面向海量loc信號處理的多通道并行檢測系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及多通道并行檢測系統(tǒng)，具體地，涉及一種面向海量L0C信號處理的多通道并行檢測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]微流控芯片，也稱芯片實(shí)驗(yàn)室(Lab-on-Chip，L0C)，被認(rèn)為是21世紀(jì)最重要的前沿科學(xué)技術(shù)之一，該芯片裝置可在一塊幾平方厘米的微流控芯片上，構(gòu)建出復(fù)雜的微通道網(wǎng)絡(luò)，并對其中的流體(樣品或試劑)進(jìn)行準(zhǔn)確的操縱和控制，完成不同的生物或化學(xué)反應(yīng)過程，可在短時間內(nèi)分析大量的生物分子，準(zhǔn)確獲取樣品中的大量信息，信息量是傳統(tǒng)檢測手段的成百上千倍，已經(jīng)在化學(xué)、醫(yī)藥及生命科學(xué)等領(lǐng)域上造成革命性的沖擊。
[0003]L0C同樣成功于生物領(lǐng)域。從1990年代進(jìn)入21世紀(jì)，許多優(yōu)秀成果被轉(zhuǎn)化為了有實(shí)際應(yīng)用的產(chǎn)品，如光學(xué)生物傳感器。為了提高光學(xué)生物傳感器的靈敏度，研究者提出使用多孔材料來增加表面積。引入多孔材料后，可以附著更多的分子，使有限的衰減波能量與更多的分子相互作用，從而提高了靈敏度。
[0004]盡管多孔硅微諧振腔光學(xué)生物傳感器已得到廣泛的應(yīng)用，但是目前的研究主要是偏向于面向不同應(yīng)用的多孔硅微諧振腔的設(shè)計與加工，申請?zhí)枮?01080022885.5的發(fā)明專利公開了一種控制片上實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中流體流的工藝設(shè)備，申請?zhí)枮?01080022886.X的發(fā)明專利公開了一種閥和一種用于操縱閥的方法。此類傳感器采集的數(shù)據(jù)量較小，數(shù)據(jù)的檢測和分析都是在傳感器本地完成的。
[0005]另一方面，基于FPGA的信號處理系統(tǒng)也得到廣泛研究，如申請?zhí)枮?01010165660.7的發(fā)明專利公開了一種對心電信號進(jìn)行處理的基于FPGA的平臺，可有效提升信號處理能力，申請?zhí)枮?01010135630.1的發(fā)明專利公開了一種基于FPGA的可重構(gòu)信號處理板，提高吞吐量。但是，已有的發(fā)明未能應(yīng)對海量信號處理的需求。
[0006]從未來發(fā)展的角度來看，隨著多孔硅微諧振腔光學(xué)生物傳感器的設(shè)計和制備技術(shù)的成熟，其一定會被廣泛地應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學(xué)檢測等領(lǐng)域。在對環(huán)境的實(shí)時監(jiān)測如水質(zhì)監(jiān)測以及遠(yuǎn)程醫(yī)療檢測這樣的應(yīng)用場景中，需要采用大量的傳感器，并會產(chǎn)生海量的待檢測信號數(shù)據(jù)，同時傳感器端可能不具備數(shù)據(jù)的處理和分析能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的在于:提供一種面向海量L0C信號處理的多通道并行檢測系統(tǒng)，利用基于FPGA的信號加速器有效并且高效地應(yīng)對海量信號的處理需求。
[0008]實(shí)際的應(yīng)用場景中，例如實(shí)時環(huán)境監(jiān)測以及遠(yuǎn)程醫(yī)療檢測，將產(chǎn)生海量的信號，并且傳感器端不一定具備本地的數(shù)據(jù)處理和分析的能力。此外，在海量數(shù)據(jù)的背景下，傳感器數(shù)據(jù)之間分離獨(dú)立的特征檢測分析只能得到有限的信息，而數(shù)據(jù)之間存在的潛在規(guī)律和聯(lián)系往往是關(guān)鍵。本發(fā)明就是基于這樣的應(yīng)用背景來設(shè)計和實(shí)現(xiàn)的。該系統(tǒng)將數(shù)據(jù)的采集和處理分離，具有良好的通用性、可擴(kuò)展性以及計算效能，并為后續(xù)進(jìn)一步數(shù)據(jù)的分析和處理如數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析提供便利與支持。
[0009]根據(jù)本發(fā)明提供的一種面向海量L0C信號處理的多通道并行檢測系統(tǒng)，包括如下裝置:
[0010]客戶端:用于對多孔硅微諧振腔傳感器及光譜儀采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理，得到數(shù)據(jù)包作為待檢測數(shù)據(jù)；
[0011]主機(jī):用于將來自多個客戶端的待檢測數(shù)據(jù)依次串行傳輸給信號處理加速器進(jìn)行信號特征的檢測，并將信號處理加速器得出的檢測結(jié)果反饋給對應(yīng)的客戶端；
[0012]信號處理加速器:用于對所述待檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行信號特征的檢測。
[0013]優(yōu)選地，客戶端向主機(jī)上傳待檢測數(shù)據(jù)之前，先上傳待檢測數(shù)據(jù)對應(yīng)數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)長度，主機(jī)在接收到數(shù)據(jù)長度后向客戶端返還該數(shù)據(jù)長度；客戶端在接收到主機(jī)返還的正確的數(shù)據(jù)長度后才開始上傳待檢測數(shù)據(jù)；主機(jī)端在接收完待檢測數(shù)據(jù)后將實(shí)際接收到的數(shù)據(jù)長度與客戶端上傳待檢測數(shù)據(jù)之前上傳的數(shù)據(jù)長度是否一致來檢測待檢測數(shù)據(jù)的完整性，若一致則認(rèn)為客戶端上傳的待檢測數(shù)據(jù)是完整的，否則，認(rèn)為是不完整的；若發(fā)生待檢測數(shù)據(jù)是不完整的，則主機(jī)要求客戶端重傳待檢測數(shù)據(jù)。
[0014]優(yōu)選地，所述信號處理加速器通過現(xiàn)場可編程門陣列FPGA實(shí)現(xiàn)，所述信號處理加速器包括PCI Express Endpoint模塊、數(shù)據(jù)FIFO、任務(wù)分配模塊、特征檢測模塊、檢測結(jié)果寫回仲裁器以及結(jié)果FIFO;
[0015]所述PCI Express Endpoint模塊，即PCI Express終結(jié)點(diǎn)模塊，用于負(fù)責(zé)主機(jī)與信號處理加速器之間的通信，接收主機(jī)傳來的數(shù)據(jù)并將主機(jī)傳來的數(shù)據(jù)寫入到數(shù)據(jù)FIFO中；
[0016]所述數(shù)據(jù)FIF0，即數(shù)據(jù)先入先出隊(duì)列，是PCI Express Endpoint模塊與任務(wù)分配模塊間的數(shù)據(jù)傳輸接口；
[0017]所述任務(wù)分配模塊，用于為每一組待檢測數(shù)據(jù)尋找一個空閑的特征檢測模塊來進(jìn)行數(shù)據(jù)的信號特征的檢測處理；
[0018]所述特征檢測模塊，用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行諧振谷的檢測，得到檢測結(jié)果；
[0019]所述檢測結(jié)果寫回仲裁器，用于使特征檢測模塊有序地將檢測結(jié)果寫入到結(jié)果FIFO中，避免出現(xiàn)競爭；
[0020]所述結(jié)果FIF0，即結(jié)果先入先出隊(duì)列，用于作為PCI Express Endpoint模塊與特征檢測模塊組之間的數(shù)據(jù)接口。
[0021]優(yōu)選地，一組待檢測數(shù)據(jù)在信號處理加速器內(nèi)的處理流程如下:
[0022]當(dāng)數(shù)據(jù)從主機(jī)傳輸?shù)叫盘柼幚砑铀倨骱?，PCI Express Endpoint模塊將接收到的數(shù)據(jù)全部一次性寫入到數(shù)據(jù)FIFO中，數(shù)據(jù)將在數(shù)據(jù)FIFO中等待；如果有空閑的特征檢測模塊，則數(shù)據(jù)將由任務(wù)分配模塊從數(shù)據(jù)FIFO中讀出，并傳輸給空閑的特征檢測模塊；特征檢測模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行諧振谷的檢測，產(chǎn)生檢測結(jié)果后向檢測結(jié)果寫回仲裁器遞交對結(jié)果FIFO的寫請求，在得到授權(quán)后將檢測結(jié)果寫入到結(jié)果FIFO中；PCI Express Endpoint模塊從結(jié)果FIFO中讀出檢測結(jié)果，并將檢測結(jié)果傳給主機(jī)。
[0023]優(yōu)選地，每個特征檢測模塊會輸出一個有效信號valid來表征自身當(dāng)前的工作狀態(tài) state ；
[0024]當(dāng)特征檢測模塊輸出的有效信號valid為1時，表示該特征檢測模塊處于空閑狀態(tài)，能夠接受待檢測數(shù)據(jù)；
[0025]當(dāng)特征檢測模塊輸出的有效信號valid為0時，表示該特征檢測模塊正在進(jìn)行數(shù)據(jù)的特征檢測，不能接受待檢測數(shù)據(jù)；
[0026]任務(wù)分配模塊的數(shù)據(jù)處理任務(wù)分配機(jī)制是:當(dāng)PCI Express Endpoint模塊與任務(wù)分配模塊之間的數(shù)據(jù)FIFO不為空時，表明當(dāng)前有數(shù)據(jù)需要進(jìn)行特征檢測，任務(wù)分配模塊就對特征檢測模塊組的工作狀態(tài)state從最高位到最低位進(jìn)行輪詢，找到第一個為1的那位，則該位對應(yīng)的特征檢測模塊讀取數(shù)據(jù)FIFO中的數(shù)據(jù)；
[0027]其中，所述特征檢測模塊組由所有特征檢測模塊構(gòu)成，具體為，特征檢測模塊組的工作狀態(tài)state是一個N位的二進(jìn)制數(shù)，其中N是特征檢測模塊的個數(shù)，特征檢測模塊組的工作狀態(tài)state是由所有特征檢測模塊的有效信號valid所組成的，特征檢測模塊組的工作狀態(tài)state的每一位對應(yīng)了一個特征檢測模塊。
[0028]優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)包的包頭中包括客戶端ID號，其中，客戶端ID號用于主機(jī)向客戶端返還結(jié)果數(shù)據(jù)時判別出結(jié)果數(shù)據(jù)的歸屬客戶端。
[0029]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0030]1、本發(fā)明設(shè)計了一種面向海量L0C信號處理的多通道并行檢測系統(tǒng)，并利用FPGA作為數(shù)據(jù)處理加速單元來實(shí)現(xiàn)并行高速的計算。系統(tǒng)可以處理具有不同數(shù)據(jù)長度和信噪比的待檢測數(shù)據(jù)，具有良好的適用性。同時整個系統(tǒng)還有良好的可擴(kuò)展性以及計算效能。此夕卜，基于云的系統(tǒng)能為將來可能的海量數(shù)據(jù)的存儲提供支持。
[0031]2、信號處理加速器采用一種基于FIFO的流式結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)有別于傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，沒有處理器、大容量內(nèi)存以及總線，節(jié)省了大量片內(nèi)硬件資源，為用戶邏輯的設(shè)計提供了更大的空間。此外，信號處理加速器具有良好的可擴(kuò)展性，隨著PCI ExpressEndpoint數(shù)據(jù)傳輸帶寬的增大，加速器內(nèi)可以集成更多的特征檢測模塊來使得吞吐率保持最優(yōu)的狀態(tài)。
[0032]3、海量數(shù)據(jù)特征檢測模塊是動態(tài)可配置的，具有良好的適用性。海量數(shù)據(jù)特征檢測模塊并不是為某種特定數(shù)據(jù)長度和信噪比的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)的，它適用于不同數(shù)據(jù)長度的待檢測數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中修改配置寄存器，設(shè)置不同的降