CN109580459A - 一种流式细胞仪数据采集*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种流式细胞仪数据采集***，包括顺次连接的数据采集模块、FPGA模块及MCU模块，所述FPGA模块控制所述数据采集模块采集8路细胞脉冲电信号，并有序的从所述数据采集模块读取8路细胞脉冲电信号以识别出每路所述细胞脉冲电信号的峰值、宽度及面积，当所述MCU模块接收到所述FPGA模块发送的控制信号时，从所述FPGA模块读取识别结果并发送至一上位机中，本发明将FPGA和STM32有效地结合起来，充分发挥了FPGA对高速并行数据的处理优势，能很好的实现细胞脉冲电信号的高速并行采集和同步远程传输储存，既能保证有较快的操作速度，又具有很高的灵活性。

Description

一种流式细胞仪数据采集***

技术领域

本发明涉及流式细胞仪数字信号处理技术领域，尤其涉及一种流式细胞仪数据采集***。

背景技术

流式细胞仪是一种集激光技术、流体力学技术、光电测量技术、电子计算机技术、细胞荧光化学技术和细胞免疫技术为一体的新型高科技仪器，同时具有分析和分选细胞的功能。对悬液中的处于高速、直线流动的单细胞或其他颗粒，经过探测区域时所产生的散射光和标记荧光进行收集和测量，实现高速逐一的多参数定量分析。在细胞生物学、细胞动力学、免疫学、血液学及肿瘤学等领域具有广泛的应用。

流式细胞仪完成了对细胞被激发后的前向散射光、侧向散射光以及荧光信号的接收，并且进行光电转换以及将转换后的脉冲信号进行识别处理，传输至上位机进行分析处理。

传统的多通道数据采集***绝大多数是靠ADC芯片的多通道分时复用来实现的。但是这个方法不能满足流式细胞仪多通道数据同步采集的需求，而且难以实现高速高精度的数据采集。为了解决所面临的问题，整个数据采集***采用多片双通道ADC芯片并行采集的模式来组建。对于所要采集的细胞脉冲电信号很微弱，目前所采用的都是经过固定倍数放大后对某种细胞种类进行数据采集，不能很好地区分各种动态范围内的细胞或者颗粒。

目前数据采集***种类繁多，但是一般处理器不能同时满足高速采集、远程传输存储和实时并行的要求。对于细胞信号数据的接收与处理，是整个流式细胞仪数据采集***的重要组成部分。FPGA对信号进行采集和处理是目前广泛使用的，对于数据的传输也是直接由FPGA上传至上位机进行处理，这样虽然能达到高效读取和处理的要求，但是在和其他设备模块通信时还是存在问题。使用单片机提供数据的显示、数据传输以及一些人机交互的功能，技术周期短，且编程简单易于实现。一般的STM32系列的FSMC总线通信方式，即灵活的静态存储控制器，能够与同步或者异步存储器和PC存储卡连接，STM32系列的FSMC接口支持包括SRAM、NAND、FLASH、NOR FLASH和PSRAM等存储器。在这个基础上发展了STM32F4系列，作为STM32F429专有的FMC灵活的存储管理器，是在FSMC的基础上支持SDRAM的升级版本。

目前流式细胞仪发展迅速，在检测细胞脉冲电信号中，触发阈值不为零造成脉冲信号存在一定的信息缺失，对于缺失的信息目前采用的矩形恢复补偿方法进行信号恢复，矩形补偿利用阈值与脉冲信号两交点之间的距离及阈值获得补偿矩阵，对脉冲信号进行补偿。然而，矩形补偿方法不能对缺失信息进行完整的恢复，恢复精度较低，容易造成参数提取产生误差，从而造成流式细胞仪变异系数增大。

因此，需要一种能有效的对多路高速光信号采集且基于FPGA+STM32控制的流式细胞仪数据采集***。

发明内容

本发明的目的在于提供一种流式细胞仪数据采集***，能很好的实现细胞脉冲电信号的高速并行采集和同步远程传输储存。

为了达到上述目的，本发明提供了一种流式细胞仪数据采集***，包括顺次连接的数据采集模块、FPGA模块及MCU模块，所述FPGA模块控制所述数据采集模块采集8路细胞脉冲电信号，并有序的从所述数据采集模块读取8路细胞脉冲电信号以识别出每路所述细胞脉冲电信号的峰值、宽度及面积，当所述MCU模块接收到所述FPGA模块发送的控制信号时，从所述FPGA模块读取识别结果并发送至一上位机中。

可选的，所述数据采集模块包括信号放大单元及模数转换单元，所述信号放大单元包括程控放大电路、差分放大电路及滤波电路，8路细胞脉冲电信号经所述程控放大电路及所述差分放大电路放大后再由所述滤波电路滤波，并输入所述模数转换单元中进行模数转换。

可选的，所述程控放大电路与所述FPGA模块之间设置有一数模转换单元，所述FPGA模块通过调节所述数模转换单元的阻抗以调节所述差分放大电路的放大倍率。

可选的，所述数据采集模块还包括补偿单元，所述模数转换单元截取所述细胞脉冲电信号中幅值高于一设定阈值的部分并进行模数转换，所述补偿单元采用灰色预测脉冲恢复算法对所述细胞脉冲电信号中幅值低于所述设定阈值部分的脉冲面积进行补偿。

可选的，所述流式细胞仪数据采集***还包括存储模块，所述存储模块与所述FPGA模块连接以存储所述FPGA模块的获取的8路细胞脉冲电信号。

可选的，所述FPGA模块与所述MCU模块通过FMC总线连接，所述MCU模块与所述上位机通过以太网实时远程传输。

可选的，所述流式细胞仪数据采集***还包括电源模块，所述电源模块包括电源管理单元及电压转换单元，所述电压转换单元将所述电源管理单元提供的电压值转换为多个不同的电压值输出。

可选的，8路细胞脉冲电信号分别为对应前向散射光的细胞脉冲电信号、对应侧向散射光的细胞脉冲电信号及对应六路荧光的细胞脉冲电信号。

在本发明提供的流式细胞仪数据采集***中，包括顺次连接的数据采集模块、FPGA模块及MCU模块，所述FPGA模块控制所述数据采集模块采集8路细胞脉冲电信号，并有序的从所述数据采集模块读取8路细胞脉冲电信号以识别出每路所述细胞脉冲电信号的峰值、宽度及面积，当所述MCU模块接收到所述FPGA模块发送的控制信号时，从所述FPGA模块读取识别结果并发送至一上位机中，本发明将FPGA和STM32有效地结合起来，充分发挥了FPGA对高速并行数据的处理优势，能很好的实现细胞脉冲电信号的高速并行采集和同步远程传输储存，既能保证有较快的操作速度，又具有很高的灵活性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的流式细胞仪数据采集***的结构示意图；

图2a为本发明实施例提供的电源管理单元的结构示意图；

图2b为本发明实施例提供的电压转换单元的结构示意图；

图3a为本发明实施例提供的数据采集模块的结构示意图；

图3b为本发明实施例提供的数模转换单元的结构示意图；

图3c为本发明实施例提供的滤波单元的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的流式细胞仪数据采集***的通信框图；

图5为本发明实施例提供的细胞脉冲电信号的识别流程图；

图6a为本发明实施例提供的原始细胞脉冲电信号数据曲线的示意图；

图6b为本发明实施例提供的对细胞脉冲电信号进行微分的示意图；

图7为本发明实施例提供的细胞脉冲恢复模型的示意图；

图8为本发明实施例提供的流式细胞仪数据采集***中数据传输的示意图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1所示，本发明提供了一种流式细胞仪数据采集***，包括顺次连接的数据采集模块1、FPGA模块2及MCU模块3，所述FPGA模块2控制所述数据采集模块1采集8路细胞脉冲电信号，并有序的从所述数据采集模块1读取8路细胞脉冲电信号以识别出每路所述细胞脉冲电信号的峰值、宽度及面积，当所述MCU模块3接收到所述FPGA模块2发送的控制信号时，从所述FPGA模块2读取识别结果并发送至一上位机中。本实施例中，上位机为PC机。

如图2a及图2b所示，所述流式细胞仪数据采集***具有电源模块5，所述电源模块5包括电源管理单元及电压转换单元，所述电源管理单元用于监测所述流式细胞仪数据采集***的电压并给整个电路板提供输入电压+12V和-12V以及模拟参考地，所述电压转换单元将所述电源管理模块提供的电压值转换为多个不同的电压值输出，例如如图2a所示，所述电压转换单元将所述电源管理单元提供的电压转换为+5V电压，如图2b所示，所述电压转换单元将所述电源管理单元提供的电压转换为+3.3V、+1.5V、+2.5V、+1.2V提供给其他模块工作使用。

进一步，如图1及图3a-3c所示，所述数据采集模块1包括信号放大单元11及模数转换单元12(ADC)，所述信号放大单元11包括程控放大电路111、差分放大电路112及滤波电路113，8路细胞脉冲电信号经所述程控放大电路111及所述差分放大电路112放大后再由所述滤波电路113滤波，并输入所述模数转换单元12中进行模数转换。所述差分放大电路112与所述FPGA模块2之间设置有一数模转换单元114(DAC)，所述FPGA模块2通过调节所述数模转换单元114的阻抗以调节所述差分放大电路112的放大倍率。具体的，所述数模转换单元114(DAC)内部结构实质是电阻网络，当所述FPGA模块2对DAC进行配置时，实质上就是配置DAC内部不同的电阻组合，将DAC内部电阻与运放组合在一起构成反向放大电路，通过所述FPGA模块2配置DAC，可以改变放大倍数，即可以实现所述FPGA模块2对底层模拟放大电路的增益可调的效果。所述差分放大电路112本身放大系数为1，目的是利用差分原理减少由传输线和连接器引入的共模噪声，电容C1和电容C2起到了隔直流的作用，电阻R5、电阻R6和电容C3起到了给ADC提供驱动电压的作用，电阻R7和电容C4、电阻R8和电容C5组合成滤波电路113，提高了信号采集的精确度。本实施例中，所述滤波电路113为RC低通滤波电路，起到耦合隔离、滤波的作用，8路细胞脉冲电信号输出给ADC进行模数转换，最后被FPGA模块2识别、处理。在每一路细胞脉冲电信号中，测试样本中含有各种各样体积大小的微粒，也就是流动时中的有着很多种不同种类的细胞，所述程控放大电路111的增益可调，能更好的区分各种动态范围甚至更大动态范围里的微粒或者细胞。所述差分放大电路112能较好的消除电路产生的共模噪声，所述滤波电路113将驱动电路与ADC保持开关隔离，并且还限制驱动电路的宽带噪声，通过FPGA模块2识别到淹没于噪声之中的小信号，提升了信号采集的精准性。

进一步，所述模数转换单元12是使用的FPGA模块2来控制的，所述FPGA模块具有8路高速数据采集IO口同时工作。所述模数转换单元12的芯片的位数和速度决定了数字信号的精度。根据设计需求，本实施例中采用的是Intel公司的LTC2181型号芯片，该芯片数模转换精度为16bit，双通道，采样频率为40MSPS，支持SPI编程控制最高SNR为77dB可以满足设计需求；0.07psRMS的超低抖动允许对中频频率进行低采样，具有良好的噪声性能，可用于数字化高频、宽动态的信号。流式细胞仪采用双激光六色，即两个激光器作为激发光源，最多可以测六路荧光信号，以及前向散射光和侧向散射光，同时进行八路信号的数据采集。

进一步，所述FPGA模块2具有8路高速数据采集通道同时工作，即前向散射光、侧向散射光和六路荧光采集通道，再与MCU模块3通过FMC总线传输。图4是FPGA模块2与MCU模块3整体通信框图，所述FPGA模块2采用的是5CEFA4F23C8型号芯片，所述MCU模块3采用的是STM32F429型号芯片。STM32根据固定协议对PC机指令进行解析，然后再通过FMC总线将PC机指令转发给所述FPGA模块，其中8路细胞脉冲电信号转换后的数字信号传输到5CEFA4F23C8中进行识别处理，识别结果经由FMC总线传输给STM32，STM32通过网口与PC机进行通信和细胞脉冲数据交互。

本实施例中，所述使用的FPGA芯片，采用基于Intel公司Cyclone V系列的5CEFA4F23C8型号。该芯片具有31万***门，18480个逻辑单元，可充分满足8通道A/D数据高速读取与处理的要求；有着设计周期短、低成本的优点，低功耗以及能够跟CMOS、TIL电平能够很好的兼容，能够充分满足本发明大容量应用的需求。所述MCU芯片使用的是ST公司的STM32F429系列，该系列芯片可提供512MB～2MB的双块Flash、256KB的SRAM以及丰富的IO口和小封装设计，芯片内部集成存储器，就会减少对外部存储器的需求，可以实现更小、更安全的低辐射PCB设计，还具有动态功耗调整功能，能够在运行模式下和从Flash存储器执行时实现低至260μA/MHz的电流消耗。

如图5为采用细胞脉冲识别算法对细胞脉冲电信号进行识别的流程图，用于识别出8路细胞脉冲电信号的峰值、宽度及面积，ADC采集8路细胞脉冲电信号之后进行模数转换，FPGA模块2在内部时钟的驱动下有序的读取与之相连接I/O口的数据并进行数字滤波，以减小光噪声以及电噪声对细胞脉冲电信号的影响，进一步提高细胞脉冲电信号的信噪比，再通过对细胞脉冲电信号一设定时间内的连续输入值进行微分计算，根据微分结果，如图6a及6b所示，判断出上升沿和下降沿，取微分结果的零点附近的几组数据判断出细胞脉冲电信号的峰值；从出现上升沿开始到下降沿结束这段时间内采样的个数，就是细胞脉冲电信号的脉宽；从出现上升沿到下降沿结束采集到的所有数据的积分，就是细胞脉冲电信号的面积；将识别到的数据缓存到FPGA模块2的内部FIFO中，然后再定量批次读出。

为了避免细胞碎片等引起的微小脉冲对数据采集的影响，需要设定一个阈值对模数转换进行触发，由于只有设定阈值以上的细胞脉冲电信号可以获取，所以容易造成脉冲信息的缺失。可选的，所述数据采集模块1还包括补偿单元，所述模数转换单元截取所述细胞脉冲电信号中幅值高于一设定阈值的部分并进行模数转换，根据脉冲信号的时间对称性，以脉冲峰值点为中心对上升和下降脉冲信号进行脉冲补偿，本发明采用了一种灰色预测脉冲恢复算法对所述设定阈值以下的脉冲面积S2进行高精度补偿，提高了信号的信息完整性。算法推理过程如下所示脉冲恢复模型如图7所示，以上升阶段脉冲宽度为例进行预测，设脉冲信号原始数据序列为：

X⁽⁰⁾＝{X⁽⁰⁾(1)，X⁽⁰⁾(2)，X⁽⁰⁾(3)，......，X⁽⁰⁾(N)}；

式中N为设定阈值与脉冲峰值之间的原始数据，取X⁽⁰⁾的n项数据构建灰色预测GM(1，1)模型，取样范围内的脉冲原始数据用X₀ ⁽⁰⁾表示，表达式可以为：

X₀ ⁽⁰⁾＝{X₀ ⁽⁰⁾(1)，X₀ ⁽⁰⁾(2)，X₀ ⁽⁰)(3)，......，X₀ ⁽⁰⁾(n)}＝{X⁽⁰⁾(1)，X⁽⁰⁾(2)，X⁽⁰⁾(3)，......，X⁽⁰⁾(N)}；

对序列X₀ ⁽⁰⁾进行一次累减，得到生成序列X₀ ⁽¹⁾：

X₀ ⁽¹⁾＝{X₀ ⁽¹⁾(1)，X₀ ⁽¹⁾(2)，X₀ ⁽¹⁾(3)，......，X₀ ⁽¹⁾(n)}；

生成的序列X₀ ⁽¹⁾的紧邻均值生成序列为：

z₀ ⁽¹⁾＝{z₀ ⁽¹⁾(1)，z₀ ⁽¹⁾(2)，z₀ ⁽¹⁾(3)，......，z₀ ⁽¹⁾(n)}；

式中：

建立一阶灰色微分方程为：

式中：a₀和b₀为灰色微分方程的待定系数，微分方程可以用矩阵形式表示为：

Y＝BU；

式中：

求得U＝[a₀ b₀]^T的最小二乘估计值为：U＝(B^TB)^-1B^TY；

以U为参数，建立相应的白化微分方程：

通过求解白化微分方程，得到灰色微分式的解为：

再通过累加生成，得到灰色模型序列：

式中：为脉冲恢复的预测序列值。

进一步，MCU模块3与FPGA模块2通信采用FMC总线方式，所述MCU模块3根据固定协议解析PC机发送的指令，FPGA模块2通过FMC总线接收MCU模块3发过来的计数开始信号，然后启动ADC开始工作，并将识别到的细胞信息写入内部缓存FIFO中，FPGA模块2与MCU模块3之间采用FMC总线接口设计，将FPGA模块2当作是MCU模块3的外部SRAM来配置，这样既能保证有较快的操作速度，又具有很高的灵活性。所述FPGA模块2获取识别结果后，通过拉高中断信号线，产生中断信号通知MCU模块3，MCU模块3开始读取FPGA模块2中8路数据信号，读到一个细胞的8路数据之后，MCU模块3通过网络发送给PC机，循环读取和发送；当FPGA模块2拉低INT0时，MCU模块3停止读取数据，此时并不代表过程结束，当INT0再次拉高，MCU模块3继续读取FPGA模块2中的数据和发送数据到PC机。当FPGA模块2将INT1拉高时，通知MCU模块3计数完成，此时MCU模块3需再次从FPGA模块2中读取1024个数据，如果三个细胞数据FSC通道的相等，则不发送数据到PC机，读取完剩余数据后，MCU模块3通知FPGA模块2的FIFO复位并通知PC机此次流程结束，从而完成一次计数流程。可以理解的是，通信使用的FMC总线，相比其他STM32微控制器只能够支持这两类访问方式完全不同的存储器扩展，它们FSMC内部实际包括NOR Flash和NAND/PC Card两个控制器，能够与同步或者异步存储器和16位PC存储卡连接，但是FMC灵活的存储管理器是STM32F429专有的，是FSMC的基础性上支持SDRAM的升级版本，STM32F429可以支持NOR Flash、NAND Flash、SDRAM存储器扩展，FMC可连接静态存储器、PC存储卡、SDRAM，具有同步异步功能，FMC总线通信方式更灵活快捷。

所述流式细胞仪数据采集***还包括存储模块4，所述存储模块4所选芯片型号为AS4C128M16D3-12BCN，内存大小为2GB(128M*16Bit)，最高时钟读取速率800MHz，主要功能为实现原始细胞脉冲电信号的存储及数据的高速读取和传输。所述存储模块4可以为大量数据采集做准备，将采集到的所有的原始细胞脉冲电信号存储起来，接收到PC机传送的指令后可以从存储模块4里直接读写出来，能保证信息的完整度，后期PC机分析时，结果更精确。

如图8所示，MCU模块3与所述上位机通过以太网实时远程传输，所述网口传输采用W5500芯片及RJ45接口，最高支持80MHz的SPI接口，10M/100M数据链路层和物理层，集成硬件TCP/IP协议，所述W5500芯片是WIZnet推出的高性能以太网接口芯片系列之一，其应用具有简单快速、可靠性高、安全性好等显著优势，芯片内部集成MAC和PHY工艺，使得单片机接入以太网方案的硬件设计更为简捷和高效，利用网口接口通信，可以实现数据通过以太网实时远程传输，具有低成本、可靠性高、稳定性强的特点。

其他功能模块板之间均通过CAN通信接口连接，完成传输通信，通过CAN总线将PC指令转发给其他功能模块电路，实现仪器液路控制以及相关底层控制信号的数据交互，所述数据采集***与其他设备通过串口通信接口通信，采用RS232通信方式进行采样信息、控制信号之间的通信。

综上，在本发明实施例提供的流式细胞仪数据采集***中，包括顺次连接的数据采集模块、FPGA模块及MCU模块，所述FPGA模块控制所述数据采集模块采集8路细胞脉冲电信号，并有序的从所述数据采集模块读取8路细胞脉冲电信号以识别出每路所述细胞脉冲电信号的峰值、宽度及面积，当所述MCU模块接收到所述FPGA模块发送的控制信号时，从所述FPGA模块读取识别结果并发送至一上位机中，本发明将FPGA和STM32有效地结合起来，充分发挥了FPGA对高速并行数据的处理优势，能很好的实现细胞脉冲电信号的高速并行采集和同步远程传输储存，既能保证有较快的操作速度，又具有很高的灵活性。FPGA模块与MCU模块之间采用FMC总线接口设计，将FPGA模块当作是MCU模块的外部SRAM来配置，这样既能保证有较快的操作速度，又具有很高的灵活性，利用MCU模块与上位机(PC机)网口接口实现数据通过以太网实时远程传输，具有低成本、可靠性高、稳定性强的特点。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种流式细胞仪数据采集***，其特征在于，包括顺次连接的数据采集模块、FPGA模块及MCU模块，所述FPGA模块控制所述数据采集模块采集8路细胞脉冲电信号，并有序的从所述数据采集模块读取8路细胞脉冲电信号以识别出每路所述细胞脉冲电信号的峰值、宽度及面积，当所述MCU模块接收到所述FPGA模块发送的控制信号时，从所述FPGA模块读取识别结果并发送至一上位机中。

2.如权利要求1所述的流式细胞仪数据采集***，其特征在于，所述数据采集模块包括信号放大单元及模数转换单元，所述信号放大单元包括程控放大电路、差分放大电路及滤波电路，8路细胞脉冲电信号经所述程控放大电路及所述差分放大电路放大后再由所述滤波电路滤波，并输入所述模数转换单元中进行模数转换。

3.如权利要求2所述的流式细胞仪数据采集***，其特征在于，所述程控放大电路与所述FPGA模块之间设置有一数模转换单元，所述FPGA模块通过调节所述数模转换单元的阻抗以调节所述差分放大电路的放大倍率。

4.如权利要求2所述的流式细胞仪数据采集***，其特征在于，所述数据采集模块还包括补偿单元，所述模数转换单元截取所述细胞脉冲电信号中幅值高于一设定阈值的部分并进行模数转换，所述补偿单元采用灰色预测脉冲恢复算法对所述细胞脉冲电信号中幅值低于所述设定阈值部分的脉冲面积进行补偿。

5.如权利要求1所述的流式细胞仪数据采集***，其特征在于，所述流式细胞仪数据采集***还包括存储模块，所述存储模块与所述FPGA模块连接以存储所述FPGA模块的获取的8路细胞脉冲电信号。

6.如权利要求1所述的流式细胞仪数据采集***，其特征在于，所述FPGA模块与所述MCU模块通过FMC总线连接，所述MCU模块与所述上位机通过以太网实时远程传输。

7.如权利要求1所述的流式细胞仪数据采集***，其特征在于，所述流式细胞仪数据采集***还包括电源模块，所述电源模块包括电源管理单元及电压转换单元，所述电压转换单元将所述电源管理单元提供的电压值转换为多个不同的电压值输出。

8.如权利要求1-7中任一项所述的流式细胞仪数据采集***，其特征在于，8路细胞脉冲电信号分别为对应前向散射光的细胞脉冲电信号、对应侧向散射光的细胞脉冲电信号及对应六路荧光的细胞脉冲电信号。