基于Zynq的数字PCR荧光数据采集系统框架设计.docx

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基于Zynq的数字PCR荧光数据采集系统框架设计

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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XilinxZynq-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

：TP302.1????文献标志码：A?????：2095-2945（2019）17-0020-03

Abstract：Thispaperintroducesafour-channelfluorescencedataacquisitionsystemfordigitalPCR.ThissystemtakesXilinxZynq-7000asthecoremicroprocessor.PLdrivesADCchipLTC2370tocollectfluorescentdata，writesthedataintoDDR3bufferthroughAXI4bus，readsoutthefluorescentdatainDDR3throughAXI4bus，anduploadstoPCthroughUSB3.0interface.PScompletesthefunctionofliquidsystemcontrol.ThetestresultsshowthatthefluorescencedataacquisitionsystembasedonZynqcancompletefluorescencedataacquisition，datacachingandUSB3.0datatransmission.Thesystemcanachieveexcellentperformancepowerratio，makethesystemspacesmallerandexpandmore，andproviderichresourcesforfluorescencedataprocessinginthelaterperiod.

Keywords：digitalPCR;Zynq;dataacquisition;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XilinxZynq-7000SOCdevice[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XilinxZynq-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。

3PL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