基于現場可編程門陣列的膠體金讀數儀

萬宇平　歐陽文波　賈芳芳　何方洋

(北京勤邦生物技術有限公司，北京 102206)

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儀器研制與改進

基于現場可編程門陣列的膠體金讀數儀

萬宇平歐陽文波賈芳芳何方洋*

(北京勤邦生物技術有限公司，北京 102206)

摘要：研制了一種基于現場可編程門陣列(FPGA)的膠體金讀數儀，由FPGA控制CMOS相機進行膠體金試紙條圖像的采集，通過一系列的算法分析搜索出檢測限位置并計算出灰度值，再通過膠體金試紙條的檢測值-濃度特征曲線實現定性和定量，最后將檢測結果通過GPRS無線網絡實時發送到遠程服務器。該儀器具有體積小，準確率高，操作簡單，重復性好等優點，已成功應用于實際的監管領域和食品生產企業。

關鍵詞：膠體金FPGACMOS攝像頭GPRS

1引言

膠體金試紙能夠快速、批量檢測食品中的有毒有害物質，具有操作簡便、費用低廉、無需專業人員和大型儀器等諸多優點[1-3]，但是實際應用中出現了一些問題：檢測結果難以量化，需手動記錄結果，光線強弱和人員差異都會影響結果的判讀，較難溯源等[4-6]。因此，針對以上出現的問題，應運而生了配合膠體金試紙判讀的讀數儀，該類儀器不僅保持了膠體金試紙原有的優勢，而且還克服了其缺點，實現了自動判讀、記錄檢測結果等功能[7，8]。本項目研制的膠體金讀數儀就屬于該類儀器中的一種智能化便攜式儀器，能夠通過物聯網傳輸數據、溯源，利于食品安全監管工作的順利開展。目前，該儀器已成功應用于實際的監管領域和食品生產企業。

2系統組成及工作原理

該系統主要包括：現場可編程門陣列(FPGA)主控核心CPU、射頻模塊、時鐘管理模塊、薄膜按鍵板、FLASH存儲器、SD卡模塊、LED照明光源、內置高清CMOS相機、試紙條圖像采集模塊、熱敏打印機、WIFI模塊、GPRS模塊和TFT彩屏顯示器。

系統的工作原理是由FPGA作為主控芯片，通過采集時鐘信號、幀同步、行同步等信號，有序采集圖像數據，在主從控制器、讀寫控制器、同步控制器的協同控制下，通過數據緩沖器乒乓操作，控制CMOS相機進行試紙條圖像的采集，在NiosⅡ軟核處理器的控制下，提取目標圖像區域數據進行進一步的數據計算處理，確定C,T線位置，最終得出C,T線光檢值。并有相應的標準曲線測算出濃度。

3系統圖像處理的實現

FPGA內部分為硬核邏輯功能和軟核CPU控制功能，硬核部分支持圖像采集處理存儲，軟核運行32位NiosⅡ快速處理器CPU，主頻100MHz，完成圖像數據分析與處理任務之外，控制協調外圍部件：TFT液晶顯示、時鐘電路、熱敏打印機、GPRS模塊等驅動與控制。

圖1膠體金讀數儀圖像處理流程圖

首先采集N幅圖像窗口有效區域300×50像素的圖像PN[300,50]，進行均值濾波算法，把N幅圖像壓縮成一幅圖像NewP[300,50]；將新的圖像結合照明補償系數逐個點相乘獲取補償后的二維圖像數組Gray_NewP[300,50]；下一步進行歸一化處理，將50行做均值處理，獲取一維數組QX_ Gray_NewP[300,1]，根據該一維數組顯示為一條檢測區域灰度分布曲線，如圖2所示。

圖2　灰度化校準數據曲線示例

由圖2可以看出曲線中有2個明顯的波谷，這就是所要提取的C，T線值。

4系統硬件設計

4.1FPGA主控核心設計

FPGA核心主控芯片最小系統電路、雙SDRAM緩存模塊，FLASH數據存儲模塊，外置晶振電路，CMOS相機圖像傳感器電路、電源管理模塊，選用美國ALTERA公司生產Cyclone Ⅳ系列的芯片EP4CE30，此芯片屬于現場可編程陣列芯片，內部有豐富的可編程邏輯資源，可以通過硬件描述語言就像電子積木一樣，方便的創建集成電路，實現豐富多樣的邏輯電路，而且該類FPGA芯片集成Nios○RⅡ 32位軟核IP處理器實現控制層應用，可以實現單芯片集成復雜邏輯資源的控制功能，適用于圖像采集和處理系統應用。

EP4CE30這款芯片采用經過優化的60nm低功耗工藝，Cyclone Ⅳ E FPGA拓展了前一代Cyclone Ⅲ FPGA的低功耗優勢。最新一代器件降低了內核電壓，與前一代產品相比，總功耗降低了25%。主控制芯片是整個控制系統的核心，負責完成圖像數據采集存儲、處理，并控制所有外設的協調工作。FPGA芯片豐富的內部資源和高集成度，大大提高了系統的集成度和穩定性，降低了設備的體積。

4.2圖像采集模塊設計

圖像采集模塊由CMOS圖像傳感器單芯片組成，接口由SCCB協議控制數據串口、數據12bit并口組成，Nios Ⅱ處理器通過串口發送控制配置命令發送給傳感器芯片，傳感器芯片輸出幀頻圖像邏輯信號，FPGA內部采集邏輯電路在時序邏輯電路的配合下，乒乓操作SDRAM存儲器，有序采集圖像數據并緩存在Flash，完成單幅圖像的采集，圖像采集光路系統示意圖如圖3所示。樣機系統的圖像采集部分由暗室光密閉模塊、試紙條插卡槽、環形勻光LED光源、高清相機鏡頭、高靈敏度面陣CMOS圖像芯片組成。光照度均勻更能保證圖像的真實性，獲得良好的數據重復性。

圖3　圖像采集光路系統示意圖

4.3電源管理模塊設計

電源管理模塊，把鋰電池或者外接電源提供的5V/2A電源進行濾波穩壓處理，轉換成5路電源，其中3路：5.0V、3.3V、2.5V給FPGA主控芯片供電，一路5.0V給CMOS相機供電，一路5.0V給串口熱敏打印機和GPRS模塊供電。熱敏打印機在工作時瞬間電流能達到1.2A以上，GPRS模塊瞬間工作電流峰值達到500mA以上，給圖像采集電路帶來干擾，因此需要單獨電源隔離和濾波，經過處理，可以排除電流突變帶來的干擾，實現鋰電池供電時也可以穩定采集圖像得到滿意的數據。穩定可靠的電源管理系統為整機的穩定性提供了可靠的動力系統。

4.4GPRS模塊設計

本設計采用上海移遠的M35 GPRS模塊，該模塊通過串口與PFGA主芯片通訊交互數據，SIM卡與外部GSM移動網絡通信實現移動網絡數據交互。GPRS模塊具有功耗低，傳輸穩定，速度快，內嵌TCP/IP協議，非常適合在沒有Internet網絡的情況下，通過GPRS網絡連接互聯網向遠程服務器傳輸檢測數據，可以隨時隨地檢測，大大提高設備的靈活性。該模塊設計有效地解決在沒有互聯網的情況下實現了向遠程服務器發送數據的功能。

4.5系統的模塊設計

系統需要外擴實時時鐘模塊來實現對當前時間與檢測時間記錄，外擴SD卡，記錄測試數據，外擴人機接口包括按鍵、彩屏TFT顯示和熱敏打印機等。這些外擴模塊提供了豐富的人機交互，較大地提高了設備的可操作性。

5實驗設計

5.1光檢值的測定

膠體金讀數儀分析原理是基于對顯色灰度深淺變化的檢測，因此對膠體金試紙條顯色檢測有著廣泛的通用性。

以克侖特羅殘留檢測試紙條為例，設計以下實驗內容：配制6種濃度的克侖特羅豬尿樣品溶液，其濃度分別為0.0μg/L、0.1μg/L、0.5μg/L、1.0μg/L、2.0μg/L、3.0μg/L，每種濃度的豬尿樣品溶液分別用1個試紙條進行測試，連續測試10次，得到60個T線讀值；對60個光檢測數據進行統計分析，計算光檢測平均值、標準偏差、CV值、最大偏差等。對檢測器的性能：光檢測結果階梯寬度、光檢測重復性、數據穩定性進行分析，以下列舉的性能比較內容進行解釋。

光檢測結果階梯寬度：相鄰濃度的試紙條光檢測值的差，該差值越大，越利于膠體金試紙條試驗匹配。

光檢測重復性：對同一試紙條檢測N次,計算CV值，該值越低，重復性越好。

數據穩定性：多次檢測數據，綜合評估檢測結果，CV值低，光檢測重復性好，表明數據穩定性好。試紙條重復性梯度測試數據匯總見表1。

顯色區域內控制線顯色表示該試紙卡有效，檢測線T顯色深淺的變化代表著檢測溶液濃度的變化。待檢樣品溶液中克侖特羅的濃度越高，T線的灰度就越淺，圖像壓縮處理的曲線波谷就越淺，變異系數/線性相關系數比值也就越小。

5.2標準曲線的建立和測算

在實際膠體金試紙卡測試當中，必然采集大量的數據，需要對這些數據進行記錄、整理、計算和分析，從而尋找這些數據的內在規律，找到適合的擬合曲線算法，從而無限接近正確的結果。

曲線坐標的建立，通常以濃度自變量作為橫坐標(X軸)，以因變量-光檢值作為縱坐標(Y軸)，并注明坐標軸相應的單位。擬合曲線的標準是平滑的曲線，實驗數據坐標點均落在這條平滑的曲線上。

本設計采用的是兩點直線擬合，通過標定標準濃度而獲得標準曲線，就可以通過讀數儀在獲取光檢測數據的同時，得到相應的濃度值，從而實現定量測試。

6結束語

研制出了一種基于現場可編程門陣列的膠體金讀數儀，該設備體積小，重量輕，便于手持檢測，集成化程度高，集成了130W像素CMOS高清相機圖像采集進行快速分析處理、GPRS無線傳輸、彩色液晶屏界面顯示、穩定光源照明等功能模塊與一體，可以滿足食品企業和監管單位的應用需求。

參考文獻

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A colloidal gold readout instrument based on FPGA.WanYupingOuyangWenboJiaFangfangHeFangyang

(BeijingKwinbonBiotechnologyCoLtd.,Beijing102206，China)

Abstract：In this paper，we introduced a hand-held food safety analyzer based on FPGA. CMOS camera was controlled by FPGA to collect colloidal gold strip rapid test images，which could search the position of the detection limit by a series of algorithms and calculate the gray value. Then we could obtain qualitative and quantitative results by detection value-concentration characteristic curve of collecting colloidal gold strips. At last the results could be sent to remote server real-timely by GPRS wireless network. The analyzer with a high accuracy rate and good reproducibility is small and simple，which has been applied to supervisory realm and food production enterprises successfully.

Key words：Colloidal gold；FPGA; CMOS; camera; GPRS

收稿日期：2015-02-10

DOI:10.3936/j.issn.1001-232x.2016.01.002

作者簡介：萬宇平，男，1982年出生，工程師，碩士，研究方向：食品安全快速檢測技術。通訊作者：何方洋，男，1969年出生，高級研究員，博士，研究方向是食品安全檢測技術研究，E-mail：qinbangjia@163.com。

基金項目：(1)國家農業科技成果轉化資金項目，基于物聯網的農產品和飼料中毒素污染現場快速檢測溯源技術轉化與應用，合同編號：2014GB2A000266。(2)國家科技支撐計劃課題“現場快速檢測儀器與物聯網配套技術研發與產業化示范”(2012BAF14B02)。