基于FPGA的快速脉冲数据采集及处理系统设计

STGing · 发表于 2022-9-6 09:59

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摘要：为了提高脉冲信号多参数提取的准确性，从而更精确地表征细胞多种物理和生化特性，设计了基于FPGA 的快速脉冲数据采集与处理系统;首先，采用对时间窗口和幅值同时设定阈值的方法，有效避免了噪声对有效脉冲识别的影响;其次，采用 FPGA 实现数据采集、快速数字滤波、以及脉冲峰值、面积和脉宽3个参数的提取，并利用 FPGA作为外部主控制器实现对USB芯片CY7C68013A 内部FIFO的控制，实现脉冲数据的高速处理、传输;最后，对系统的可行性及准确性进行了实验;实验结果表明，本系统能够对脉冲信号进行有效实时识别和高准确度的参数提取，同时 USB的数据传输速度可达 29.8 Mb/s，满足系统数据传输的实时性要求。
流式细胞仪是一种集流体动力聚焦技术、激光技术、电子物理技术、光电测量技术、细胞荧光化学技术等多种技术于一体的新型高速检测仪器，主要由液流、光学、电子电路和显示分析软件四部分组成。液流部分形成高速稳定的单细胞流;光学部分利用激光对标记有荧光染料的细胞进行照射，并对激发出的荧光进行传输接收;电子电路部分实现光电转化并对表征细胞特性的电信号参数进行提取，之后将参数传输至上位机进行显示分析1。
本文对电子电路部分中的荧光脉冲信号处理及传输进行了研究，数据处理的准确性及数据传输的实时性将直接影响上位机数据显示分析的准确度。细胞经过激光检测区时所产生的荧光信号被PMT接收，形成电脉冲信号。用于表征细胞特性的电信号参数主要有脉冲峰值、面积和脉宽。脉冲峰值与荧光信号强度成正比例关系，代表了所测定细胞膜表面抗原数量。脉冲面积表征荧光的光通量，常用于 DNA含量的测定。脉冲宽度常用于区分双连体或多连体细胞。在对脉冲信号参数提取之前需要对数据进行高速滤波处理，减小毛刺等噪声对计算结果的影响，本文采用滑动平均数字滤波算法实现对脉冲信号的平滑处理。同时采用USB2.0接口实现 FPGA与上位机之间的数据传输，实现每秒上万个细胞的多参数信息传输。

1、总体结构
荧光脉冲信号采集处理系统的总体结构如图1所示。光电倍增管（PMT）将接收到的荧光信号转换成电脉冲信号，电脉冲信号经过调理放大电路处理后传送至 ADC芯片，ADC芯片将模拟信号转换为数字信号并传送给 FPGA，FPGA 进行滑动平均滤波并判别有效脉冲信号，进而实现峰值、脉宽和面积3个参数的提取，再将参数依次存入下一级的FIFO中缓存，最后将数据经 USB2.0接口传送到上位机进行显示和分析。

FPGA芯片采用Xilinx公司Spartan6系列中的XC6SLX25，ADC芯片选用的是美国Analog Device公司的AD9203，USB芯片采用Cypress公司EZ-USBFX2系列中的CY7C68013A。

2、滑动平均数字滤波
由于细胞碎片以及光电转化过程中电子噪声的存在，FP-GA接收到的数字曲线中包含高频波动与毛刺。本文采用的滑动平均数字滤波算法具有低通特性，并目能够满足数据高速处理的需求。根据信号的采样频率，为避免数据点产生较大的偏移，在FPGA中实现滑动平均滤波的具体方案为. 选取 5个采样点，初始值置零，求和后，除以5，得到中间采样点的滤波值y，然后去除这一组数中左端一个点的数据，往前移动一位，在右端加上下一个采样点的数据，重复上述过程，得到平滑曲线的第二个值。如此反复进行，就可获得整个曲线的数据。其数学表达式为∶

该滤波模块采用5级移位寄存器 Fd 和 4 个加法器 Adder 实现对输入数据的滑动求和，5级移位寄存器组成一个数据队列，在每个时钟上升沿的推动下移动一次，形成新旧数据的移入移出，接着用一个固定数值为5的除法器 Divider 实现对滑动求和平均的运算，最后将计算完成的数值赋值给 Filiter-out 寄存器，作为滤波值。滤波器的时钟Clk与 ADC芯片的采样时钟同步，为 40 MHz，输入信号源为 ADC芯片的输出信号 ADataOut，其结构图如图 2 所示。

将未滤波的采样数据与滤波后的采样数据均传输至上位机，经Matlab拟合后的曲线如图3所示。

通过比较可知，滤波后的曲线较滤波前的曲线平滑，对脉冲信号的幅值、宽度等信息没有造成损害。

niubility · 发表于 2022-9-6 10:42

很好，说得很细致。

big_gun · 发表于 2022-9-6 13:09

荧光脉冲信号采集处理系统的总体结构，这个要细细的看看。

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