基于现场可编程门阵列的胶体金读数仪

万宇平　欧阳文波　贾芳芳　何方洋

(北京勤邦生物技术有限公司，北京 102206)



仪器研制与改进

基于现场可编程门阵列的胶体金读数仪

万宇平欧阳文波贾芳芳何方洋*

(北京勤邦生物技术有限公司，北京 102206)

摘要：研制了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的胶体金读数仪，由FPGA控制CMOS相机进行胶体金试纸条图像的采集，通过一系列的算法分析搜索出检测限位置并计算出灰度值，再通过胶体金试纸条的检测值-浓度特征曲线实现定性和定量，最后将检测结果通过GPRS无线网络实时发送到远程服务器。该仪器具有体积小，准确率高，操作简单，重复性好等优点，已成功应用于实际的监管领域和食品生产企业。

关键词：胶体金FPGACMOS摄像头GPRS

1引言

胶体金试纸能够快速、批量检测食品中的有毒有害物质，具有操作简便、费用低廉、无需专业人员和大型仪器等诸多优点[1-3]，但是实际应用中出现了一些问题：检测结果难以量化，需手动记录结果，光线强弱和人员差异都会影响结果的判读，较难溯源等[4-6]。因此，针对以上出现的问题，应运而生了配合胶体金试纸判读的读数仪，该类仪器不仅保持了胶体金试纸原有的优势，而且还克服了其缺点，实现了自动判读、记录检测结果等功能[7，8]。本项目研制的胶体金读数仪就属于该类仪器中的一种智能化便携式仪器，能够通过物联网传输数据、溯源，利于食品安全监管工作的顺利开展。目前，该仪器已成功应用于实际的监管领域和食品生产企业。

2系统组成及工作原理

该系统主要包括：现场可编程门阵列(FPGA)主控核心CPU、射频模块、时钟管理模块、薄膜按键板、FLASH存储器、SD卡模块、LED照明光源、内置高清CMOS相机、试纸条图像采集模块、热敏打印机、WIFI模块、GPRS模块和TFT彩屏显示器。

系统的工作原理是由FPGA作为主控芯片，通过采集时钟信号、帧同步、行同步等信号，有序采集图像数据，在主从控制器、读写控制器、同步控制器的协同控制下，通过数据缓冲器乒乓操作，控制CMOS相机进行试纸条图像的采集，在NiosⅡ软核处理器的控制下，提取目标图像区域数据进行进一步的数据计算处理，确定C,T线位置，最终得出C,T线光检值。并有相应的标准曲线测算出浓度。

3系统图像处理的实现

FPGA内部分为硬核逻辑功能和软核CPU控制功能，硬核部分支持图像采集处理存储，软核运行32位NiosⅡ快速处理器CPU，主频100MHz，完成图像数据分析与处理任务之外，控制协调外围部件：TFT液晶显示、时钟电路、热敏打印机、GPRS模块等驱动与控制。

图1胶体金读数仪图像处理流程图

首先采集N幅图像窗口有效区域300×50像素的图像PN[300,50]，进行均值滤波算法，把N幅图像压缩成一幅图像NewP[300,50]；将新的图像结合照明补偿系数逐个点相乘获取补偿后的二维图像数组Gray_NewP[300,50]；下一步进行归一化处理，将50行做均值处理，获取一维数组QX_ Gray_NewP[300,1]，根据该一维数组显示为一条检测区域灰度分布曲线，如图2所示。

图2　灰度化校准数据曲线示例

由图2可以看出曲线中有2个明显的波谷，这就是所要提取的C，T线值。

4系统硬件设计

4.1FPGA主控核心设计

FPGA核心主控芯片最小系统电路、双SDRAM缓存模块，FLASH数据存储模块，外置晶振电路，CMOS相机图像传感器电路、电源管理模块，选用美国ALTERA公司生产Cyclone Ⅳ系列的芯片EP4CE30，此芯片属于现场可编程阵列芯片，内部有丰富的可编程逻辑资源，可以通过硬件描述语言就像电子积木一样，方便的创建集成电路，实现丰富多样的逻辑电路，而且该类FPGA芯片集成Nios○RⅡ 32位软核IP处理器实现控制层应用，可以实现单芯片集成复杂逻辑资源的控制功能，适用于图像采集和处理系统应用。

EP4CE30这款芯片采用经过优化的60nm低功耗工艺，Cyclone Ⅳ E FPGA拓展了前一代Cyclone Ⅲ FPGA的低功耗优势。最新一代器件降低了内核电压，与前一代产品相比，总功耗降低了25%。主控制芯片是整个控制系统的核心，负责完成图像数据采集存储、处理，并控制所有外设的协调工作。FPGA芯片丰富的内部资源和高集成度，大大提高了系统的集成度和稳定性，降低了设备的体积。

4.2图像采集模块设计

图像采集模块由CMOS图像传感器单芯片组成，接口由SCCB协议控制数据串口、数据12bit并口组成，Nios Ⅱ处理器通过串口发送控制配置命令发送给传感器芯片，传感器芯片输出帧频图像逻辑信号，FPGA内部采集逻辑电路在时序逻辑电路的配合下，乒乓操作SDRAM存储器，有序采集图像数据并缓存在Flash，完成单幅图像的采集，图像采集光路系统示意图如图3所示。样机系统的图像采集部分由暗室光密闭模块、试纸条插卡槽、环形匀光LED光源、高清相机镜头、高灵敏度面阵CMOS图像芯片组成。光照度均匀更能保证图像的真实性，获得良好的数据重复性。

图3　图像采集光路系统示意图

4.3电源管理模块设计

电源管理模块，把锂电池或者外接电源提供的5V/2A电源进行滤波稳压处理，转换成5路电源，其中3路：5.0V、3.3V、2.5V给FPGA主控芯片供电，一路5.0V给CMOS相机供电，一路5.0V给串口热敏打印机和GPRS模块供电。热敏打印机在工作时瞬间电流能达到1.2A以上，GPRS模块瞬间工作电流峰值达到500mA以上，给图像采集电路带来干扰，因此需要单独电源隔离和滤波，经过处理，可以排除电流突变带来的干扰，实现锂电池供电时也可以稳定采集图像得到满意的数据。稳定可靠的电源管理系统为整机的稳定性提供了可靠的动力系统。

4.4GPRS模块设计

本设计采用上海移远的M35 GPRS模块，该模块通过串口与PFGA主芯片通讯交互数据，SIM卡与外部GSM移动网络通信实现移动网络数据交互。GPRS模块具有功耗低，传输稳定，速度快，内嵌TCP/IP协议，非常适合在没有Internet网络的情况下，通过GPRS网络连接互联网向远程服务器传输检测数据，可以随时随地检测，大大提高设备的灵活性。该模块设计有效地解决在没有互联网的情况下实现了向远程服务器发送数据的功能。

4.5系统的模块设计

系统需要外扩实时时钟模块来实现对当前时间与检测时间记录，外扩SD卡，记录测试数据，外扩人机接口包括按键、彩屏TFT显示和热敏打印机等。这些外扩模块提供了丰富的人机交互，较大地提高了设备的可操作性。

5实验设计

5.1光检值的测定

胶体金读数仪分析原理是基于对显色灰度深浅变化的检测，因此对胶体金试纸条显色检测有着广泛的通用性。

以克仑特罗残留检测试纸条为例，设计以下实验内容：配制6种浓度的克仑特罗猪尿样品溶液，其浓度分别为0.0μg/L、0.1μg/L、0.5μg/L、1.0μg/L、2.0μg/L、3.0μg/L，每种浓度的猪尿样品溶液分别用1个试纸条进行测试，连续测试10次，得到60个T线读值；对60个光检测数据进行统计分析，计算光检测平均值、标准偏差、CV值、最大偏差等。对检测器的性能：光检测结果阶梯宽度、光检测重复性、数据稳定性进行分析，以下列举的性能比较内容进行解释。

光检测结果阶梯宽度：相邻浓度的试纸条光检测值的差，该差值越大，越利于胶体金试纸条试验匹配。

光检测重复性：对同一试纸条检测N次,计算CV值，该值越低，重复性越好。

数据稳定性：多次检测数据，综合评估检测结果，CV值低，光检测重复性好，表明数据稳定性好。试纸条重复性梯度测试数据汇总见表1。

显色区域内控制线显色表示该试纸卡有效，检测线T显色深浅的变化代表着检测溶液浓度的变化。待检样品溶液中克仑特罗的浓度越高，T线的灰度就越浅，图像压缩处理的曲线波谷就越浅，变异系数/线性相关系数比值也就越小。

5.2标准曲线的建立和测算

在实际胶体金试纸卡测试当中，必然采集大量的数据，需要对这些数据进行记录、整理、计算和分析，从而寻找这些数据的内在规律，找到适合的拟合曲线算法，从而无限接近正确的结果。

曲线坐标的建立，通常以浓度自变量作为横坐标(X轴)，以因变量-光检值作为纵坐标(Y轴)，并注明坐标轴相应的单位。拟合曲线的标准是平滑的曲线，实验数据坐标点均落在这条平滑的曲线上。

本设计采用的是两点直线拟合，通过标定标准浓度而获得标准曲线，就可以通过读数仪在获取光检测数据的同时，得到相应的浓度值，从而实现定量测试。

6结束语

研制出了一种基于现场可编程门阵列的胶体金读数仪，该设备体积小，重量轻，便于手持检测，集成化程度高，集成了130W像素CMOS高清相机图像采集进行快速分析处理、GPRS无线传输、彩色液晶屏界面显示、稳定光源照明等功能模块与一体，可以满足食品企业和监管单位的应用需求。

参考文献

[1] 何小维,赵喜红,刘晓云,等. 胶体金快速检测技术的研究进展[J]. 中国人兽共患病学报,2007,23(1): 86-88.

[2] 黄芬,叶绍辉. 免疫层析快速诊断试纸条的制备及其应用[J].当代畜牧,2006(8):20-22.

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[5] 程华,王树志,陈晨,等. 新型胶体金免疫层析试纸条定量读数仪的研制[J].读数仪器,2013(1):7-11.

[6] 杨文涛,郑立新,李书谦. 基于ARM系统的胶体金快速检测仪的实现[J]. 自动化与仪表,2013(3):13-20.

[7] 江成彦,朱同林. 基于图像特征的胶体金层析定量分析法[J]. 中国科技论文在线,2011,6 (10):770-774.

[8] 白玉洁. 胶体金试纸条的光电检测仪器研制[D]. 天津大学,2008.

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

作者简介：万宇平，男，1982年出生，工程师，硕士，研究方向：食品安全快速检测技术。通讯作者：何方洋，男，1969年出生，高级研究员，博士，研究方向是食品安全检测技术研究，E-mail：qinbangjia@163.com。

基金项目：(1)国家农业科技成果转化资金项目，基于物联网的农产品和饲料中毒素污染现场快速检测溯源技术转化与应用，合同编号：2014GB2A000266。(2)国家科技支撑计划课题“现场快速检测仪器与物联网配套技术研发与产业化示范”(2012BAF14B02)。