基于FPGA和STM32的流式细胞仪数据采集系统设计

STGing · 发表于 2022-8-11 09:54

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摘要：针对流式细胞仪采集微弱信号高速高精度的需求，设计了一种基于 FPGA 和 STM32控制的模数转换多通道高速高精度数据采集系统;该系统接收并调理放大光电转换后的微伏级细胞脉冲电信号，经模数转换传给 FPGA作识别，再由 STM32读取传至上位机分析处理;FPGA结合 STM32 单片机控制其外围芯片，可实现数据的同步采集、实时缓存和高速传输;为验证系统的有效性，采用彩虹八峰微球上机测试，实验结果表明荧光通道荧光检出限以及荧光线性符合国家标准，满足流式细胞仪数据采集的高速高精度要求，在医疗电子仪器设计领域具有广阔的应用前景。

流式细胞术已成为分子生物学、医学、免疫学、病理学、植物生物学、海洋生物学等众多领域中一种高速、高灵敏度分析荧光信号的研究方法1。流式细胞仪拥有同步采集、多参数细胞分析的优点，可以快速全面的检测大细胞群。其硬件与试剂的共同发展使其能够实现对单个细胞的多参数分析，这对流式细胞仪的数据采集能力提出高速、高精度、多通道的要求。传统的多通道数据采集系统大多数是靠模数转换（ADC）芯片的多通道分时复用实现，此方法难以实现同步和高速高精度采集。此外，还有使用数据采集卡的方法，但其核心技术不公开，无法针对具体需求修改和升级，而且集成度不高，价格昂贵，后期维护不便。
本文设计了一种基于FPGA和 STM32控制的模数转换多通道数据采集系统，采用多片双通道 ADC芯片并行采集。FPGA给各 ADC芯片提供驱动信号控制数据采集，并对采集到的信号识别处理，实时缓存。STM32从 FPGA上读取数据后，经网口高速传输至上位机作下一步分析处理。这一方法既保证了整个数据采集系统的同步性，又达到了高速高精度的要求，还可以根据数据采集需求的变化及时修改软硬件设计，满足系统需求。

1、系统结构及原理
流式细胞仪多通道数据采集系统主要由数据采集和数据传输两部分组成。数据采集部分主要由光电探测器、信号调理放大模块和模数转换器（ADC）组成，由 FPGA 对采集部分进行控制，并且实现数据识别处理，STM32单片机对数据传输部分进行控制。系统的总体结构图如图1所示。

流式细胞仪的采集通道根据光信号性质的不同可以分为散射光通道（FSC、SSC）和荧光通道（FL1～FL7）共计9路通道，因此本系统采用5片双通道 ADC同步采集。光信号经过多路光电探测器后转变为微安级模拟电流信号，经过调理放大电路进行I/V转换、放大滤波，形成的模拟电压信号由 ADC转换为数字信号传送给 FPGA。通过 FP-GA实现识别处理，将脉冲参数数据通过 FMC总线传送给STM32，最终由 STM32通过网口发送给上位机进行处理分析。系统采用FPGA 给每个通道提供统一的采样时钟来保证通道间的同步性，并且对 ADC芯片的工作模式进行上电配置。为了实现彩虹微球 8峰的测量，荧光探测的动态范围应达到10'。而流式细胞仪探测通道量不能低于10 000 个细胞每秒，就必须要求每个通道的同步采样速率不应该低于5 MSPS。并且仪器性能需要达到国家标准，即荧光检出限应小于 200 MESF（Molecules of Equivalent Soluble Fluorochrome），荧光强度线性相关系数（r）应大于0.98。

2、系统硬件设计
信号采集是流式细胞仪控制的中心，也是后续数据传输和处理的基础。本系统采用多通道同步 ADC高速高精度的方式实现信号采集，信号采集部分主要由I/V转换、程控放大、差分滤波、模数转换器（ADC）、FPGA 组成。光信号通过光电转换后，经由 I/V转换成模拟电压信号，经过程控放大、差分滤波后模数转换成数字信号作处理。由 FPGA 实现对 ADC的驱动控制和对 DDR3进行读写控制，并对细胞脉冲识别和细胞原始脉冲数据存储以及与STM32进行数据交互。数据采集流程框图如图2所示。

2.1 信号调理电路设计
如图3所示调理放大电路，为了能够采集光电探测后的微弱电流信号，须对其进行 I/V转换，即将电流转变为电压。电路中采用控制简单、动态范围大且线性度好的反向放大电路作为次级放大电路，且在进行 I/V转换的同时还能对电压信号进行放大。R4与C3组合成 RC 滤波电路，起到耦合隔离、滤波的作用。程控放大电路通过调节 DAC内部的阻抗以改变电压的放大倍率，DAC内部结构实质是电阻网络，当上位机对 DAC进行配置时，即配置 DAC内部不同的电阻组合。将 DAC内部电阻与运放 U4 组合在一起构成反向放大电路以改变放大倍数，即实现上位机对底层模拟放大电路的增益可调的效果。