流式细胞仪数字信号采集系统的制作方法

本专利涉及流式细胞仪数字信号处理领域，特别涉及一种流式细胞仪数字信号采集系统。

背景技术：

流式细胞仪是一种集激光技术、电子物理技术、光电测量技术、电子计算机技术、细胞荧光化学技术和单克隆抗体技术为一体的新型高科技仪器。对悬液中处于高速、直线流动的单细胞或其他颗粒，通过检测散射光信号和(或)标记的荧光信号，实现高速逐一的多参数定量分析。在细胞生物学、细胞周期动力学、免疫学、血液学及肿瘤学等领域具有广泛的应用。

流式细胞仪对悬液中处于高速、直线流动的单细胞或其他颗粒，通过检测散射光信号和(或)标记的荧光信号，实现高速逐一的多参数定量分析。在细胞生物学、细胞周期动力学、免疫学、血液学及肿瘤学等领域具有广泛的应用。流式细胞仪实现前向散射光(FS)、侧向散射光(SS)及各色荧光信号(FLn)的收集及光电转换，并对转换后的脉冲信号进行多参数提取，最终根据提取得到的多参数实现对细胞/微球的统计学分析。

微光探测系统包括前向散射光检测电路板，侧向散射光电路板，PMT，分别收集前向散射光、侧向散射光、荧光，并将三种光转变为电信号，通过直流恢复模块去掉信号的直流分量，通过信号调理模块调节信号增益。微光探测系统输出信号，经过16路AD数据采集，然后参数提取、然后把各路提取的参数封装成相应的数据包，用PCIe总线上传到上位机处理器。此外还要完成数据采集卡底层模块与处理器数据的交互。

现在的计算机、嵌入式设备中大量使用的总线有PCI、CPCI、VME及它们的扩展，但是芯片性能提高以及更大带宽需求的特殊应用，高速串行总线越来越多的被采用。PCIe总线就是高速串行总线，第三代IO总线标准，串行总线的特点让PCB信号线减少，布线难度减小、布线性能提高、PCB空间利用效率更高、连接器尺寸更小，而且系统带宽也更高，这提高了设计灵活性，节约了系统成本。PCIe总线使用点到点互连技术，每一个PCIe终端都拥有独立数据连接，各个设备之间并发的数据传输相互独立，避免了其他设备干扰，在稳定性、带宽、可扩展性方面优势明显。

因此，需要一种能有效地对多路高速光信号采集，利用FPGA设计基于PCIe总线的流式细胞仪数字信号采集系统。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种对散射光及荧光信号进行数字处理的硬件装置，是一种能对多路高速光信号采集，利用FPGA设计基于PCIe总线的流式细胞仪数字信号采集系统，包括数据采集卡硬件部分和数据采集卡软件部分；其中数据采集卡物理硬件相同，可同时并行使用，在PC端用设备号区分。

所述数据采集卡硬件部分还包括：

两块FPGA最小系统，实现数据采集卡上FPGA最小系统，通过FPGA控制各个底层模块的功能；

各路电源模块，为数据采集卡提供供电电源及校准电源；

AD采样模块，采用16路AD数据采集；

校准信号模块，包括16位DA模块、直流DAC模块，用于产生校准信号校准微光探测系统的信号调理电路；

电源管理模块，即监控数据采集卡的电压；

PMT接口，控制PMT的信号输出；

信号增益接口，通过增益接口控制微光探测系统输出信号增益；

前面板显示接口，前面板部分通过SPI总线部分和数据采集卡连接；前面板模块用来显示流式细胞仪的工作转态，主要包括光路部分，液路部分及数据采集部分信息，流式细胞仪的操作者可以通过前面板上显示的信息了解流式细胞仪的工作是否正常；

PCIe总线接口，用于数据传输。

所述数据采集卡软件部分包括：

AD数据采集部分，即多增益AD数据采集；

参数提取部分；

PCIe数据数据传输部分，包括PCIe接口部分，所述PCIe接口部分采用PCIe总线，X4模式，还包括Salve从模块程序和DMA数据传输接口程序；

控制命令交互部分，完成数据采集卡底层模块与处理器数据的交互。

所述FPGA系统，采用16路高速数据采集模块同时工作。

所述PCIe接口部分采用PCIe总线，X4模式，还包括Salve从模块程序，即IO读写模块的设计，DMA数据传输接口程序，所述DMA数据传输接口程序包括DMA数据命令的识别与DMA写状态机的实现。

所述多增益AD数据采集包括直流恢复模块、1倍放大和16倍放大模块和AD转换器；所述直流恢复模块用于将电信号中的直流分量去除，所述1倍放大和16倍放大模块用于将信号的幅值放大到一个合适的范围，所述AD转换器用于将放大后的模拟信号转化为数字信号，最后进入FPGA进行处理。

本发明的有益效果在于提供一种能对多路高速光信号采集，利用FPGA设计基于PCIe总线的流式细胞仪数字信号采集系统

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示意性示出数据采集卡功能结构图。

图2示意性示出FPGA控制系统，左(a)为FPGA系统传统架构，右(b)为最新FPGA系统控制架构。

图3示意性示出多增益AD数据采集。

图4示意性示出校准模块框图。

图5示意性示出数据采集卡电源模块图。

图6示意性示出数据采集卡端口模块图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

一种对散射光及荧光信号进行数字处理的硬件装置，是一种能对多路高速光信号采集，利用FPGA设计基于PCIe总线的流式细胞仪数字信号采集系统，包括数据采集卡硬件部分和数据采集卡软件部分；其中数据采集卡物理硬件相同，可同时并行使用，如图1所示，在PC端用设备号区分。

所述数据采集卡硬件部分还包括：两块FPGA最小系统，各路电源模块，AD采样模块，校准信号模块，电源管理模块，PMT接口，信号增益接口，前面板显示接口，PCIe总线接口。所述数据采集卡软件部分包括：AD数据采集部分，即多增益AD数据采集，参数提取部分，PCIe数据数据传输部分，控制命令交互部分。

本发明中数据采集卡硬件部分使用FPGA系统，所述FPGA系统有16路高速数据采集模块同时工作，实现PCIe总线传输。如图5、6所示，图5为电源模块，整个电路板的输入电压为+6v和-6v，电源模块将其转换为+3.3v,+3v,+2.5v,+1.2v供给其他模块；图6为数据采集卡端口模块图，有两块FPGA，其中16路AD将转换后的数字信号送入XC6SLX100进行处理，然后XC6SLX100将处理后的数据传到EP4CGX50CF23I7，最后，EP4CGX50CF23I7通过PCIe接口将数据传到上位机，说明FPGA系统的使用可以简化系统设计；如图2所示，图2(a)为传统的控制系统设计，(b)为最新的下一代控制系统设计，比较可知，FPGA系统使用了更少的器件，控制降低BOM成本，维持或增强系统功能，增强了系统的可靠性。采用FPGA作为主控制器，所述FPGA设计灵活，内部资源多，可根据需要配置IO管脚的电平标准，保密性好。

所述PCIe接口部分采用FPGA硬核，基于Altera公司Cyclone IV GX系列EP4CGX50CF23I7FPGA芯片，这一系列的FPGA继承了硬核收发器PCIe、DSP、主流的3G串行I/O协议，其中采用两路电源稳压器，能降低系统总成本；在QuartusII软件环境下，采用PCIe硬核进行应用层算法设计。

所述AD采样模块，其中模/数转换芯片(AD)的位数和速度决定了数字信号的精度，流式细胞仪的速度指标是每分钟分析10万个细胞，采用双激光六色，即有两个激光器作为激发光源，最多可测六路荧光信号，外加前向侧向信号，数据采集卡需要同时处理8路信号。

如图3所示为多增益AD数据采集框图，所述多增益AD数据采集包括直流恢复模块、1倍放大和16倍放大模块和AD转换器，弱光探测系统将散射光和荧光信号转变为电信号，接着直流恢复模块将电信号中的直流分量去除，再经过1倍放大和16倍放大模块，将信号的幅值放大到一个合适的范围并被AD转换器由模拟信号转化为数字信号，最后进入FPGA进行处理。对于每一路信号，待测样品中含有体积不同、大小不同的多种微粒，流动室中的细胞可能有很多种种类的细胞，此种电路设计能很好的区分更大动态范围里的细胞或者颗粒；

FPGA系统通过控制多路器将校准信号接入微光探测系统通过信号调理，经过AD采样后进行校验。

如图4所示为校准模块框图，所述校准模块用于校验微光探测系统的信号调理电路，对精度要求较高，包括16位DA模块、直流DAC模块和十进制衰减器；所述16位DA模块用于产生高精度信号，所述直流DAC模块用于控制信号的峰值；在FPGA系统中例化ROM存入相关波形信号，模拟微光信号；所述直流DAC模块后面连接有十进制衰减器，通过FPGA系统控制输出信号的强度，输出信号。

所述PCIe数据数据传输部分，其中PCIe接口部分设计直接影响数据采集卡性能。所述PCIe接口部分采用PCIe总线，X4模式，理论带宽可以达到1GB/S。PCIe总线的扩展性很好，能同时使用多块数据采集卡并行工作。对于流式细胞仪来说，升级时仅需替换跟流式细胞仪性能密切相关的AD等器件，数据采集卡的硬件和程序几乎不变。目前最新的PC机中PCI总线接口减少，却预留了足够多的PCIe接口，PCIe接口可供数据采集卡直接使用，减少成本。

所述PCIe接口部分还包括Salve从模块程序，即IO读写模块，在这种模式下，处理器通过向数据采集卡发送IO读写命令控制PCIe数据采集卡的各种控制、状态寄存器。处理器也通过这种模式，控制各种底层模块，实现数据采集卡各部分的协调配合。

所述PCIe接口部分还包括DMA数据传输接口程序，所述DMA数据传输接口程序包括DMA数据命令的识别与DMA写状态机的实现；为了让处理器(PC)在数据传输时仍然能够处理其他部分功能，在数据采集卡中设计DMA功能[28-33]，处理器(PC)直接控制数据采集卡，数据采集卡就是一个设备。数据采集卡工作时，采集的数据缓存满了之后发送一个中断信号通知处理器，处理器处理中断，确认是数据采集卡后，发起DMA控制命令，数据采集卡根据这些控制命令，通过设计状态机，完成DMA数据包的发送。

综上，所述PCIe接口部分的设计主要实现两个方面的功能：

(1)数据采集卡处理数据，及时上传到处理器，供处理器算法调用；

(2)处理器实时对数据采集卡的各种寄存器进行读写访问，控制采集卡底层模块的功能。

微光探测系统输出信号，经过16路AD数据采集，然后经过参数提取算法把各路提取的参数封装成相应的数据包，用PCIe总线上传到上位机处理器。此外还要完成数据采集卡底层模块与处理器数据的交互。参数提取数据通过PCIe总线上传到处理器，处理器同时实时监控数据采集卡的工作转态，能够随时读写PCIe数据采集卡。

本发明提供一种对散射光及荧光信号进行数字处理的硬件装置，是能对多路高速光信号采集，使用FPGA系统并设计PCIe总线传输的流式细胞仪数字信号采集系统。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。