CN109212001A - 检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种检测装置，用于检测待测溶液的pH值，包括：传感器采集模块，包括与待测溶液接触的ISFET传感器阵列，所述传感器采集模块用于根据ISFET传感器阈值电压的变化，将生成的原始信号转换成脉冲信号；以及FPGA处理模块，用于处理所述脉冲信号中的脉冲信息，得到并输出该待测溶液的pH值。此外，本发明还提供了一种检测方法，通过本发明，能够直接通过FPGA芯片采集ISFET传感器的输出信号，减少模数转换给整个装置带来的大量功率损耗；同时采用低成本FPGA芯片作为处理模块，更灵活，能够实现高速稳定的数据处理，相比于专用集成芯片或基于软件的实现方式，本发明在成本、功耗和速度方面有显著提高。

Description

检测装置及方法
技术领域
本发明涉及生物监测领域，尤其涉及一种检测装置及方法。
背景技术
近些年来，ISFET在DNA测试方面取得巨大进展，对ISFET大规模矩阵的读出电路的研究也由此展开。但由于DNA序列很高的复杂性和庞大的数据量，基于ISFET的DNA测序仍然存在很大的非准确性。如凹槽之间的串扰，检测溶液的残留等，都影响着测试结果，错误的DNA序列应用到医疗中，对病人可能造成致命的伤害。所以ISFET传感器阵列检测电路的设计依然是DNA测序的关键技术。
目前，将ISFET阵列、CPU(中央处理器)处理器和检测电路集成在一个PCB(印刷电路板)板上或是集成在一个单芯片上无疑是ISFET技术热门的解决方案。虽然通过工艺的改进，ISFET已经能够很好的与CMOS(互补金属氧化物半导体存储器)集成电路兼容，但随着集成电路向深纳米工艺方向发展，ISFET由于敏感栅极结构和测量间距的限制依然无法跟上集成电路的步伐，单芯片技术对工艺要求高，如果为了兼容ISFET采用大尺寸的CMOS工艺，对检测电路和数据处理部分则会浪费大量资源和功耗，并且单芯片结构功能相对单一，扩展能力差，成本较贵。板级设计方案则具有更大的灵活性，板级传感器阵列检测的实现方式分为两种：一种是基于单片机软件实现，另一种是基于FPGA(现场可编程门阵列)全硬件实现。单片机的通用IO(输入输出)端口非常有限，每增加一个传感器都会对单片机接口都是挑战，并且随着传感器数量的增加，处理传感器数据的软件部分占用CPU大量的资源，功耗显著增加。相比单片机，FPGA在这方面更具优势，它有着丰富的管脚资源并且灵活可配置，可将计算密集型传感器的管理功能与CPU进行分离，通过FPGA全硬件电路实现，提高速度的同时，降低系统功耗。低密度低功耗和高性能/密度系统集成的FPGA在环境感知和通信互联方面表现出更大优势和更广阔的市场需求。超高密度FPGA支持大容量应用，对于那些要求高性能和密度的场合，如ASIC(专用集成电路)仿真、100G光网络路由器而言是最好的选择，但高性能FPGA也意味着更大的研发投入和技术支持，低密度FPGA则更看重成本和使用的便捷性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种检测装置及方法，以解决上述的至少一项技术问题。
(二)技术方案
本发明提供了一种检测装置，用于检测待测溶液的pH值，包括：
传感器采集模块，包括与待测溶液接触的ISFET传感器阵列，所述传感器采集模块用于根据ISFET传感器阈值电压的变化，将生成的原始信号转换成脉冲信号；以及
FPGA处理模块，用于处理所述脉冲信号中的脉冲信息，得到并输出该待测溶液的pH值。
可选地，所述ISFET传感器阵列，用于与待测溶液接触，得到并输出阈值电压；
所述传感器采集模块还包括：
信号发生器，用于产生形状规则的原始信号；以及
信号转换电路，用于根据所述阈值电压的变化，将所述原始信号转换成脉冲信号。
可选地，所述脉冲信息包括脉冲宽度信息和脉冲频率信息。
可选地，所述FPGA处理模块包括：
数值转换单元，用于接收所述脉冲信号，计算所述脉冲信号中脉冲信息的变化值，并将该变化值转换成pH值；以及
数据输出单元，用于输出所述pH值。
可选地，所述FPGA处理模块还包括：
寻址单元，用于对所述ISFET传感器阵列进行寻址操作，寻址到各ISFET传感器在FPGA芯片上对应的管脚，获得数值转换单元的pH值；以及
直接内存读取单元，用于直接读取所述pH值，并将所述pH值输出至外部存储器。
可选地，所述数据输出单元包括串口和无线网口。
可选地，所述装置还包括：
数据传输模块，用于将数据输出单元输出的pH值转换为电信号，并输出该电信号；
显示模块，用于显示所述电信号。
可选地，所述数据传输模块包括有线传输模块和无线传输模块，所述无线传输模块包括蓝牙传输模块、Zigbee紫蜂协议传输模块和网口传输模块。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种检测方法，包括步骤：
将ISFET传感器阵列与待测溶液接触放置；
根据ISFET传感器阈值电压的变化，传感器采集模块将生成的原始信号转换成脉冲信号；以及
FPGA芯片处理所述脉冲信号中的脉冲信息，得到并输出pH值。
可选地，还包括步骤：将所述pH值转换为电信号，并显示该电信号。
(三)有益效果
本发明相较于现有技术具有以下优点：
1、本发明的检测装置通过FPGA芯片直接读取ISFET传感器阵列的输出，只需要单独设计ISFET传感器阵列芯片，FPGA芯片可采用通用IP软核以及蓝牙芯片自身协议栈完成部分设计和系统控制。且本发明采用的低密度的FPGA，相比专用集成芯片昂贵的电路设计和流片费用或者高性能/密度系统集成的FPGA，在成本方面有显著优势。
2、本发明中FPGA处理模块采用FPGA芯片实现全硬件电路，相比基于软件的处理模块，全硬件电路在处理速度、功耗和稳定性方面有显著提高。
3、本发明的检测装置基于FPGA芯片，FPGA芯片的灵活可配置特性为本发明装置的产品迭代提供新的解决方案。
4、本发明的装置体积小，还兼具传输功能，具有移动显示的功能，方便携带。
附图说明
图1为本发明实施例的检测装置的结构示意图；
图2为本发明实施例的转换电路的结构示意图；
图3为本发明实施例的检测方法的步骤流程图。
具体实施方式
基于上述技术问题，本发明提供了一种检测装置，用于检测被测溶液的pH值，可以直接通过FPGA芯片采集ISFET传感器的输出信号，从而减少AD转换(模数转换)等其他处理方式给整体检测装置带来的大量功率损耗；同时本发明采用通用的低成本FPGA芯片作为处理模块，相比于高性能/密度集成FPGA芯片或基于单片机上加载软件的实现方式，更灵活简单、配置选择更多，能够实现高速稳定的数据处理，同时在成本、功耗和速度方面也有显著提高。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明实施例的一方面提供了一种用于检测待测溶液的pH值的检测装置，图1为本发明实施例的检测装置的结构示意图，如图1所示，该检测装置包括：传感器采集模块1，包括与待测溶液接触的ISFET传感器阵列12，传感器采集模块根据所述ISFET传感器阵列12的阈值电压的变化，将生成的原始信号转换成脉冲信号；和FPGA处理模块2，用于处理所述脉冲信号中的脉冲信息，得到并输出所述待测溶液的pH值。
其中，所述ISFET传感器阵列12，为一个3*3的传感器阵列，该阵列的数量不局限于9个，可以根据FPGA的管脚个数以及用户需求而增加或减少。将ISFET传感器阵列12浸入不同pH值的待测溶液中，待测溶液与各ISFET传感器的敏感膜接触，得到不同的阈值电压，阈值电压的改变可以表明待测溶液中离子浓度的变化。
在本发明一种实施例中，该传感器采集模块1还包括：信号发生器11和信号转换电路13，其中，信号发生器11用于产生形状规则的原始信号，并输出至信号转换电路13，所述原始信号可以为方波、三角波或者其他规则形状的信号，以便于计算脉冲信息的变化值，同时该原始信号也可以为不规则形状的波形。信号转换电路13通过FPGA芯片的通用接口采集ISFET传感器阵列12的阈值电压，根据阈值电压的变化，将原始信号转换成脉冲信号，计算脉冲信号中的脉冲信息(脉冲宽度信息或者脉冲频率信息)的变化值，并将该变化值转换成pH值。在本实施中，脉冲信息以脉冲宽度信息为例，脉冲频率信息的情况与之类似。
图2为本发明实施例的信号转换电路的结构示意图，如图2所示，在本发明实施例中，信号转换电路13是由一个PMOS和一个N沟道ISFET组成的反相器结构，可以将输入的三角波信号(其他实施例中可以为方波或者其他形状规则的信号)转换成脉冲信号。该信号转换电路13中的PMOS与N沟道ISFET具有相匹配的阈值电压，这样ISFET阈值电压的变化才能更准确地在输出的脉冲宽度信息中表现出来。
本发明实施例通过三角波信号发生器为信号转换电路13提供稳定的三角波信号，在输出端通过示波器读出脉冲信号的脉冲宽度的变化，其直接反应了ISFET阈值电压的变化。且信号转换电路13不局限于反相器结构，还包括能够将ISFET阈值电压变化转变为脉冲宽度信息或脉冲频率信息变化的其他电路结构。
该三角波信号发生器电路是一个能够为N路(3*3路)信号转换电路12提供稳定的三角波信号的电路。需要有足够的负载能力，才能同时驱动多路阵列，并且该三角波信号发生器电路的输出三角波幅值以及频率灵活可变，以适应不同敏感度的ISFET传感器或不同量程的测试。
所述FPGA处理模块2为全硬件FPGA芯片，不需经过CPU控制，由用户通过硬件语言实现，通过封装成自定义IP核形式与NIOS II软核连接。基于Altera的AVALON总线格式，通过Verilog语言描述硬件电路功能。首先采用与存储器阵列相似的行列编址方式，对ISFET传感器阵列12进行统一编址。且该FPGA芯片为低密度FPGA，不需要高度集成，节约了成本，减小了功耗，其包括：数值转换单元22和数据输出单元24。
数值转换单元22获取信号转换电路13输出的脉冲信号，计算所述脉冲信号中脉冲信息的变化值，并将该变化值转换成pH值；其中的转换指通过计算FPGA芯片的通用管脚接收的脉冲宽度占空比，与提前标定好的相应量程内pH占空比数据进行比较，从而确定其所在范围的pH值。
数据输出单元24，用于将数值转换单元22中的pH值输出。本发明实施例中的数据输出单元24选择UART(通用异步收发传输器)串口传输单元，在接收到发送数据请求时，将pH值以串口数据的方式输出。UART串口传输单元与DMA单元23类似，也是Altera的一种免费可复用的IP核接口，用户可通过软件驱动来实现串口控制。所述数据输出单元24包括串口和无线网口，串口不局限于UART串口，还可以是与外部无线传输模块硬件相匹配的其他通信协议IP接口，如网口通信等。
由此可见，该装置基于FPGA软核、Altera的NIOS II软核和AVALON总线，QuartusII开发平台，为DMA单元23，FLASH，UART串口传输单元等IP核及白定义IP核分配地址，再配置其参数，在IDE(集成开发环境)软件中通过C语言编写各模块的驱动及系统功能，编译成功后下载调试，即可实现该装置的功能。
另外，在本发明实施例中，还在FPGA处理模块2中还可以增加寻址单元21和DMA单元23，寻址单元21根据接收到的地址信息，对所述ISFET传感器阵列12进行寻址操作，寻址到各ISFET传感器在FPGA芯片上对应的管脚，读出数值转换单元22中的pH值。DMA单元23不需经过CPU控制，直接读取寻址单元21中的pH值并输出至外部闪存中，此外，外部闪存还可以将该pH值输出至外部的存储器中，通过采用外部闪存和外部存储器，能够长期存储大容量的测试数据，使得掉电后数据不丢失。该DMA单元23的接口是Altera提供的一种免费可复用的IP核接口，用户只需配置DMA参数，编写DMA驱动程序即可使用。
进一步地，为了能将该pH值更直观地显示，以供用户读取，该检测装置还可以包括数据传输模块3和显示模块4。
数据传输模块3将数据输出单元24输出的串口数据形式的pH值转换为电信号，并输出该电信号。其中，所述数据传输模块3包括有线传输模块和无线传输模块，有线传输不限于数据线传输，无线传输模块包括BLE(蓝牙)传输模块、Zigbee(紫蜂协议，一种短距离、低功耗的无线通信技术)传输模块、网口传输模块等其他无限传输电路。本发明实施例的数据传输模块3选择与FPGA芯片兼容的蓝牙传输模块：TI CC2540低功耗蓝牙4.0芯片，将串口信号转换成蓝牙信号传输。通过蓝牙4.0精简协议栈接口，可实现串口转蓝牙发送。
显示模块4用于显示所述电信号(本实施例中为蓝牙信号)，从而便于量程控制与测量结果的实时观测。所述显示模块4也可以基于可移动设备(例如手机、平板电脑等)，以达到方便携带的效果。其中，可移动设备的硬件要求支持蓝牙4.0及以上版本，软件可下载通用蓝牙APP实现。手机以通知的形式显示接收的pH数据，用户可通过更改service(服务)属性，选择不同的量程。
将信号转换电路13的输出端与FPGA芯片的通用管脚连接，并同时连接到示波器，将FPGA串口的发送和接收端口与蓝牙发送模块的接收和发送管脚连接。将ISFET浸泡在不同pH值的待测溶液中，下载硬件配置程序和软件程序，调试并测量pH值。经过实验得到对于pH值为6.8的盐溶液，手机端、电脑调试端以及蓝牙传输端的显示结果，三者一致，均为6.5左右，证明传输的正确性，测量pH值为6.5与溶液pH值相差不大，证明该检测方法及检测装置的可行性。
图3为本发明实施例的检测方法的步骤流程图，如图3所示，该检测方法包括步骤：
S1、将ISFET传感器阵列与待测溶液接触放置；
将ISFET传感器阵列放置在不同的待测溶液中，待测溶液与各ISFET传感器的敏感膜接触，会产生不同的阈值电压。
S2、根据ISFET传感器阵列的阈值电压的变化，传感器采集模块将生成的原始信号转换成脉冲信号；具体为：
因为不同的待测溶液有不同的pH值，因此与其接触的ISFET传感器阵列的阈值电压也不同，另外，阈值电压的改变可以表明待测溶液中离子浓度的变化。根据不同的阈值电压的变化，传感器采集模块将生成的原始信号会转换成不同的脉冲信号。所述原始信号可以为方波、三角波或者其他规则形状的信号，也可以为形状不规则的信号，一般选择规则形状的信号，这样会便于后续的计算。通过脉冲信号的变化看出阈值电压的变化，进一步地得到pH值的变化。
S3、FPGA芯片处理所述脉冲信号中的脉冲信息，得到并输出pH值；具体为FPGA芯片直接获取脉冲信号，计算所述脉冲信号中脉冲信息(脉冲宽度信息和/或脉冲频率信息)的变化值，并将该变化值转换成pH值，即待测溶液的pH值。其中的转换指通过计算FPGA芯片的通用管脚接收的脉冲宽度占空比，与提前标定好的相应量程内pH占空比数据进行比较，从而确定其所在范围的pH值。
进一步地，为了能将该pH值更直观地显示，以供用户读取，该方法还可以包括步骤S4：将所述pH值转换为电信号，并显示该电信号。其中该电信号选择以串口数据的形式通过蓝牙传输模块，转换成蓝牙信号进行无线传输，为方便携带，可以采用可移动设备接收该蓝牙信号并将pH值更直观地显示，以供用户读取。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种检测装置，用于检测待测溶液的pH值，包括：
传感器采集模块，包括与待测溶液接触的ISFET传感器阵列，所述传感器采集模块用于根据ISFET传感器阈值电压的变化，将生成的原始信号转换成脉冲信号；以及
FPGA处理模块，用于处理所述脉冲信号中的脉冲信息，得到并输出该待测溶液的pH值。
2.根据权利要求1所述的检测装置，其中，
所述ISFET传感器阵列，用于与待测溶液接触，得到并输出阈值电压；
所述传感器采集模块还包括：
信号发生器，用于产生形状规则的原始信号；以及
信号转换电路，用于根据所述阈值电压的变化，将所述原始信号转换成脉冲信号。
3.根据权利要求1或2所述的检测装置，其中，所述脉冲信息包括脉冲宽度信息和脉冲频率信息。
4.根据权利要求3所述的检测装置，其中，所述FPGA处理模块包括：
数值转换单元，用于接收所述脉冲信号，计算所述脉冲信号中脉冲信息的变化值，并将该变化值转换成pH值；以及
数据输出单元，用于输出所述pH值。
5.根据权利要求4所述的检测装置，其中，所述FPGA处理模块还包括：
寻址单元，用于对所述ISFET传感器阵列进行寻址操作，寻址到各ISFET传感器在FPGA芯片上对应的管脚，获得数值转换单元的pH值；以及
直接内存读取单元，用于直接读取所述pH值，并将所述pH值输出至外部存储器。
6.根据权利要求4或5所述的检测装置，其中，所述数据输出单元包括串口和无线网口。
7.根据权利要求6所述的检测装置，其中，所述装置还包括：
数据传输模块，用于将数据输出单元输出的pH值转换为电信号，并输出该电信号；
显示模块，用于显示所述电信号。
8.根据权利要求7所述的检测装置，其中，所述数据传输模块包括有线传输模块和无线传输模块，所述无线传输模块包括蓝牙传输模块、Zigbee紫蜂协议传输模块和网口传输模块。
9.一种检测方法，应用于如权利要求1至8中任一所述的检测装置，包括步骤：
将ISFET传感器阵列与待测溶液接触放置；
根据ISFET传感器阵列阈值电压的变化，传感器采集模块将生成的原始信号转换成脉冲信号；以及
FPGA芯片处理所述脉冲信号中的脉冲信息，得到并输出pH值。
10.根据权利要求9所述的检测方法，其中，还包括步骤：将所述pH值转换为电信号，并显示该电信号。
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CN115184437A (zh) * 2022-07-15 2022-10-14 山东云海国创云计算装备产业创新中心有限公司 一种基于risc-v的生物信号检测系统、方法及介质
CN115184437B (zh) * 2022-07-15 2024-02-02 山东云海国创云计算装备产业创新中心有限公司 一种基于risc-v的生物信号检测系统、方法及介质

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