DNA分析仪荧光光谱数据的传输设计

2019-12-13

分析仪器 2019年6期

(公安部第一研究所，北京 102200)

1 前言

DNA鉴定技术起源于上世纪80年代，具有亲缘关系认定准确、个体识别率高的特点，目前已成为公安机关的主要侦破手段[1]。以前我国DNA检测仪器和配套的软件、耗材都依赖进口，本项目组在公安部的大力支持下，经历近十年的科研攻关，以激光诱导荧光(LIF)-高效毛细管电泳(HPCE)-面阵CCD接收- 短串联重复序列(STR)分型[1]的技术路线成功研制了国内首台商业化的DNA分析仪，各项技术指标达到了国外同类产品水平，已在全国20多个省级公安机关推广使用。

DNA分析仪的电路控制系统采用主从式多处理器架构，以ARM芯片为主CPU，负责部件的监控、运行时序的生成、与PC机的实时通信等，其中一个从处理器DSP负责CCD驱动时序生成、CCD温度控制、光谱数据采集等功能，这两个CPU之间就需要一套简洁、高效的数据存储、传输机制将DSP采集、处理后的荧光光谱数据稳定可靠地传送给ARM。本研究对荧光光谱数据的类型进行了分析，基于光谱数据的特点，设计了一种基于双口RAM的数据传输机制。

2 荧光光谱数据分析

如图1所示，以16道毛细管阵列为例，激光光源激发携带荧光染料的DNA片段，在面阵CCD上每一根毛细管出射的荧光光谱展开都对应一个长条型的空间。出于毛细管定位、光谱叠加消弭的目的，需要在荧光光谱信息的通道和波长两个维度上进行光谱分解[2-4]，横轴方向称为空间校正(Spectral calibration),纵轴方向称为光谱校正(spatial calibration)，利用这两个校正文件可以处理实际的样品电泳数据，得到STR分型结果。

图1 荧光光谱在面阵CCD上的展开示意图

空间校正的目的是确定每根毛细管在CCD检测器上的纵向最佳读取坐标值。为了计算空间校正图谱，PC机数据处理软件需要读取某一时刻整幅CCD面阵上的所有像素(pixel)的荧光强度值进行横轴数据求和。本研究所使用的CCD为512×512像素，由于DSP采用16bit的数据总线，故数据采集系统使用16位无符号正整数表示像素的强度值，一帧空间校正数据共需要256K×16 bit的数据存储空间。

光谱校正主要是解决染料空间到光谱空间的映射问题。在实际样品电泳前，需要先使用4种或5种已知的荧光染料(即染料空间)在面阵CCD上成像，读取这几种荧光染料在CCD上的光谱分布。经过调试光路和驱动电路控制，只需要读取图1所示的L×H的范围内的像素值，这一段的位置和像素数都是固定的。本研究所用数据采集系统L=280 pixel、H=3 pixel，因此，DSP读取一帧光谱校正数据需要13440×16 bit的数据空间。

实际样品的STR荧光谱图同样是落在图1中 L×H的范围内，与光谱校正数据相比较，只是每个像素的光强度值是变化的，对ARM来说，DSP传输过来的STR数据格式和光谱校正是没有区别的，只是解析时的数据帧头是不一样的。

综上，在进行荧光光谱数据采集时，DSP通过控制CCD驱动电路得到两种格式的数据:空间校正数据和光谱校正数据(STR数据)，然后将数据加上帧头、帧尾、帧序号等信息，传输给ARM主处理器。

3 数据传输系统设计

如果ARM和DSP采用同步时序的方式传输数据，会大大增加它们的工作开销，特别是ARM还需要对仪器各部件状态进行实时监控，同步方式会延缓ARM对部件的响应速度，严重的话会造成仪器的运行故障。因此考虑采用异步读写的方式，并在两者之间增加一级数据缓存，这样当DSP采集到一帧数据时，它只需要将数据存储到指定的数据空间、更新状态位后，就可以转入下一帧的数据采集，而不必等待ARM给出读取响应；ARM也会定时(跟采集波特率有关)读取数据、更新状态位。

3.1 硬件电路设计

DSP具有的异步通信方式主要是串口(UART)和系统总线挂载双口RAM[5]， UART传输速度慢、误码率高，所以本设计使用IDT公司的高速256K×18 bit 的双口RAM芯片 IDT70V631S,它采用共享静态RAM存储器的方法，具有两套(左、右)独立的读写控制线，数据传输过程中两边CPU没有时序约束，符合荧光光谱数据传输不需要同步的要求。

本研究所设计的数据传输硬件电路框图如图2所示。

图2 数据传输电路框图

由于i.MX6Q的应用程序运行于LINUX操作系统下，还需要设计双口RAM的驱动程序，主要是配置读写时钟、存储空间映射、地址总线和数据总线等，最后结合硬件电路，完成如下文件操作结构体eimbus_fops中的系统调用函数的具体实现。

static struct file_operations eimbus_fops = {

.owner = THIS_MODULE,

.open = eimbus_open,

.release = eimbus_release,

.read = eimbus_read,

.write = eimbus_write,

.unlocked_ioctl = eimbus_ioctl,

.llseek = eimbus_seek,

.mmap = eimbus_mmap,

.fasync = eimbus_fasync,

};

i.MX6Q EIM总线的异步数据读写时序如图3所示。

图3 EIM总线异步模式读写时序

3.2 软件设计

3.2.1数据空间划分

双口RAM由于是数据共享，两侧CPU都能读写同一地址的数据，这就可能造成访问冲突，所以必须制定数据访问协议来解决共享冲突问题。如图4所示，将RAM空间划分成通信协议区和光谱数据区。

图4 双口RAM空间划分示意图

通信协议区大小为64K×16 bit，它的最高两个地址单元被称作“邮箱”，这两个单元一旦被一方写入数据，则会触发另一方的中断信号，另一方通过读取邮箱内容来获取对方的命令或信息。

ARM将要发送给DSP的命令写入LMAILBOX邮箱，这会触发DSP端的中断，DSP读出LMAILBOX的内容，根据命令执行数据采集动作。LMAILBOX 16 bit的定义如表1所示，分别表示数据采集初始化、开始、结束、放弃、暂停、恢复，设置采样率、帧序号，请求DSP软件版本号等命令，初始化命令的参数写入INITDATA区，其它命令的参数写入COMMAND_PARA区。

DSP向RMAILBOX邮箱写入自身的状态及事件信息，这会触发ARM端的中断，供其监控CCD数据采集系统状态。RMAILBOX 16 bit的定义如表2所示，前9个bit都是对ARM命令的回应，其中bit 8置1时同时将具体版本信息写入VERSION区，当CCD报错时，将 bit 9 置1，并把具体错误信息写入STATUS_EX区，DATATAIL、DATAHEAD、TFRAMNUM、HFRAMNUM四个区在光谱数据传输时使用。

表1 LMAILBOX 16 bit定义

表2 RMAILBOX 16 bit定义

光谱数据区大小为192K×16 bit，用于光谱数据的缓冲区，由右侧的DSP写入，左侧的ARM读出，由图4可知该区域是一段线性连续的、固定长度的共享存储空间。

3.2.2光谱数据区读写机制

由光谱数据分析可知，一帧空间校正数据为256K×16 bit，大于光谱数据区的容量，这就要求必须采用环形缓冲区读写的方式，如图5所示，环形缓冲区是一种先进先出的循环读写方式，在只有一个写用户和一个读用户方式下，天然具有互斥保护机制确保两个用户互斥访问数据区域。

图5 环形缓冲读写示意图

环形缓冲区有一个写指针和一个读指针，DSP拥有写指针，它以DATATAIL区存储的指针(偏移值)开始将数据写入可写区域后，用最新的写指针(偏移值)更新DATATAIL区，并用最新写入的数据帧序号更新TFRAMNUM区；同样的ARM定时读取数据，首先比较DATATAIL区与DATAHEAD区是否相等，如果相等表明没有数据更新，如果不相等则可以读取数据，它以DATAHEAD区存储的指针(偏移值)开始将数据读出，最后用最新的读指针(偏移值)更新DATAHEAD区，并用最新读取的数据帧序号更新HFRAMNUM区，具体读写流程如图6所示。

在这种方式下，DSP写入一帧完整的空间校正数据时，帧尾的数据必然覆盖了帧头的数据，覆盖大小为64K×16 bit，这就要根据数据采样率计算好ARM端读取数据的定时时间，保证在DSP写入周期内最少要读取64K×16 bit数据、在一个采样周期内必须读取完整的一帧数据，本文综合各方面情况将定时时间设定为1秒。光谱校正和STR检测时数据量少，不存在覆盖的问题，按照1秒的时间间隔读取数据是足够的。

图6 读、写流程图

4 测试验证

本研究所述荧光光谱数据传输系统已经应用在国产GA118-16A DNA分析仪上，使用16道毛细管阵列和IdentifilerTM、DNATyperTM15 PLUS等国内外主流试剂盒，成功生成了空间校正和光谱校正图谱。对DNATyperTM15 PLUS 进行等位基因分型标准物(Allelic ladder)的STR检测，分型图谱如图7所示，其含有的16个STR基因座分型准确，没有出现片段丢失现象。