面向海量loc信号处理的多通道并行检测系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及多通道并行检测系统，具体地，涉及一种面向海量L0C信号处理的多通道并行检测系统。
【背景技术】
[0002]微流控芯片，也称芯片实验室(Lab-on-Chip，L0C)，被认为是21世纪最重要的前沿科学技术之一，该芯片装置可在一块几平方厘米的微流控芯片上，构建出复杂的微通道网络，并对其中的流体(样品或试剂)进行准确的操纵和控制，完成不同的生物或化学反应过程，可在短时间内分析大量的生物分子，准确获取样品中的大量信息，信息量是传统检测手段的成百上千倍，已经在化学、医药及生命科学等领域上造成革命性的冲击。
[0003]L0C同样成功于生物领域。从1990年代进入21世纪，许多优秀成果被转化为了有实际应用的产品，如光学生物传感器。为了提高光学生物传感器的灵敏度，研究者提出使用多孔材料来增加表面积。引入多孔材料后，可以附着更多的分子，使有限的衰减波能量与更多的分子相互作用，从而提高了灵敏度。
[0004]尽管多孔硅微谐振腔光学生物传感器已得到广泛的应用，但是目前的研究主要是偏向于面向不同应用的多孔硅微谐振腔的设计与加工，申请号为201080022885.5的发明专利公开了一种控制片上实验室系统中流体流的工艺设备，申请号为201080022886.X的发明专利公开了一种阀和一种用于操纵阀的方法。此类传感器采集的数据量较小，数据的检测和分析都是在传感器本地完成的。
[0005]另一方面，基于FPGA的信号处理系统也得到广泛研究，如申请号为201010165660.7的发明专利公开了一种对心电信号进行处理的基于FPGA的平台，可有效提升信号处理能力，申请号为201010135630.1的发明专利公开了一种基于FPGA的可重构信号处理板，提高吞吐量。但是，已有的发明未能应对海量信号处理的需求。
[0006]从未来发展的角度来看，随着多孔硅微谐振腔光学生物传感器的设计和制备技术的成熟，其一定会被广泛地应用于环境监测、生物医学检测等领域。在对环境的实时监测如水质监测以及远程医疗检测这样的应用场景中，需要采用大量的传感器，并会产生海量的待检测信号数据，同时传感器端可能不具备数据的处理和分析能力。
【发明内容】
[0007]针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于:提供一种面向海量L0C信号处理的多通道并行检测系统，利用基于FPGA的信号加速器有效并且高效地应对海量信号的处理需求。
[0008]实际的应用场景中，例如实时环境监测以及远程医疗检测，将产生海量的信号，并且传感器端不一定具备本地的数据处理和分析的能力。此外，在海量数据的背景下，传感器数据之间分离独立的特征检测分析只能得到有限的信息，而数据之间存在的潜在规律和联系往往是关键。本发明就是基于这样的应用背景来设计和实现的。该系统将数据的采集和处理分离，具有良好的通用性、可扩展性以及计算效能，并为后续进一步数据的分析和处理如数据关联分析提供便利与支持。
[0009]根据本发明提供的一种面向海量L0C信号处理的多通道并行检测系统，包括如下装置:
[0010]客户端:用于对多孔硅微谐振腔传感器及光谱仪采集到的数据进行打包处理，得到数据包作为待检测数据；
[0011]主机:用于将来自多个客户端的待检测数据依次串行传输给信号处理加速器进行信号特征的检测，并将信号处理加速器得出的检测结果反馈给对应的客户端；
[0012]信号处理加速器:用于对所述待检测数据进行信号特征的检测。
[0013]优选地，客户端向主机上传待检测数据之前，先上传待检测数据对应数据包的数据长度，主机在接收到数据长度后向客户端返还该数据长度；客户端在接收到主机返还的正确的数据长度后才开始上传待检测数据；主机端在接收完待检测数据后将实际接收到的数据长度与客户端上传待检测数据之前上传的数据长度是否一致来检测待检测数据的完整性，若一致则认为客户端上传的待检测数据是完整的，否则，认为是不完整的；若发生待检测数据是不完整的，则主机要求客户端重传待检测数据。
[0014]优选地，所述信号处理加速器通过现场可编程门阵列FPGA实现，所述信号处理加速器包括PCI Express Endpoint模块、数据FIFO、任务分配模块、特征检测模块、检测结果写回仲裁器以及结果FIFO;
[0015]所述PCI Express Endpoint模块，即PCI Express终结点模块，用于负责主机与信号处理加速器之间的通信，接收主机传来的数据并将主机传来的数据写入到数据FIFO中；
[0016]所述数据FIF0，即数据先入先出队列，是PCI Express Endpoint模块与任务分配模块间的数据传输接口；
[0017]所述任务分配模块，用于为每一组待检测数据寻找一个空闲的特征检测模块来进行数据的信号特征的检测处理；
[0018]所述特征检测模块，用于对数据进行谐振谷的检测，得到检测结果；
[0019]所述检测结果写回仲裁器，用于使特征检测模块有序地将检测结果写入到结果FIFO中，避免出现竞争；
[0020]所述结果FIF0，即结果先入先出队列，用于作为PCI Express Endpoint模块与特征检测模块组之间的数据接口。
[0021]优选地，一组待检测数据在信号处理加速器内的处理流程如下:
[0022]当数据从主机传输到信号处理加速器后，PCI Express Endpoint模块将接收到的数据全部一次性写入到数据FIFO中，数据将在数据FIFO中等待；如果有空闲的特征检测模块，则数据将由任务分配模块从数据FIFO中读出，并传输给空闲的特征检测模块；特征检测模块对数据进行谐振谷的检测，产生检测结果后向检测结果写回仲裁器递交对结果FIFO的写请求，在得到授权后将检测结果写入到结果FIFO中；PCI Express Endpoint模块从结果FIFO中读出检测结果，并将检测结果传给主机。
[0023]优选地，每个特征检测模块会输出一个有效信号valid来表征自身当前的工作状态 state ；
[0024]当特征检测模块输出的有效信号valid为1时，表示该特征检测模块处于空闲状态，能够接受待检测数据；
[0025]当特征检测模块输出的有效信号valid为0时，表示该特征检测模块正在进行数据的特征检测，不能接受待检测数据；
[0026]任务分配模块的数据处理任务分配机制是:当PCI Express Endpoint模块与任务分配模块之间的数据FIFO不为空时，表明当前有数据需要进行特征检测，任务分配模块就对特征检测模块组的工作状态state从最高位到最低位进行轮询，找到第一个为1的那位，则该位对应的特征检测模块读取数据FIFO中的数据；
[0027]其中，所述特征检测模块组由所有特征检测模块构成，具体为，特征检测模块组的工作状态state是一个N位的二进制数，其中N是特征检测模块的个数，特征检测模块组的工作状态state是由所有特征检测模块的有效信号valid所组成的，特征检测模块组的工作状态state的每一位对应了一个特征检测模块。
[0028]优选地，所述数据包的包头中包括客户端ID号，其中，客户端ID号用于主机向客户端返还结果数据时判别出结果数据的归属客户端。
[0029]与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果:
[0030]1、本发明设计了一种面向海量L0C信号处理的多通道并行检测系统，并利用FPGA作为数据处理加速单元来实现并行高速的计算。系统可以处理具有不同数据长度和信噪比的待检测数据，具有良好的适用性。同时整个系统还有良好的可扩展性以及计算效能。此夕卜，基于云的系统能为将来可能的海量数据的存储提供支持。
[0031]2、信号处理加速器采用一种基于FIFO的流式结构。这种结构有别于传统的嵌入式系统的结构，没有处理器、大容量内存以及总线，节省了大量片内硬件资源，为用户逻辑的设计提供了更大的空间。此外，信号处理加速器具有良好的可扩展性，随着PCI ExpressEndpoint数据传输带宽的增大，加速器内可以集成更多的特征检测模块来使得吞吐率保持最优的状态。
[0032]3、海量数据特征检测模块是动态可配置的，具有良好的适用性。海量数据特征检测模块并不是为某种特定数据长度和信噪比的数据实现的，它适用于不同数据长度的待检测数据。在系统运行过程中修改配置寄存器，设置不同的降