基于Zynq的数字PCR荧光数据采集系统框架设计

罗远彦 温泽鑫 魏翱翔 张宗华

摘  要：文章介绍了一种数字PCR四通道荧光数据采集系统。该系统以Xilinx Zynq-7000为核心微处理器，PL驅动ADC芯片LTC2370采集荧光数据，将数据通过AXI4总线写入DDR3缓存，通过AXI4总线读出DDR3中荧光数据并通过USB3.0接口上传数据到PC;PS完成液路系统控制的功能。测试结果表明，所提出的基于Zynq的数字PCR荧光数据采集系统能够完成荧光数据采集、数据缓存以及USB3.0数据传输。该系统可实现优异的性能功耗比，使系统空间更小，扩展性更高，并为后期的荧光数据处理提供了丰富的资源。

关键词：数字PCR;Zynq;数据采集;DDR3;USB3.0

中图分类号：TP302.1       文献标志码：A         文章编号：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

数字PCR是一种核酸分子绝对定量技术，微滴式数字PCR把每个样本的反应液均匀分割成数万个乳液包裹的微液滴，随后在每个微滴内分别进行PCR扩增，最后通过一个荧光数据采集系统逐个对液滴的荧光信号进行检测，将荧光数据上传到上位机，上位机根据泊松分布原理及阳性微滴的个数与比例得出靶分子的起始拷贝数或浓度，是一种很有前途的分子定量检测手段[1]。

目前，数字PCR荧光信号采集系统的设计一般使用FPGA来实现数据采集、缓存、传输等功能，用STM32或其他处理器来实现液路系统的控制等功能。本文提出了一种基于Zynq的数字PCR四通道荧光数据采集方案，它集数据采集与液路控制于一体，集成化程度高，减少系统空间，并为后期的荧光数据处理提供了丰富的资源。

1 系统方案设计

基于Xilinx Zynq-7000 SOC device[2]的数字PCR四通道荧光数据采集系统主要实现三维平台运动控制、注射泵、十通阀、清洗泵的控制、激光器控制、PMT增益控制、四色荧光数据的采集、DDR3缓存、USB3.0上传数据到PC等功能，并为后续扩展在Xilinx Zynq-7000中进行荧光数据处理的功能预留了相关的接口。整体硬件平台框图如图1所示。

2 软硬件功能划分

在该SOC内部，PS与PL通过芯片内部的AXI4-lite总线进行通信，使PS与PL能够协调、稳定、有序地工作;而通过AXI4总线读写DDR3完成荧光数据的缓存与上传。同时，SOC可以通过USB3.0接口和上位机进行交互，从而使SOC能够根据相关的控制命令完成相应的动作或功能。SOC内部软硬件功能的划分如表1所示。

3 PL实现的功能

PL整体功能框图如图2所示，可将图2分为上下两部分，上半部分主要功能有：PS通过AXI4-LITE总线控制PL实现PMT增益控制、四色荧光数据的采集以及数据通过AXI4总线写入DDR3缓存等;下半部分主要实现PS通过AXI4-LITE总线和USB3.0接口与上位机通信，PL通过AXI4总线读出DDR3中荧光数据和通过USB3.0接口上传数据等。

3.1 四色荧光数据的采集与缓存

在PL中ADC1、ADC2、ADC3、ADC4模块分别实现四个通道的ADC芯片LTC2370（16bit，2Msps）的驱动，接收四色荧光通道（FAM， VIC， ROX， TAMRA）的数据并转换成并行数据传给ADC_Store模块。ADC_Store模块使用兵乓buffer方式实现荧光数据的缓存，对于同步采集到的四色荧光通道数据，每个数据分别属于这四个通道中的一个，因此需要在缓存的过程中对数据进行分通道整理。ADC_Freq模块实现采样率设置的功能，初始化时采样率为800KHz，采样率满足以下条件，1≤Freq≤2MHz。CTRL_TR模块实现荧光数据写入AXI4控制逻辑，具有DDR3缓存地址控制器、突发写长度控制器等功能。荧光数据缓存的实现方式如表2所示。

Din_RAM模块用来存放PS传来的命令，Deal_din_ram模块解析命令并產生相对应的控制信号和配置数据，实现采集、缓存数据的可控性，通过DAC_SET模块设置PMT增益，DAC_INF模块实现控制PMT增益的DAC芯片的驱动，ADC_Freq模块实现采样率的设置。同时，PL通过Deal_dout_ram模块和Dout_RAM模块向PS返回PL的状态、配置信息、PL版本等信息。

3.2 USB3.0上传数据

由于本设计中，USB协议的实现使用了专用的外部芯片cypress3014，因此在SOC内部的PL中只需要完成PL与cypress3014的通信（USB interface模块，传输数据位宽32bit，时钟100MHz）即可，这大大地简化了在PL中的设计任务量。因为荧光数据缓存于DDR3中，因此需要使用AXI4总线控制器从DDR3中读出数据后，才能上传（在该读出的过程中实现数据的加密）（Upload_data_ctrl模块）。

同时，PS通过USB interface模块、Uin_fifo模块、Deal_dout_fifo模块以及AXI4-LITE总线控制器接收上位机命令;通过AXI4-LITE总线控制器、Deal_din_fifo模块、Uout_fifo模块以及USB interface模块把相关状态信息返回给上位机。其中Uin_fifo模块和Uout_fifo模块实现数据的缓存。

4 PS功能设计

PS软件流程图如图3所示。PS通过AXI4-LITE总线、PL、USB接口接收上位机的命令，控制三维平台完成高精度的运动，将三维平台上的吸液针移动到96孔板的试剂管中，控制注射泵将DNA扩增液抽取到液路系统中，控制激光器激光输出，控制PL实现采集、缓存、USB传输等功能，控制注射泵、十通阀、清洗泵等实现液路系统控制和清洗等功能，后续还将扩展荧光数据处理的功能。

5 测试结果

用幅值为1V、频率为2KHz、占空比为10%的方波模拟荧光信号输入某一通道，在自主开发的上位机软件上发送启动采集命令，得到的测试结果如图4所示。初始化时采样率为800KHz，LTC2370的参考电压为4.096V，实验数据理论值为：每个周期有400个采样点，峰值理论值为1/4.096*65536=16000。从图4中可以看出，测试结果每个周期有400个采样点，峰值在16000到17000之间，零值为1000左右，与理论值间的误差可以通过调节采集前端模拟电路改善。

6 结论

该设计利用Xilinx Zynq-7000 SoC device，设计了一套数字PCR四通道高速（2Msps）高精度（16bit）荧光数据采集系统，完成了系统方案设计、软硬件功能的划分、PL整体功能框图设计以及各个模块的功能描述、PS功能概要设计等，后续还将完善以及扩展荧光数据处理的功能。经测试，该荧光数据采集系统能实现核心的数据采集传输功能，有效的减少了处理器的数量，大大简化了电路设计，使系统空间更小，但其扩展性大大提高，具有很强的实用性。

参考文献：

[1]詹成，燕丽.数字PCR技术的发展和应用[J].复旦学报（医学版），2015，42（6）：786-789.

[2]何宾.Xilinx All Programmable Zynq-7000 SoC设计指南[M].北京：清华大学出版社，2013.

[3]吴继华，王诚.Altera FPGA/CPLD设计（高级篇）[M].北京：人民邮电出版社，2005.