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《深圳大學(xué)學(xué)報(bào)》2016年第一期
摘要:
針對(duì)血液分析儀需在8s內(nèi)完成4路血細(xì)胞和1路狀態(tài)信號(hào)數(shù)據(jù)采集、處理的要求,設(shè)計(jì)一套基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列的多路數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng).系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)5路數(shù)模轉(zhuǎn)換的并行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理,并通過(guò)串行外設(shè)接口通訊接口將處理的數(shù)據(jù)上傳至ARM主機(jī).臨床試用結(jié)果表明,系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和處理的方法完全滿足血液分析儀對(duì)測(cè)試速度的要求,儀器性能指標(biāo)達(dá)到了國(guó)家注冊(cè)檢驗(yàn)的要求.
關(guān)鍵詞:
信息處理技術(shù);血液分析儀;數(shù)據(jù)采集;現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列;數(shù)模轉(zhuǎn)換器;串行外設(shè)接口
傳統(tǒng)血液分析儀大多采用ARM作為控制器,在實(shí)際應(yīng)用中每個(gè)ARM工作時(shí)鐘內(nèi)只能對(duì)1路血細(xì)胞信號(hào)進(jìn)行采樣,造成采樣速率慢,易導(dǎo)致線程死鎖等現(xiàn)象[1].其次,ARM控制器為串行指令工作方式[2],其有限資源難以完成血液分析儀復(fù)雜的控制動(dòng)作,影響了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性.另外,隨著對(duì)血液分析儀檢測(cè)與診斷水平要求的提高,其控制系統(tǒng)也在不斷更新升級(jí),這就要求控制電路具有較好的靈活性,以降低儀器更新升級(jí)的成本.實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明,血液分析儀需在1min內(nèi)完成單個(gè)測(cè)試分析動(dòng)作,包括采集4路血細(xì)胞信號(hào)和1路狀態(tài)信號(hào),5路數(shù)據(jù)總共所占存儲(chǔ)空間大小約為110Mbyte.根據(jù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)要求,血液分析儀的單個(gè)測(cè)試分析動(dòng)作需在60s內(nèi)完成,而控制電磁閥和電機(jī)等動(dòng)作部分占據(jù)大量時(shí)間,所以留給數(shù)據(jù)采樣及處理的時(shí)間僅有8s左右.若先將采樣數(shù)據(jù)存入同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(synchronousdynamicrandomaccessmemory,SDRAM)模塊,再統(tǒng)一上傳,耗時(shí)就會(huì)超過(guò)設(shè)計(jì)要求,要想達(dá)到設(shè)計(jì)要求則只能縮短采樣時(shí)間.采樣時(shí)間越短,所采集的細(xì)胞個(gè)數(shù)就越少,這時(shí),任何細(xì)胞個(gè)數(shù)的波動(dòng)都會(huì)對(duì)細(xì)胞整體計(jì)數(shù)造成很大影響,使儀器性能不穩(wěn)定.為解決采樣時(shí)間、系統(tǒng)可靠性及準(zhǔn)確性之間的矛盾,系統(tǒng)采用ARM(管理級(jí))+FPGA(基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí))的兩級(jí)控制系統(tǒng)的方法[3-5],本研究選擇現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(fieldprogrammablegatearray,F(xiàn)PGA)作為血液分析儀控制系統(tǒng)的核心,利用其并行工作特點(diǎn),在完成多路信號(hào)并行采樣、數(shù)據(jù)處理等工作的同時(shí),完成血液分析儀的控制動(dòng)作,也可滿足系統(tǒng)不斷更新升級(jí)的需要.
1系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)
本研究設(shè)計(jì)的5路并行數(shù)據(jù)采集、處理系統(tǒng),如圖1.其中,包括4路的白細(xì)胞、紅細(xì)胞、血小板、血紅蛋白和1路狀態(tài)信號(hào)(壓力、小孔電壓和試劑)的數(shù)據(jù)采集、處理的控制模塊共同組成血液分析儀多路數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)[6-8].設(shè)計(jì)時(shí)考慮到節(jié)約硬件資源及成本,采用1片8路分時(shí)選通的CD4051芯片,用于切換不同的狀態(tài)檢測(cè)信號(hào),CD4051的輸出端連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analogtodig-italconverter,A/D)的輸入端,完成狀態(tài)參數(shù)的檢測(cè).在信號(hào)采集的同時(shí),針對(duì)不同信號(hào)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)處理,然后將處理的數(shù)據(jù)緩存于隨機(jī)存儲(chǔ)器(randomaccessmemory,RAM)模塊,RAM模塊存滿后,再通過(guò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制模塊將細(xì)胞特征存儲(chǔ)于SDRAM中,最后上傳至ARM主機(jī).
2模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2.1A/D芯片的選擇與控制A/D芯片若采用并行數(shù)據(jù)傳輸方式,硬件上至少需要14根信號(hào)線連接,而選擇串行外設(shè)接口(serialperipheralinterface,SPI)控制方式,硬件上只需3根信號(hào)線進(jìn)行連接,分別為CS、CLK和SDO[9-10];每路A/D至少可節(jié)約11個(gè)FPGA通用輸入/輸出(input/output,I/O)端口并簡(jiǎn)化硬件連線.同時(shí),根據(jù)實(shí)際測(cè)試可知,經(jīng)過(guò)放大后的血細(xì)胞脈沖電壓幅值約為0.4~5.0V,頻率約為500Hz~70kHz,依據(jù)采樣定理,采樣頻率必須大于等于信號(hào)變化頻率的2倍,才能將信號(hào)還原,而實(shí)際工程上一般都取5~10倍以上.因此,本研究選用TI公司的帶SPI控制方式的芯片ADS7883,其采樣頻率最高可達(dá)3×106次/s(millionsamplespersecond,MSPS),能更好的復(fù)原被采樣波形的包絡(luò)線,提高細(xì)胞的識(shí)別精度.ADS7883工作時(shí)序圖如圖2.工作過(guò)程為:當(dāng)SPI的時(shí)鐘信號(hào)SCLK傳送到A/D的SCLK引腳時(shí),A/D開(kāi)始工作;當(dāng)SPI的CS下降沿傳送到A/D的CS引腳時(shí),開(kāi)始轉(zhuǎn)換;A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作是在CS為低電平的狀態(tài)下;當(dāng)CS上升沿到來(lái)時(shí),A/D轉(zhuǎn)換工作結(jié)束.A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換的周期為16幀,但是CS可以在任何時(shí)間進(jìn)行中斷(拉高),此時(shí)SDO數(shù)據(jù)線處于3態(tài),CS為高電平.當(dāng)CS再次變?yōu)榈碗娖綍r(shí)開(kāi)始下一個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換周期,因此每個(gè)數(shù)據(jù)的實(shí)際采樣周期為18=(16+2)個(gè)時(shí)鐘.圖3是血紅細(xì)胞A/D采樣電路原理圖.紅細(xì)胞脈沖微信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后的電壓信號(hào)RBC是A/D芯片的輸入信號(hào).引腳CS、SDO和SCLK是A/D芯片SPI串行工作方式的3條連接線路,分別為片選、數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘,分別連接到FPGA對(duì)應(yīng)的I/O引腳上;DAD4是保護(hù)A/D芯片的穩(wěn)壓二極管,可限制A/D的輸入信號(hào)在5V以下.FPGA接收到A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)后,通過(guò)細(xì)胞識(shí)別模塊,利用細(xì)胞識(shí)別算法進(jìn)行細(xì)胞識(shí)別[11],再將識(shí)別后的細(xì)胞特征值傳遞給RAM緩存模塊進(jìn)行緩存.
2.2RAM數(shù)據(jù)緩存模塊的設(shè)計(jì)細(xì)胞識(shí)別模塊通過(guò)對(duì)采樣波形的分析,對(duì)細(xì)胞脈沖進(jìn)行識(shí)別,并記錄血細(xì)胞脈沖的最大高度和最大寬度,將其緩存于FPGA內(nèi)置的雙口RAM模塊中[12].本研究選用的FPGA芯片EP2C20F484C8,其內(nèi)部RAM模塊寄存器轉(zhuǎn)換級(jí)(registertransferlevel,RTL)電路如圖4.其中,rdclock為數(shù)據(jù)讀取時(shí)鐘;wrclock為數(shù)據(jù)寫入時(shí)鐘;wren為RAM模塊的寫使能信號(hào);data[15∶0]為16bit的寫入數(shù)據(jù);rdaddress[8∶0]為9bit的數(shù)據(jù)讀取地址信號(hào)線;wdaddress[8∶0]為9bit的數(shù)據(jù)寫入地址信號(hào)線;q[15∶0]為16bit的讀出數(shù)據(jù).在采樣過(guò)程中,RAM緩存控制模塊收到細(xì)胞特征值存儲(chǔ)請(qǐng)求后,首先將細(xì)胞高度值傳遞給data[15∶0],然后將數(shù)據(jù)寫使能wren置1,再給一個(gè)wrclock寫脈沖信號(hào),將細(xì)胞高度值寫入RAM模塊中,同時(shí)數(shù)據(jù)寫入地址加1,準(zhǔn)備寫入下一個(gè)細(xì)胞特征值.由于實(shí)際采樣頻率為50/18=2.78MHz,而數(shù)據(jù)傳輸頻率為50MHz,為了達(dá)到采樣與存儲(chǔ)的時(shí)鐘匹配,本研究采用數(shù)據(jù)乒乓存儲(chǔ)操作,保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性和準(zhǔn)確性.具體實(shí)現(xiàn)方式為:在設(shè)計(jì)過(guò)程中,先將RAM中512個(gè)存儲(chǔ)單元,分成2個(gè)256存儲(chǔ)單元使用.采樣開(kāi)始時(shí),首先將細(xì)胞特征值存儲(chǔ)于第1個(gè)256存儲(chǔ)單元,當(dāng)?shù)?個(gè)存儲(chǔ)單元存滿后,開(kāi)始將細(xì)胞特征值存儲(chǔ)于第2個(gè)256存儲(chǔ)單元,同時(shí),將第1個(gè)存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)存到SDRAM中.第2個(gè)256存儲(chǔ)單元存滿后,再將細(xì)胞特征值存儲(chǔ)于第1個(gè)256存儲(chǔ)單元,同時(shí),將第2個(gè)256存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到SDRAM中.如此反復(fù)操作,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的乒乓操作,既保證了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的連續(xù)性,又保證了實(shí)時(shí)性.?dāng)?shù)據(jù)存儲(chǔ)乒乓操作過(guò)程如圖5.
2.3SDRAM存儲(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)由于RAM模塊僅有512個(gè)存儲(chǔ)單元,而每路細(xì)胞特征值最高可達(dá)1×105個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),只有4個(gè)RAM緩存模塊,分別存儲(chǔ)不同細(xì)胞信號(hào)的特征值,因此,當(dāng)RAM模塊存儲(chǔ)滿后,需將數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)存.本研究選擇2片Micron(美國(guó)鎂光)公司的MT48LC16M16A2P芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)[13],其內(nèi)存帶寬為133MHz,每片存儲(chǔ)空間有32MByte,每片SDRAM芯片對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)2個(gè)RAM模塊數(shù)據(jù).將SDRAM的各個(gè)引腳連接到FPGA相對(duì)應(yīng)的引腳上,并定義好FPGA引腳功能定義,其中,SDRAM的CLK引腳連接到FPGA的鎖相環(huán)(phaselockedloop,PLL)時(shí)鐘輸出引腳上,在實(shí)現(xiàn)SDRAM存儲(chǔ)時(shí),可通過(guò)PLL進(jìn)行倍頻,以提高SDRAM的讀寫速度.在采樣過(guò)程中,數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與讀取通過(guò)SDRAM控制器實(shí)現(xiàn).由于每片SDRAM模塊對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)2個(gè)RAM模塊的數(shù)據(jù),因此,將SDRAM的32Mbyte空間分成2個(gè)16Mbyte空間,分別存儲(chǔ)2個(gè)RAM模塊的數(shù)據(jù).?dāng)?shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí),SDRAM控制器通過(guò)切換數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的正確存儲(chǔ).采樣開(kāi)始后,SDRAM控制器首先檢測(cè)第1個(gè)RAM模塊是否有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)請(qǐng)求信號(hào),即req_1是否為1,如不為1,則檢測(cè)第2個(gè)RAM模塊是否有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)請(qǐng)求信號(hào),即req_2是否為1,如不為1,則再次檢測(cè)req_1信號(hào).當(dāng)req_1=1后,則將第1個(gè)RAM模塊中的數(shù)據(jù)讀出,存儲(chǔ)到SDRAM模塊中,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完成后,再檢測(cè)req_2信號(hào).這樣就實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)完第1個(gè)RAM模塊的數(shù)據(jù)后,首先檢測(cè)第2個(gè)RAM模塊是否有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)請(qǐng)求,保證了每個(gè)RAM模塊的數(shù)據(jù)均能及時(shí)存儲(chǔ)到SDRAM中,避免了數(shù)據(jù)丟失或阻塞現(xiàn)象.
2.4SPI數(shù)據(jù)通訊模塊的設(shè)計(jì)血液分析儀單個(gè)分析動(dòng)作所采集的細(xì)胞總數(shù)最多約為15萬(wàn)個(gè),處理過(guò)程中需取每個(gè)細(xì)胞的寬度和高度兩個(gè)細(xì)胞特征值,因此,F(xiàn)PGA需反饋給ARM處理器的總數(shù)據(jù)量最多約為30萬(wàn)個(gè),每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)為16bit,因此總數(shù)據(jù)量為0.6Mbyte.根據(jù)設(shè)計(jì)要求,數(shù)據(jù)上傳耗時(shí)僅1s,SPI理論傳輸速率為25Mbyte.為保證通訊可靠,本研究采用12MHz的控制時(shí)鐘,則SPI傳輸速率為1.5Mbyte,因此數(shù)據(jù)傳輸完成總時(shí)間為0.4s,可滿足設(shè)計(jì)要求.SPI通訊連接示意圖如圖6.由于上下位機(jī)之間連線較少,因此提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性.FPGA需將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)SPI接口上傳給ARM進(jìn)行分析管理,此時(shí)ARM作為主機(jī),F(xiàn)PGA作為從機(jī).具體流程如圖7,F(xiàn)PGA通過(guò)REQ信號(hào)向ARM發(fā)出數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求;ARM收到請(qǐng)求信號(hào)后,啟動(dòng)SPI控制器控制FPGA的SPI模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送,再將CS置為0,然后發(fā)出16個(gè)CLK脈沖時(shí)鐘,每個(gè)CLK的上升沿通過(guò)SPI的MOSI向ARM發(fā)送1bit數(shù)據(jù),高位在前,低位在后,數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后,將CS置為1.FPGA的采樣數(shù)據(jù)均為12bit,ARM的控制器發(fā)出的SPI時(shí)鐘為16bit,因此數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí),以1個(gè)16bit的數(shù)據(jù)為1個(gè)單位,F(xiàn)PGA中數(shù)據(jù)不足的位補(bǔ)0,即每發(fā)出1個(gè)REQ請(qǐng)求信號(hào),上傳2byte給ARM,直到數(shù)據(jù)傳送完為止,停止REQ的請(qǐng)求.
3系統(tǒng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證
為驗(yàn)證系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及處理的正確性,針對(duì)A/D采樣部分,本研究以3V直流電壓源為輸入到5路A/D行采樣,同時(shí)運(yùn)用FPGA編程軟件QuartusII[14]自帶的SignalTap邏輯分析儀進(jìn)行在線觀測(cè).從A/D采樣、AD輸入到SDRAM、SDRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀取、SPI通訊4方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試分析,驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正確性.
3.1A/D采樣數(shù)據(jù)的驗(yàn)證測(cè)試過(guò)程中輸入信號(hào)為約3.07V的直流源,對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制A/D數(shù)據(jù)為3.07×4095/5=2514.若5路A/D轉(zhuǎn)換器采集電壓值對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制值都在2514左右范圍內(nèi),則采樣的數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的,否則錯(cuò)誤.當(dāng)控制5路A/D采樣的SPI時(shí)鐘完全同步時(shí),由圖8可知,同時(shí)段內(nèi)采集的電壓值相同且都在誤差允許范圍內(nèi),說(shuō)明5路A/D采樣的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確.
3.2AD輸入到SDRAM數(shù)據(jù)鏈路驗(yàn)證為驗(yàn)證從AD輸入到SDRAM輸出的數(shù)據(jù)鏈路的正確性和完整性,采用SignalTab工具觀測(cè)SDRAM輸出數(shù)據(jù)是否與AD輸入保持一致.圖9為SignalTab觀測(cè)的SDRAM數(shù)據(jù)輸出時(shí)序圖.其中,S_enable為讀SDRAM的使能信號(hào).當(dāng)S_enable為高電平時(shí),開(kāi)始讀取SDRAM的數(shù)據(jù).參考圖8可知,SDRAM輸出數(shù)據(jù)與AD輸出數(shù)據(jù)完全一致,無(wú)丟失和錯(cuò)碼,說(shuō)明從AD輸入到SDRAM輸出鏈路數(shù)據(jù)正確且完整.
3.3SDRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀取的驗(yàn)證數(shù)據(jù)處理完畢,通過(guò)將細(xì)胞特征值用1~4095依次遞增的循環(huán)數(shù)進(jìn)行代替,驗(yàn)證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀取的正確性與完整性.圖10為1路RAM模塊將256個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SDRAM模塊的時(shí)序圖.當(dāng)?shù)?個(gè)緩存模塊r_req發(fā)出數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求后,SDRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制模塊起始地址為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起始地址saddr1,同時(shí)將緩存中的數(shù)據(jù)存入SDRAM中.由圖10可知,data-in寄存器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為1~256,共256個(gè)數(shù)據(jù).然后,停止數(shù)據(jù)存儲(chǔ),此時(shí)白細(xì)胞數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起始地址saddr1由開(kāi)始的0000H變?yōu)?100H,共增加了256,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位數(shù)和地址變化正確.為進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正確性,放大后的邏輯分析儀效果圖如圖11.?dāng)?shù)據(jù)寄存器data-in中的數(shù)據(jù)由1開(kāi)始遞增變化,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)正確.由圖12可知,當(dāng)數(shù)據(jù)讀取請(qǐng)求信號(hào)req發(fā)出時(shí),SDRAM讀取控制器開(kāi)始讀取SDRAM中的數(shù)據(jù),每次請(qǐng)求數(shù)據(jù)讀取的總數(shù)為256個(gè),同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到RAM中.?dāng)?shù)據(jù)讀取起始地址由0開(kāi)始,每讀完256個(gè)數(shù)據(jù),讀取的起始地址加256,當(dāng)讀取完4次256個(gè)數(shù)據(jù)后,停止數(shù)據(jù)讀取.因此可知,數(shù)據(jù)讀取個(gè)數(shù)與數(shù)據(jù)讀取起始地址變化正確.為進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)據(jù)讀取的正確性,放大后的邏輯分析儀效果如圖13.?dāng)?shù)據(jù)輸出寄存器data-out中的數(shù)據(jù),由1開(kāi)始依次遞增,因此,SDRAM讀取出來(lái)是正確的,同時(shí)也再次驗(yàn)證了存入SDRAM模擬數(shù)據(jù)的正確性.
3.4數(shù)據(jù)傳輸驗(yàn)證采樣結(jié)束后,需將SDRAM中的數(shù)據(jù)通過(guò)SPI通訊接口上傳給ARM主處理.具體的處理過(guò)程為:SPI在ARM主處理器的控制下,首先將CS置為0,然后發(fā)出CLK時(shí)鐘信號(hào),每個(gè)CLK的上升沿將數(shù)據(jù)逐位通過(guò)MOSI發(fā)送出去,數(shù)據(jù)發(fā)送完后,將CS置為1.由圖14可知,數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器data-out為依次遞增的數(shù)列,數(shù)據(jù)正確且完整,驗(yàn)證了數(shù)據(jù)發(fā)送正確性及完整性.
4結(jié)語(yǔ)
設(shè)計(jì)一種基于FPGA的多路數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了5路A/D的并行數(shù)據(jù)采樣、處理的功能.采用A/D芯片的串行SPI控制接口,節(jié)省了FPGA的硬件資源;2.78MSPS采樣速度達(dá)到了血液分析儀采樣速率的要求;乒乓存儲(chǔ)操作的方式,良好地匹配了數(shù)據(jù)采樣與存儲(chǔ)的時(shí)鐘.系統(tǒng)不但滿足了血液分析儀對(duì)數(shù)據(jù)采集、處理的要求,也可根據(jù)實(shí)際需求,實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件電路的升級(jí).與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比,本系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定可靠、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、靈活性好等特點(diǎn),對(duì)性比價(jià)高的血液分析儀的研制具有一定的參考價(jià)值.
作者:詹從來(lái) 龍偉 丁遠(yuǎn)超 李富貴 單位:南昌大學(xué)信息工程學(xué)院