CN106290943B - 一种流式细胞仪总线控制装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种流式细胞仪总线控制装置，其特征在于：包括传感器单元、数据采集单元、PCI‑E接口单元、下位机接口单元、主控单元及上位机数据接收单元。该传感器单元将接收到的光信号按照一定的对应关系转换为电信号，该数据采集单元对传感器单元输出的电信号实现调理，并将模拟信号转换为相应的数字信号，最终对表征细胞特性的脉冲参数进行提取，然后以PCI‑E总线协议的形式将上行发送数据，该PCI‑E接口单元实现PCI‑E总线的拓扑结构，扩展PCI‑E接口的数量，实现主控单元与数据采集单元及下位机接口单元之间的PCI‑E总线连接。
Description
技术领域
本发明涉及流式细胞仪的总线控制领域，提出了一种流式细胞仪***模块之间数据交互的总线控制方式。
背景技术
流式细胞仪的原理是单细胞悬液经特异性荧光染料染色后进入流式照射室，在流式照射室的分析点，激光照射到细胞发生散射和折射，发射出散射光，细胞所携带的荧光素被激发并发射出荧光、前向散射光(FSC)和侧向散射光(SSC)。通过光电转换器件将荧光及散射光转换成电信号，前向散射光通过光电二极管转换成电信号，侧向散射光通过光电倍增转换成电信号，荧光则被聚光器收集，不同颜色的荧光被双色反光镜转向不同的光电倍增管检测器，将荧光信号转换成电信号，散射光信号和荧光信号经过放大后，再经过数据化处理，输入计算机并储存，根据细胞的散射光和荧光进行分析。
流式细胞仪的模块化程度很高，有传感器单元、数据采集单元、PCI-E接口单元、下位机接口单元、主控单元、上位机数据接收单元，各个单元各自自成模块，现阶段流式细胞仪多参数分析快速发展，分析分类速度加快，数据采集单元的数据量越来越大，对总线带宽提出了更高的要求，传统流式细胞仪总线采用VME等并行总线，总线带宽有限，可扩展板卡数量少，信号线多，布线难度加大。
因此，需要一种能有效解决上述问题的流式细胞仪总线控制方式装置和方法。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种流式细胞仪总线控制装置，其特征在于，所述总线控制装置包括多个传感器单元、与所述多个传感器单元对应连接的多个数据采集单元、PCI-E接口单元、下位机接口单元、主控单元及上位机数据接收单元，其中，所述传感器单元将接收到的光信号按照一定的对应关系转换为电信号；所述数据采集单元对传感器单元输出的电信号实现调理，并将模拟信号转换为相应的数字信号，最终对表征细胞特性的脉冲参数进行提取，然后以PCI-E总线协议的形式将上行发送数据；所述PCI-E接口单元实现PCI-E总线的拓扑结构，扩展PCI-E接口的数量，实现主控单元与数据采集单元及下位机接口单元之间的PCI-E总线连接；所述下位机接口单元将PCI-E数据格式转换为下位机总线格式实现对主控单元的指令控制；所述主控单元实现对PCI-E总线数据收发的控制并按照一定的协议与上位机数据接收单元进行通信；所述上位机数据接收单元与主控单元按照一定的协议进行通信，实现数据的接收及各种控制指令的发送。
优选地，所述传感器单元用来对流式细胞仪检测过程中与细胞或微球相关的散射光及荧光信号进行光电转换，根据各类光信号的特征及强度采用不同的传感器进行检测。
优选地，所述数据采集单元用于对传感器单元输出的模拟电脉冲信号进行调理，将宽动态特性的电脉冲信号调理为可用于后续处理分析的模拟电脉冲信号，该数据采集单元对调理后的模拟电脉冲信号进行模/数转换，将调理后的模拟电脉冲信号转换为数字脉冲信号，数据采集单元对该数字脉冲信号进行计算处理，实现表征细胞或微球特征的脉冲参数的提取。
优选地，所述PCI-E接口单元将主控单元、数据采集单元及下位机接口单元按照主从模式连接成PCI-E总线拓扑结构。
优选地，各数据采集单元的数据脉冲参数按照一定格式存放在数据缓冲单元，按照DMA的方式由数据采集单元的PCI-E接口经PCI-E单元上行传输到主控单元的内存中；各路数据采集单元的控制命令按照内存读、内存写的方式由数据采集单元的PCI-E接口经PCI-E接口单元传输到主控单元；所述下位机接口单元的数据按照内存读、内存写的方式由下位机单元上的PCI-E接口经PCI-E接口单元发送到主控单元。
优选地，所述主控单元主以主从的方式实现数据采集单元以及下位机接口单元直接的数据交互。该主控单元以内存读、内存写的方式向数据采集单元以及下位机接口发送控制命令，主控单元以DMA的方式将各个数据采集单元的散射光及荧光参数存放到一块连续的内存中主控单元处理这块内存的数据，提取相关参数通过以太网传输到上位机数据接收单元，数据采集单元，及下位机接口单元以消息信号中断的方式向主控单元的CPU提出中断，得到中断向量CPU可以调动中断服务程序为请求中断的单元服务。
优选地，所述下位机接口单元将主控单元的PCI-E协议指令转换为相应的下位机协议指令，所述下位机协议指令方式实现各主控单元104控制、传感器状态监测等指令及数据的传输。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于如上述的流式细胞仪总线控制装置的总线控制方法，包括下列步骤：
单个传感器单元对多路光信号进行光电转化，并根据光信号的光强特性选择不同类型或型号的传感器作为光信号的检测器件；
传感器单元与数据采集单元一一对应，单个数据采集单元可以实现与传感器单元中传感器数量相同的光信号通道数的参数提取；
数据采集单元处理的存储于数据缓冲区的脉冲参数通过PCI-E接口单元与主控单元之间以DMA的方式实现数据传输以内存读写的方式实现控制命令的传输；
PCI-E接口单元以交换机的形式完成PCI-E总线的总线拓扑结构；
主控单元通过内存读写的方式通过将控制命令传送到PCIe下位机接口，然后解析。
根据本发明的流式细胞仪总线控制装置可以实现基于三代IO总线标准PCIe总线的控制，在带宽与可扩展性方面的优势明显。
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为根据本发明的流式细胞仪总线控制装置的结构示意图；
图2为根据本发明的数据采集单元的两种示例性结构图；
图3为根据本发明的数据采集单元PCI-E总线接口示意图；
图4为根据本发明的数据采集单元PCI-E总线控制示意图；
图5为根据本发明的主控单元的多采集卡控制流程图。
具体实施方式
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。
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。
针对本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
图1是根据本发明的流式细胞仪总线控制装置的结构示意图，根据本发明的流式细胞仪总线控制装置100包括第一传感器单元101、第二传感器单元102、第三传感器单元103，通过HDMI物理接口将第一数据采集单元105，第二数据采集单元106，第三数据采集单元107分别和第一传感器单元101、第二传感器单元102、第三传感器单元103相连接。主控单元104、第一数据采集单元105、第二数据采集单元106、第三数据采集单元107以及下位机接口单元108通过PCI-E接口***到PCI-E接口单元109，主控单元104通过以太网网线和上位机数据接收单元110连接。
本发明的流式细胞仪总线控制装置的基于三代IO总线标准PCIe总线的控制，在带宽与可扩展性方面的优势明显。
为达到以上目的，具体地，第一传感器单元101、第二传感器单元102、第三传感器单元103分别将接收到的光信号按照一定的对应关系转换为电信号，第一数据采集单元105、第二数据采集单元106、第三数据采集单元107分别对第一传感器单元101、第二传感器单元102、第三传感器单元103输出的电信号实现调理，并将模拟信号转换为相应的数字信号，最终对表征细胞特性的脉冲参数进行提取，然后把脉冲参数从各个数据采集单元的PCIe接口上行传输。
第一数据采集单元105、第二数据采集单元106、第三数据采集单元107各自的PCI-E接口实现主控单元104与数据采集单元及主控单元104与下位机接口单元108之间数据及指令按照PCI-E总线协议的传输。
下位机接口单元108将PCI-E数据格式转换为下位机总线格式实现对主控单元104的指令控制，并将各种反馈信息转换为PCI-E数据格式传送到主控单元104。
PCI-E接口单元109实现用交换机(Switch)实现PCI-E接口的拓扑结构，扩展PCI-E接口的数量，实现主控单元104与数据采集单元及下位机接口单元108之间的PCI-E总线连接。
主控单元104实现对PCI-E总线数据收发的控制并按照一定的协议与上位机数据接收单元110进行通信。
上位机数据接收单元110与主控单元104按照一定的协议进行通信，实现数据的接收及各种控制指令的发送。
所述下位机接口单元108将PCI-E数据格式转换为下位机总线格式实现对主控单元104的指令控制；
优选地，数据采集单元用于对传感器单元输出的模拟电脉冲信号进行调理，将宽动态特性的电脉冲信号调理为可用于后续处理分析的模拟电脉冲信号，该数据采集单元对调理后的模拟电脉冲信号进行模/数转换，将调理后的模拟电脉冲信号转换为数字脉冲信号，数据采集单元对该数字脉冲信号进行计算处理，实现表征细胞或微球特征的脉冲参数的提取。该数据采集单元将脉冲参数存放在数据缓存单元并根据主控单元104的控制指令将脉冲参数经数据采集单元上的PCI-E接口传输到主控单元104相应的数据存储区域。
优选地，所述第一数据采集单元105、第二数据采集单元106、第三数据采集单元107用来对流式细胞仪检测过程中与细胞或微球相关的散射光及荧光信号进行光电转换，根据各类光信号的特征及强度采用不同的传感器进行检测。
通常，散射光信号相对较强可采用光电二极管、雪崩二极管等传感器进行检测；荧光信号相对较弱采用光电倍增管(PMT)进行检测。根据流式细胞仪检测性能的不同，传感器单元可能不止一个，上述三个传感器单元和对应的三个数据采集单元也仅仅为本发明的一个实施例。每个传感器单元内包含不止一个传感器，每个传感器对一路光信号进行检测。传感器单元与后续数据采集单元一一对应。
优选地，PCI-E接口单元109将主控单元104、数据采集单元及下位机接口单元108按照主从模式连接成PCI-E总线拓扑结构。主控单元104为RC端，数据采集单元及下位机接口单元108为EP端，该PCI-E接口单元109可以是主控单元104的一部分也可以单独成为一个独立结构。
优选地，各路数据采集单元的数据脉冲参数按照一定格式存放在数据缓冲单元，按照DMA的方式由数据采集单元的PCI-E接口经PCI-E单元上行传输到主控单元104的内存中。各路数据采集单元的控制命令按照内存读、内存写的方式由数据采集单元的PCI-E接口经PCI-E接口单元109传输到主控单元104。下位机接口的数据按照内存读、内存写的方式由下位机单元上的PCI-E接口经PCI-E接口单元109发送到主控单元104。
优选地，主控单元104主要以主从的方式实现数据采集单元以及下位机接口单元108直接的数据交互。该主控单元104以内存读、内存写的方式向数据采集单元以及下位机接口发送控制命令，主控单元104以DMA的方式将各个数据采集单元的散射光及荧光参数存放到一块连续的内存中主控单元104处理这块内存的数据，提取相关参数通过以太网传输到上位机数据接收单元110。数据采集单元，及下位机接口单元108以消息信号中断的方式向主控单元104的CPU提出中断，得到中断向量CPU可以调动中断服务程序为请求中断的单元服务。
优选地，下位机接口单元108将主控单元104的PCI-E协议指令转换为相应的下位机协议指令，常用的下位机协议方式有RS232、485、eCan等，该下位机协议方式主要实现对主控单元104的控制、传感器状态监测等指令及数据的传输。
根据本发明的另一方面，还提供了一种流式细胞仪总线控制方法，包括下列步骤：
单个传感器单元对多路光信号进行光电转化，并根据光信号的光强特性选择不同类型或型号的传感器作为光信号的检测器件；
传感器单元与数据采集单元一一对应，单个数据采集单元可以实现与传感器单元中传感器数量相同的光信号通道数的参数提取；
数据采集单元处理的存储于数据缓冲区的脉冲参数通过PCI-E接口单元109与主控单元104之间以DMA的方式实现数据传输以内存读写的方式实现控制命令的传输；
PCI-E接口单元109以交换机的形式完成PCI-E总线的总线拓扑结构；
主控单元104通过内存读写的方式通过将控制命令传送到PCIe下位机接口，然后解析。
图2是根据本发明的数据采集单元的两种示例性模块图。其中图2(a)中，数据采集单元依次连接包括模/数转换模块，模拟电脉冲调理单元，参数提取模块和数据缓存单元；图2(b)中，数据采集单元依次连接包括模拟电脉冲调理单元，模数转换模块，参数提取模块，数据缓存单元。传感器单元将接收到的光信号按照一定的对应关系转换为电信号，数据采集单元对传感器单元输出的电信号实现调理，并将模拟信号转换为相应的数字信号，接着对表征细胞特性的脉冲参数进行提取，将提取的参数按照一定的格式存放到数据缓存单元，数据采集单元的PCI-E接口模块以DMA的形式把缓存单元中的脉冲参数从EP端PCIe接口上行传输到控制单元。
图3是根据本发明的数据采集单元的PCI-E总线接口示意图。数据采集单元的PCI-E接口在FPGA芯片中设计，由片内RAM，DMA控制逻辑，发送部件，接收部件等应用层模块，以及事物层、链路层、物理层构成，组成一个完整的PCI-E总线接口。
图4为根据本发明的数据采集单元的PCI-E总线控制示意图，数据采集单元的PCI-E接口上电复位后，接收TLP包，根据包头类型判断TLP包的类型，如果是内存写，根据接收的地址，判断是DMA写命令还是向数据采集卡发送的控制命令，如果是控制命令则解析控制命令控制板卡的工作，如果是DMA命令，则根据接收到的TLP包，解析出DMA的目的地址、源地址、数据长度，然后根据DMA信息组织一个或者多个内存写TLP包，将数据缓存中的脉冲参数数据向控制单元发送，所有的数据发送完毕后，向控制模块发送消息信号中断的内存写数据包，然后返回。如果TLP的为内存读数据包，则将相应地址的数据取出后组织成带数据的完成包发送给主控单元104，然后直接结束返回。
下位机接口单元108上电复位后，接收TLP数据包，根据包头类型判断TLP包的类型，如果是内存写，根据接收的地址，向数据采集卡发送控制命令，如果是内存读则根据接收到的地址向主控单元104发送下位机接口单元108寄存器中的数据，然后返回。
图5为根据本发明的主控单元104的多采集卡控制流程图，***启动后初始化多块采集卡单元，然后等待上位机单元消息，如果是命令则进行PCI-E写命令，或者PCI-E读命令，这时如果端口没有被占用直接执行写操作。如果要执行DMA读，则直接控制程序发送相关DMA命令，同时打开中断等待数据采集单元DMA操作的完成。如果是端口读命令则直接发送读命令，然后等待带数据的完成数据包。如果收到PCI-E中断则直接清中断，然后处理相关中断服务程序，完成后返回。
上位机数据接收单元110与主控单元104按照一定的协议进行通信，实现数据的接收及各种控制指令的发送。
根据本发明的流式细胞仪总线控制装置可以实现基于三代IO总线标准PCIe总线的控制，在带宽与可扩展性方面的优势明显。
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。
Claims (8)
1.一种流式细胞仪总线控制装置，其特征在于，所述总线控制装置包括多个传感器单元、与所述多个传感器单元一一对应连接的多个数据采集单元、PCI-E接口单元、下位机接口单元、主控单元及上位机数据接收单元，其中，
所述传感器单元将接收到的光信号按照一定的对应关系转换为电信号；
所述数据采集单元包括依次连接的模/数转换模块、模拟电脉冲调理单元、参数提取模块和数据缓存单元，所述数据采集单元对传感器单元输出的电信号实现调理，并将模拟信号转换为相应的数字信号，最终对表征细胞特性的脉冲参数进行提取，将提取的参数按照一定格式存放在数据缓冲单元，然后以PCI-E总线协议的形式将上行发送数据；
所述PCI-E接口单元实现PCI-E总线的拓扑结构，扩展PCI-E接口的数量，实现主控单元与数据采集单元及下位机接口单元之间的PCI-E总线连接；
所述下位机接口单元将PCI-E数据格式转换为下位机总线格式实现对主控单元的指令控制，其中，数据采集单元的PCI-E接口上电复位后，接收TLP包，根据包头类型判断TLP包的类型；
如果是内存写，根据接收的地址，判断是DMA写命令还是向数据采集卡发送的控制命令，如果是控制命令则解析控制命令控制板卡的工作，如果是DMA命令，则根据接收到的TLP包，解析出DMA的目的地址、源地址、数据长度，然后根据DMA信息组织一个或者多个内存写TLP包，将数据缓存中的脉冲参数数据向控制单元发送，所有的数据发送完毕后，向控制模块发送消息信号中断的内存写数据包，然后返回；
如果TLP的为内存读数据包，则将相应地址的数据取出后组织成带数据的完成包发送给主控单元，然后直接结束返回；
下位机接口单元上电复位后，接收TLP数据包，根据包头类型判断TLP包的类型；
如果是内存写，根据接收的地址，向数据采集卡发送控制命令，如果是内存读则根据接收到的地址向主控单元发送下位机接口单元寄存器中的数据，然后返回；
所述主控单元实现对PCI-E总线数据收发的控制并按照一定的协议与上位机数据接收单元进行通信；
所述上位机数据接收单元与主控单元按照一定的协议进行通信，实现数据的接收及各种控制指令的发送。
2.根据权利要求1所述的流式细胞仪总线控制装置，其特征在于：所述传感器单元用来对流式细胞仪检测过程中与细胞或微球相关的散射光及荧光信号进行光电转换，根据各类光信号的特征及强度采用不同的传感器进行检测。
3.根据权利要求2所述的流式细胞仪总线控制装置，其特征在于：所述数据采集单元用于对传感器单元输出的模拟电脉冲信号进行调理，将宽动态特性的电脉冲信号调理为可用于后续处理分析的模拟电脉冲信号，该数据采集单元对调理后的模拟电脉冲信号进行模/数转换，将调理后的模拟电脉冲信号转换为数字脉冲信号，数据采集单元对该数字脉冲信号进行计算处理，实现表征细胞或微球特征的脉冲参数的提取。
4.根据权利要求1所述的流式细胞仪总线控制装置，其特征在于：所述PCI-E接口单元将主控单元、数据采集单元及下位机接口单元按照主从模式连接成PCI-E总线拓扑结构。
5.根据权利要求1所述的流式细胞仪总线控制装置，其特征在于：各数据采集单元的数据脉冲参数按照一定格式存放在数据缓冲单元，按照DMA的方式由数据采集单元的PCI-E接口经PCI-E单元上行传输到主控单元的内存中；各路数据采集单元的控制命令按照内存读、内存写的方式由数据采集单元的PCI-E接口经PCI-E接口单元传输到主控单元；所述下位机接口单元的数据按照内存读、内存写的方式由下位机单元上的PCI-E接口经PCI-E接口单元发送到主控单元。
6.根据权利要求1所述的流式细胞仪总线控制装置，其特征在于：所述主控单元主以主从的方式实现数据采集单元以及下位机接口单元直接的数据交互， 该主控单元以内存读、内存写的方式向数据采集单元以及下位机接口发送控制命令，主控单元以DMA的方式将各个数据采集单元的散射光及荧光参数存放到一块连续的内存中主控单元处理这块内存的数据，提取相关参数通过以太网传输到上位机数据接收单元，数据采集单元，及下位机接口单元以消息信号中断的方式向主控单元的CPU提出中断，得到中断向量CPU可以调动中断服务程序为请求中断的单元服务。
7.根据权利要求1所述的流式细胞仪总线控制装置，其特征在于：所述下位机接口单元将主控单元的PCI-E协议指令转换为相应的下位机协议指令，所述下位机协议指令方式实现各主控单元104控制、传感器状态监测等指令及数据的传输。
8.一种用于如权利要求1所述的流式细胞仪总线控制装置的总线控制方法，包括下列步骤：
单个传感器单元对多路光信号进行光电转化，并根据光信号的光强特性选择不同类型或型号的传感器作为光信号的检测器件；
传感器单元与数据采集单元一一对应，单个数据采集单元可以实现与传感器单元中传感器数量相同的光信号通道数的参数提取；
数据采集单元处理的存储于数据缓冲区的脉冲参数通过PCI-E接口单元与主控单元之间以DMA的方式实现数据传输以内存读写的方式实现控制命令的传输；
PCI-E接口单元以交换机的形式完成PCI-E总线的总线拓扑结构；
主控单元通过内存读写的方式通过将控制命令传送到PCIe下位机接口，然后解析；下位机接口单元将PCI-E数据格式转换为下位机总线格式实现对主控单元的指令控制，其中，数据采集单元的PCI-E接口上电复位后，接收TLP包，根据包头类型判断TLP包的类型；
如果是内存写，根据接收的地址，判断是DMA写命令还是向数据采集卡发送的控制命令，如果是控制命令则解析控制命令控制板卡的工作，如果是DMA命令，则根据接收到的TLP包，解析出DMA的目的地址、源地址、数据长度，然后根据DMA信息组织一个或者多个内存写TLP包，将数据缓存中的脉冲参数数据向控制单元发送，所有的数据发送完毕后，向控制模块发送消息信号中断的内存写数据包，然后返回；
如果TLP的为内存读数据包，则将相应地址的数据取出后组织成带数据的完成包发送给主控单元，然后直接结束返回；
下位机接口单元上电复位后，接收TLP数据包，根据包头类型判断TLP包的类型；
如果是内存写，根据接收的地址，向数据采集卡发送控制命令，如果是内存读则根据接收到的地址向主控单元发送下位机接口单元寄存器中的数据，然后返回。
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