基于Zynq的數(shù)字PCR熒光數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

羅遠(yuǎn)彥 溫澤鑫 魏翱翔 張宗華

摘? 要：文章介紹了一種數(shù)字PCR四通道熒光數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)以Xilinx Zynq-7000為核心微處理器，PL驅(qū)動(dòng)ADC芯片LTC2370采集熒光數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過AXI4總線寫入DDR3緩存，通過AXI4總線讀出DDR3中熒光數(shù)據(jù)并通過USB3.0接口上傳數(shù)據(jù)到PC;PS完成液路系統(tǒng)控制的功能。測(cè)試結(jié)果表明，所提出的基于Zynq的數(shù)字PCR熒光數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠完成熒光數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)緩存以及USB3.0數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的性能功耗比，使系統(tǒng)空間更小，擴(kuò)展性更高，并為后期的熒光數(shù)據(jù)處理提供了豐富的資源。

關(guān)鍵詞：數(shù)字PCR;Zynq;數(shù)據(jù)采集;DDR3;USB3.0

中圖分類號(hào)：TP302.1? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）17-0020-03

Abstract： This paper introduces a four-channel fluorescence data acquisition system for digital PCR. This system takes Xilinx Zynq-7000 as the core microprocessor. PL drives ADC chip LTC2370 to collect fluorescent data， writes the data into DDR3 buffer through AXI4 bus， reads out the fluorescent data in DDR3 through AXI4 bus， and uploads to PC through USB3.0 interface. PS completes the function of liquid system control. The test results show that the fluorescence data acquisition system based on Zynq can complete fluorescence data acquisition， data caching and USB3.0 data transmission. The system can achieve excellent performance power ratio， make the system space smaller and expand more， and provide rich resources for fluorescence data processing in the later period.

Keywords： digital PCR; Zynq; data acquisition; DDR3; USB3.0

引言

數(shù)字PCR是一種核酸分子絕對(duì)定量技術(shù)，微滴式數(shù)字PCR把每個(gè)樣本的反應(yīng)液均勻分割成數(shù)萬個(gè)乳液包裹的微液滴，隨后在每個(gè)微滴內(nèi)分別進(jìn)行PCR擴(kuò)增，最后通過一個(gè)熒光數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)逐個(gè)對(duì)液滴的熒光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，將熒光數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)泊松分布原理及陽性微滴的個(gè)數(shù)與比例得出靶分子的起始拷貝數(shù)或濃度，是一種很有前途的分子定量檢測(cè)手段[1]。

目前，數(shù)字PCR熒光信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般使用FPGA來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、緩存、傳輸?shù)裙δ埽肧TM32或其他處理器來實(shí)現(xiàn)液路系統(tǒng)的控制等功能。本文提出了一種基于Zynq的數(shù)字PCR四通道熒光數(shù)據(jù)采集方案，它集數(shù)據(jù)采集與液路控制于一體，集成化程度高，減少系統(tǒng)空間，并為后期的熒光數(shù)據(jù)處理提供了豐富的資源。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

基于Xilinx Zynq-7000 SOC device[2]的數(shù)字PCR四通道熒光數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)三維平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制、注射泵、十通閥、清洗泵的控制、激光器控制、PMT增益控制、四色熒光數(shù)據(jù)的采集、DDR3緩存、USB3.0上傳數(shù)據(jù)到PC等功能，并為后續(xù)擴(kuò)展在Xilinx Zynq-7000中進(jìn)行熒光數(shù)據(jù)處理的功能預(yù)留了相關(guān)的接口。整體硬件平臺(tái)框圖如圖1所示。

2 軟硬件功能劃分

在該SOC內(nèi)部，PS與PL通過芯片內(nèi)部的AXI4-lite總線進(jìn)行通信，使PS與PL能夠協(xié)調(diào)、穩(wěn)定、有序地工作;而通過AXI4總線讀寫DDR3完成熒光數(shù)據(jù)的緩存與上傳。同時(shí)，SOC可以通過USB3.0接口和上位機(jī)進(jìn)行交互，從而使SOC能夠根據(jù)相關(guān)的控制命令完成相應(yīng)的動(dòng)作或功能。SOC內(nèi)部軟硬件功能的劃分如表1所示。

3 PL實(shí)現(xiàn)的功能

PL整體功能框圖如圖2所示，可將圖2分為上下兩部分，上半部分主要功能有：PS通過AXI4-LITE總線控制PL實(shí)現(xiàn)PMT增益控制、四色熒光數(shù)據(jù)的采集以及數(shù)據(jù)通過AXI4總線寫入DDR3緩存等;下半部分主要實(shí)現(xiàn)PS通過AXI4-LITE總線和USB3.0接口與上位機(jī)通信，PL通過AXI4總線讀出DDR3中熒光數(shù)據(jù)和通過USB3.0接口上傳數(shù)據(jù)等。

3.1 四色熒光數(shù)據(jù)的采集與緩存

在PL中ADC1、ADC2、ADC3、ADC4模塊分別實(shí)現(xiàn)四個(gè)通道的ADC芯片LTC2370（16bit，2Msps）的驅(qū)動(dòng)，接收四色熒光通道（FAM， VIC， ROX， TAMRA）的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)傳給ADC_Store模塊。ADC_Store模塊使用兵乓buffer方式實(shí)現(xiàn)熒光數(shù)據(jù)的緩存，對(duì)于同步采集到的四色熒光通道數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)分別屬于這四個(gè)通道中的一個(gè)，因此需要在緩存的過程中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分通道整理。ADC_Freq模塊實(shí)現(xiàn)采樣率設(shè)置的功能，初始化時(shí)采樣率為800KHz，采樣率滿足以下條件，1≤Freq≤2MHz。CTRL_TR模塊實(shí)現(xiàn)熒光數(shù)據(jù)寫入AXI4控制邏輯，具有DDR3緩存地址控制器、突發(fā)寫長度控制器等功能。熒光數(shù)據(jù)緩存的實(shí)現(xiàn)方式如表2所示。

Din_RAM模塊用來存放PS傳來的命令，Deal_din_ram模塊解析命令并產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)和配置數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)采集、緩存數(shù)據(jù)的可控性，通過DAC_SET模塊設(shè)置PMT增益，DAC_INF模塊實(shí)現(xiàn)控制PMT增益的DAC芯片的驅(qū)動(dòng)，ADC_Freq模塊實(shí)現(xiàn)采樣率的設(shè)置。同時(shí)，PL通過Deal_dout_ram模塊和Dout_RAM模塊向PS返回PL的狀態(tài)、配置信息、PL版本等信息。

3.2 USB3.0上傳數(shù)據(jù)

由于本設(shè)計(jì)中，USB協(xié)議的實(shí)現(xiàn)使用了專用的外部芯片cypress3014，因此在SOC內(nèi)部的PL中只需要完成PL與cypress3014的通信（USB interface模塊，傳輸數(shù)據(jù)位寬32bit，時(shí)鐘100MHz）即可，這大大地簡(jiǎn)化了在PL中的設(shè)計(jì)任務(wù)量。因?yàn)闊晒鈹?shù)據(jù)緩存于DDR3中，因此需要使用AXI4總線控制器從DDR3中讀出數(shù)據(jù)后，才能上傳（在該讀出的過程中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的加密）（Upload_data_ctrl模塊）。

同時(shí)，PS通過USB interface模塊、Uin_fifo模塊、Deal_dout_fifo模塊以及AXI4-LITE總線控制器接收上位機(jī)命令;通過AXI4-LITE總線控制器、Deal_din_fifo模塊、Uout_fifo模塊以及USB interface模塊把相關(guān)狀態(tài)信息返回給上位機(jī)。其中Uin_fifo模塊和Uout_fifo模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的緩存。

4 PS功能設(shè)計(jì)

PS軟件流程圖如圖3所示。PS通過AXI4-LITE總線、PL、USB接口接收上位機(jī)的命令，控制三維平臺(tái)完成高精度的運(yùn)動(dòng)，將三維平臺(tái)上的吸液針移動(dòng)到96孔板的試劑管中，控制注射泵將DNA擴(kuò)增液抽取到液路系統(tǒng)中，控制激光器激光輸出，控制PL實(shí)現(xiàn)采集、緩存、USB傳輸?shù)裙δ埽刂谱⑸浔谩⑹ㄩy、清洗泵等實(shí)現(xiàn)液路系統(tǒng)控制和清洗等功能，后續(xù)還將擴(kuò)展熒光數(shù)據(jù)處理的功能。

5 測(cè)試結(jié)果

用幅值為1V、頻率為2KHz、占空比為10%的方波模擬熒光信號(hào)輸入某一通道，在自主開發(fā)的上位機(jī)軟件上發(fā)送啟動(dòng)采集命令，得到的測(cè)試結(jié)果如圖4所示。初始化時(shí)采樣率為800KHz，LTC2370的參考電壓為4.096V，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)理論值為：每個(gè)周期有400個(gè)采樣點(diǎn)，峰值理論值為1/4.096*65536=16000。從圖4中可以看出，測(cè)試結(jié)果每個(gè)周期有400個(gè)采樣點(diǎn)，峰值在16000到17000之間，零值為1000左右，與理論值間的誤差可以通過調(diào)節(jié)采集前端模擬電路改善。

6 結(jié)論

該設(shè)計(jì)利用Xilinx Zynq-7000 SoC device，設(shè)計(jì)了一套數(shù)字PCR四通道高速（2Msps）高精度（16bit）熒光數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、軟硬件功能的劃分、PL整體功能框圖設(shè)計(jì)以及各個(gè)模塊的功能描述、PS功能概要設(shè)計(jì)等，后續(xù)還將完善以及擴(kuò)展熒光數(shù)據(jù)處理的功能。經(jīng)測(cè)試，該熒光數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)核心的數(shù)據(jù)采集傳輸功能，有效的減少了處理器的數(shù)量，大大簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)空間更小，但其擴(kuò)展性大大提高，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)：

[1]詹成，燕麗.數(shù)字PCR技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[J].復(fù)旦學(xué)報(bào)（醫(yī)學(xué)版），2015，42（6）：786-789.

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[3]吳繼華，王誠.Altera FPGA/CPLD設(shè)計(jì)（高級(jí)篇）[M].北京：人民郵電出版社，2005.