基于FPGA和STM32的流式細胞儀數據采集系統設計

(廣西師范大學 電子工程學院，廣西 桂林 541004)

0 引言

流式細胞術已成為分子生物學、醫學、免疫學、病理學、植物生物學、海洋生物學等眾多領域中一種高速、高靈敏度分析熒光信號的研究方法[1]。流式細胞儀擁有同步采集、多參數細胞分析的優點，可以快速全面的檢測大細胞群。其硬件與試劑的共同發展使其能夠實現對單個細胞的多參數分析，這對流式細胞儀的數據采集能力提出高速、高精度、多通道的要求。傳統的多通道數據采集系統大多數是靠模數轉換(ADC)芯片的多通道分時復用實現，此方法難以實現同步和高速高精度采集[2]。此外，還有使用數據采集卡的方法，但其核心技術不公開，無法針對具體需求修改和升級，而且集成度不高，價格昂貴，后期維護不便。

本文設計了一種基于FPGA和STM32控制的模數轉換多通道數據采集系統，采用多片雙通道ADC芯片并行采集。FPGA給各ADC芯片提供驅動信號控制數據采集，并對采集到的信號識別處理，實時緩存。STM32從FPGA上讀取數據后，經網口高速傳輸至上位機作下一步分析處理。這一方法既保證了整個數據采集系統的同步性，又達到了高速高精度的要求，還可以根據數據采集需求的變化及時修改軟硬件設計，滿足系統需求。

1 系統結構及原理

流式細胞儀多通道數據采集系統主要由數據采集和數據傳輸兩部分組成。數據采集部分主要由光電探測器、信號調理放大模塊和模數轉換器(ADC)組成，由FPGA對采集部分進行控制，并且實現數據識別處理，STM32單片機對數據傳輸部分進行控制。系統的總體結構圖如圖1所示。

流式細胞儀的采集通道根據光信號性質的不同可以分為散射光通道(FSC、SSC)和熒光通道(FL1～FL7)共計9路通道，因此本系統采用5片雙通道ADC同步采集。光信號經過多路光電探測器后轉變為微安級模擬電流信號，經過調理放大電路進行I/V轉換、放大濾波，形成的模擬電壓信號由ADC轉換為數字信號傳送給FPGA。通過FPGA實現識別處理，將脈沖參數數據通過FMC總線傳送給STM32，最終由STM32通過網口發送給上位機進行處理分析。系統采用FPGA給每個通道提供統一的采樣時鐘來保證通道間的同步性，并且對ADC芯片的工作模式進行上電配置。為了實現彩虹微球8峰的測量，熒光探測的動態范圍應達到104。而流式細胞儀探測通道量不能低于10 000個細胞每秒，就必須要求每個通道的同步采樣速率不應該低于5 MSPS[3]。并且儀器性能需要達到國家標準，即熒光檢出限應小于200 MESF(Molecules of Equivalent Soluble Fluorochrome),熒光強度線性相關系數(r)應大于0.98。

2 系統硬件設計

信號采集是流式細胞儀控制的中心，也是后續數據傳輸和處理的基礎[4-6]。本系統采用多通道同步ADC高速高精度的方式實現信號采集，信號采集部分主要由I/V轉換、程控放大、差分濾波、模數轉換器(ADC)、FPGA組成。光信號通過光電轉換后，經由I/V轉換成模擬電壓信號，經過程控放大、差分濾波后模數轉換成數字信號作處理。由FPGA實現對ADC的驅動控制和對DDR3進行讀寫控制，并對細胞脈沖識別和細胞原始脈沖數據存儲以及與STM32進行數據交互。數據采集流程框圖如圖2所示。

圖2 數據采集流程框圖

2.1 信號調理電路設計

如圖3所示調理放大電路，為了能夠采集光電探測后的微弱電流信號，須對其進行I/V轉換，即將電流轉變為電壓。電路中采用控制簡單、動態范圍大且線性度好的反向放大電路作為次級放大電路，且在進行I/V轉換的同時還能對電壓信號進行放大。R4與C3組合成RC濾波電路，起到耦合隔離、濾波的作用。程控放大電路通過調節DAC內部的阻抗以改變電壓的放大倍率，DAC內部結構實質是電阻網絡，當上位機對DAC進行配置時，即配置DAC內部不同的電阻組合。將DAC內部電阻與運放U4組合在一起構成反向放大電路以改變放大倍數，即實現上位機對底層模擬放大電路的增益可調的效果。

圖3 調理放大電路

在微弱電壓信號經過程控放大后，對其進行差分濾波，可起到去除部分共模噪聲的作用。C5和C6起到了隔直流的作用，R5、R6、C7給ADC提供驅動電壓，R7和C8、R8和C9組合成RC濾波電路，達到耦合隔離、濾波的效果，以提高信號采集的精確度。差分濾波電路如圖4所示。

圖4 差分濾波電路

2.2 模數轉換模塊設計

從流式細胞儀數據采集系統的設計需求可知，ADC芯片的采樣速度以及精確度對系統來說至關重要。本系統采用的是ADI公司的LTC2181型號芯片。該芯片模數轉換精度為16 bit，支持雙通道同步采樣，最高采樣頻率為40 MSPS,支持SPI編程控制最高SNR為77 dB，因此可以滿足設計需求[7]。LTC2181的數據采集轉換時序如圖5所示。

圖5 LTC2181的數據采集轉換時序圖

本系統采用LTC2181芯片雙通道COMS輸出，根據其接口時序可知，FPGA的接口上只需要控制采樣時鐘信號ENC，反饋時鐘信號CLKOUT和輸出數據信號D1_0_1…D_1_14_15、D2_0_1…D2_14_15，超限信號OF2_1。ADC工作中，ENC+信號的上升沿觸發ADC采集數據，并將16 Bit數據的偶數位由輸出數據信號管腳輸出；在ENC+信號的下降沿觸發，由輸出數據信號管腳輸出奇數位。同時輸出的超限信號OF2_1在ENC+在高電平時代表第二通道的數據是否有效(高電平無效)，在ENC+在低電平時代表第一通道的數據是否有效(低電平有效)。CLKOUT信號可以在程序中用來鎖存上述輸出管腳的數據。由數據手冊可知，ENC信號的最高采樣頻率可以達到40 MSPS，明顯高于系統需求5 MSPS。

為驗證采集系統時序的正確性，利用嵌入式邏輯分析儀(SignalTap Ⅱ Logic Analyzer)對LTC2181數據采集的結果進行測試，驗證電路的行為和設計意圖，如圖6所示[8]。

圖6 嵌入式邏輯分析儀驗證結果

圖6對LTC2181數據采集模塊進行驗證，模擬電壓信號經過放大濾波之后輸出至LTC2181的輸入端，并把十六位數字信號和轉換控制信號連接到FPGA的GPIO接口，所采集的信號經過調理處理，最終轉換的幅值在0.9 V左右，滿足LTC2181的輸入范圍。經過測試采集到的數字信號以二進制補碼編碼，并且以16進制顯示。

2.3 FMC接口電路設計

FPGA采用的是Intel公司的5CEFA4F23C8型號芯片，該型號屬于CYCLONE V系列，具有49 K邏輯門，484管腳BGA封裝，224個IO口,滿足系統控制的需求。此外，系統選用的是ST公司的STM32F429型號單片機作為數據傳輸控制芯片。FMC是STM32F4系列采用的一種新型的存儲器擴展技術，擁有6個存儲區域，每個區域支持256 MB的尋址空間[9]。因此，可以將FPGA用作STM32F429的外部SRAM來配置，通過擴展出的數據總線、地址總線、控制總線來實現操作，這樣既能保證有較快的操作速度，又具有很高的靈活性。FPGA與STM32接口硬件連接圖如圖7所示。

圖7 FPGA與STM32接口硬件連接圖

將FPGA直接掛載到STM32的FMC總線上，FMC提供了4個Bank用于連接不同的外部存儲器。FMC_NE1是Bank1第一區的片選信號，FMC_RD和FMC_WR分別為接口的讀寫信號。根據所設計要求，數據位寬為32位，地址位寬為16位，將數據線[31:0]，地址線[15:0]連接到FPGA的I/O端口，這樣FPGA就作為STM32的外設接入，可以通過儲存器讀寫指令訪問FPGA。FPGA采集到細胞信號，將INT0拉高產生中斷信號通知STM32，STM32開始讀取9路數據信號，讀到一個細胞的9路數據之后，STM32通過網口發送給上位機。當FPGA拉低INT0時，STM32停止讀取數據，一旦FPGA將INT1拉高，通知STM32計數完成。

FMC接口能夠及時將數據傳輸給STM32，STM32將數據通過網口上傳至上位機分析處理。同時STM32通過FMC接口轉發上位機指令給底層模塊，實行對數據采集卡的各種寄存器和電路的某些狀態進行訪問，從而控制數據采集系統的底層模塊。

3 系統軟件設計

3.1 信號采集

細胞脈沖信號的采集系統采用了FPGA和STM32組合的方式，兩種核心器件發揮各自的優點，避免單一芯片在采集與處理數據上的局限性[10]。FPGA擁有靈活的邏輯可操作性，STM32擁有豐富的外設功能和數據傳輸能力，能夠高效快捷的完成信號的采集傳輸，信號采集軟件流程如圖8所示。

圖8 信號采集軟件流程

3.2 脈沖信號識別

數據采集到的模擬電壓信號經過模數轉換，傳至FPGA進行脈沖數據識別。FPGA在內部時鐘的驅動下按照一定時序讀取與LTC2181連接IO口的電平，通過對一段時間連續輸入值的變化趨勢判斷出上升沿和下降沿。取上升沿與下降沿區間內的最大值作為細胞脈沖信號的峰值，從出現上升沿到下降沿結束的時間與采集到的所有數據，分別作為脈沖信號的寬度和面積。FPGA把識別到的參數緩存到FIFO，然后定量批次輸出。

3.3 數據傳輸通信

在整個計數和數據傳輸過程中，上位機發送開始計數命令，下位機STM32收到命令后，返回ACK信號給上位機。上位機接收到ACK信號后，STM32發送命令至FPGA啟動ADC開始計數并且控制液路控制板開始形成鞘流。FPGA實現數據的采集，STM32讀取采集到的數據信號并不斷發送數據包給上位機。一旦上位機發送結束指令，STM32停止發送數據，并且發送指令給FPGA停止計數，上位機對接受到的數據進行分析處理。STM32與上位機之間的數據傳輸流程如圖9所示。

圖9 數據傳輸流程

4 實驗結果與分析

4.1 八峰測量驗證

為了驗證設計應用于流式細胞儀的數據采集系統的有效性，實驗中利用Spherotech公司的8峰彩虹微球來對系統進行性能評估。8峰彩虹微球(RCP-30-5A)是尺寸一致但攜帶八種不同數量級熒光探針的粒子，經過激光照射后會激發出八種不同的熒光強度。采用八峰試劑測量后，FL1熒光通道的對數直方圖如圖10所示。

圖10中橫坐標表示熒光強度，縱坐標表示粒子數，熒光探測的動態范圍能達到106。由圖10可知，儀器能較好的分出八種攜帶不同數量級熒光探針的微球。1～8峰之間能明顯區分且噪聲毛刺較少。因此，本文所設計的數據采集系統滿足采樣高精度的要求，同時具有足夠大的動態范圍且高于系統需求104，能夠分辨更大數量級范圍內熒光強度。

圖10 8峰彩虹微球測試圖

4.2 熒光檢出限及熒光線性驗證

為了進一步定量驗證儀器性能，根據實驗數據計算出熒光檢出限以及熒光線性，以此判斷數據采集的精確度。采用彩虹八峰微球試劑上機測試，得到圖10中1～8峰的平均熒光強度CH，微球說明書中提供2～8峰的等量可溶性熒光分子(MESF)數的參考值[11]。將2～8峰的平均熒光強度和等量可溶性熒光分子數分別取對數作線性回歸，空白微球處(1峰)的MESF就是熒光檢出限。根據線性回歸計算出相關系數(r),可以得出熒光線性。測試數據如表1所示。

表1 熒光檢出限及熒光線性數據表

根據表1中2～8峰的LogCH值與LogMESF值得到線性回歸圖11。如圖11所示，可以計算得到線性回歸方程式，如下:

y=0.8928x+0.6186

(1)

式中，x為平均熒光強度的對數LogCH、y為等量可溶性熒光分子數的對數LogMESF。

由(1)式可得到空白微球處(1峰)的LogMESF等于1.855 450 188，則儀器熒光檢出限約為101.874 824 3 MESF。通過計算得到相關系數的平方(r2)為0.991 5，則熒光線性(r)約為0.995 740 93。

圖11 線性回歸圖

根據流式細胞儀國標可知，熒光檢出限應小于200 MESF,熒光強度線性相關系數(r)大于0.98。因此，實驗證明采集的數據能達到國家標準要求，且系統測試效果較好，本文所設計的數據采集系統具有良好的線性度、靈敏度，能夠滿足流式細胞儀微弱信號的采集標準。

5 結束語

流式細胞儀的快速全面檢測樣本需求導致其對數據采集能力提出高速、高精度、多通道同步的要求。本文設計了一種基于FPGA和STM32控制的模數轉換多通道高速高精度數據采集系統，采用多片雙通道ADC芯片并行采集，采集速率最高可達到40 MSPS，實現了對光電轉換后的細胞脈沖電信號的采集和傳輸。采用彩虹八峰微球上機測試，實驗數據表明，儀器能較好的分出八種攜帶不同數量級熒光探針的微球且具有足夠大的動態范圍，熒光檢出限為101.874 824 3 MESF，熒光線性為0.995 740 93，均能達到國家標準要求且測試效果較好。經實際應用該系統能滿足流式細胞儀數據采集高速高精度的要求，在醫療電子儀器設計領域具有廣闊的應用前景。