技術(shù)學報,2008(8):1370-1372.

[5] 程華,王樹志,陳晨,等. 新型膠體金免疫層析試紙條定量讀數(shù)儀的研制[J].讀數(shù)儀器,2013(1):7-11.

[6] 楊文濤,鄭立新,李書謙. 基于ARM系統(tǒng)的膠體金快速檢測儀的實現(xiàn)[J]. 自動化與儀表,2013(3):13-20.

[7] 江成彥,朱同林. 基于圖像特征的膠體金層析定量分析法[J]. 中國科技論文在線,2011,6 (10):770-774.

[8] 白玉潔. 膠體金試紙條的光電檢測儀器研制[D]. 天津大學,2008.

A colloidal gold readout instrument based on FPGA.WanYupingOuyangWenboJiaFangfangHeFangyang

(BeijingKwinbonBiotechnologyCoLtd.,Beijing102206，China)

Abstract：In this paper，we introduced a hand-held food safety analyzer based on FPGA. CMOS camera was controlled by FPGA to collect colloidal gold strip rapid test images，which could search the position of the detection limit by a series of algorithms and calculate the gray value. Then we could obtain qualitative and quantitative results by detection value-concentration characteristic curve of collecting colloidal gold strips. At last the results could be sent to remote server real-timely by GPRS wireless network. The analyzer with a high accuracy rate and good reproducibility is small and simple，which has been applied to supervisory realm and food production enterprises successfully.

Key words：Colloidal gold；FPGA; CMOS; camera; GPRS

收稿日期：2015-02-10

DOI:10.3936/j.issn.1001-232x.2016.01.002

作者簡介：萬宇平，男，1982年出生，工程師，碩士，研究方向：食品安全快速檢測技術(shù)。通訊作者：何方洋，男，1969年出生，高級研究員，博士，研究方向是食品安全檢測技術(shù)研究，E-mail：qinbangjia@163.com。

基金項目：(1)國家農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項目，基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)產(chǎn)品和飼料中毒素污染現(xiàn)場快速檢測溯源技術(shù)轉(zhuǎn)化與應用，合同編號：2014GB2A000266。(2)國家科技支撐計劃課題“現(xiàn)場快速檢測儀器與物聯(lián)網(wǎng)配套技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化示范”(2012BAF14B02)。