基于ARM的新型凝膠成像系統

                  1 引         學實驗的凝膠成像系統就顯的必不可少
                                。本文給出的基
                  凝膠成像系統在科學研究 生物分子檢驗 醫學鑒定等 ARM 的凝膠成像系統,在滿足自身實驗需求的條件下,
                    、 、              
                  很多方面已日益成為必不可少的儀器設備。尤其是近幾年 實現了對凝膠圖像的采集功能,并且在該凝膠成像系統中,
                  以來 凝膠成像系統日趨完善 功能的覆蓋面也越來越廣 , 支持對所采集圖像的預覽、保存和反轉,實現了系統自動定
                  , ,         時關機功能。而且在該凝膠系統中設計有網絡接口模塊,
                  但是已有產品也存在一定的缺陷 沒有定時自動關機功能 ,  
                                   
                  無形中浪費了能源 圖像采集系統采用 Windows 系統 成 實現了對采集到的凝膠圖像的網絡傳輸,可以將采集到的
                    ;   ,   圖像傳輸到遠程上位機上,方便了實驗人員對凝膠圖像進
                  本高 尚未采用成本低 專用性更強的嵌入式系統 。    
                  , 、              

                   
                  行分析和后處理。
                   
                  2 凝膠成像系統總體設計
                   
                  凝膠成像系統包含多個模塊,CMOS 攝像頭采集模塊、LCD顯示模塊、嵌入式控制模塊、網絡接口模塊和光路模塊[2]。凝膠成像系統可以獲得系統產生的凝膠圖像、對
                   
                  凝膠圖像進行保存,還可以通過網絡傳輸,輸送到遠端的PC對圖像做進一步處理與分析[3]。系統總體布局如圖
                   
                  所示。
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                  熒光燈;CMOS攝像頭;USB采集卡;
                   
                  ④控制電路CPUSamsungS5PV210,溫度傳感器18B20,外接收頭:2RM3638);顯示屏;U-盤;紫外燈(ZSZ8WUVB);
                  濾波片(兩種紫外濾鏡);凝膠樣品;上位機(PC)
                   
                  圖1 凝膠系統總體布局
                   
                  圖中,紫外燈部分由多個并聯的302nm的紫外燈管組成,這7個燈光均勻放置,保證了紫外光的均勻性,為得到更高質量的凝膠圖像奠定了基礎。
                   
                  2.1 CMOS攝像頭
                   
                  CCD是用時序電壓輸入鄰近電容把電荷從積累處遷移到放大器里[4-5],因此這種電荷遷移過程導致了一些根本缺點:
                   
                  1)**一次性讀出整行或整列的像素值,不能提供隨
                   
                  機訪問;
                   
                  2)需要復雜的時鐘芯片來使時序電壓同步,需要多種非標準化的高壓時鐘和電壓偏置;
                   
                  3)CCD的硅處理專用制作工藝與現今微電子器件的主流制作工藝不同,無法低成本的把控制處理電路集成在同一圖像芯片上。這就造成了基于CCD 的圖像系統體積龐大和功耗大。
                   
                  綜上所述,本設計采用CMOS工藝的攝像頭,它的工作原理基于電荷存儲原理,即PN結反向充電,然后在光照條件下放電,放電速度隨光強度的不同而不同。經過一定時間的放電,每個像素保留的電荷不一樣,這樣就實現了光電轉換。

                  2.2 曝光時間和圖像灰度的關系研究凝膠成像系統是為了獲得一幅亮度適中、細節表現清
                   
                  晰的凝膠電泳圖像。
                   
                  電泳圖像的灰度與環境光照度(入射光強度)、信號增益、曝光時間、光圈大小、成曝光函數關系,即:
                   
                  ,,,
                  式中: 為曝光函數, 為圖像亮度, 為入射光強度, 為

                   
                  曝光時間, 為光圈大小, 為信號增益。
                   
                  在相同的場景光強和光通量(光圈大小不變)下,曝光時間 越大,圖像越亮;曝光時間越小,則圖像越暗。因此,為了得到比較清晰可見的具有電泳條帶的凝膠圖像,本設計需要研究曝光時間和電泳圖像灰度之間的關系[6]。
                   
                  由于在測試曝光時間與灰度值的線性度時,需要考慮信號增益的影響。在測試時,保持某一信號增益不變,改變曝光時間,拍攝一組圖像,計算出各幅圖像的灰度值,然后將信號增益換成另外一個值再改變曝光時間拍攝一組圖像,計算各幅圖像的灰度值。按此方法,拍攝多組圖像,研究曝光時間與灰度均值的線性度。實驗結果如表1所示。
                   
                  表1 測試曝光時間與灰度值關系的實驗數據
                   
                  曝光時 信號增 信號增 信號增
                  間/ =1.26 =2.00 =4.00
                  ms      
                  0.5      
                       
                        11
                    11   11   16
                    12   15   26
                    14   18   32
                  10   24   30   56
                  12   42   56   104
                  14   79   100   134
                  16   127   137   157
                  18   152   157   170
                  20   162   167   177
                  22   162   164   179
                  24   173   180   180
                   
                  根據實驗數據,用 MATLAB繪制圖像灰度均值在某一信號增益下隨曝光時間變化的曲線如圖2所示
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                  圖2 灰度均值隨曝光時間變化
                   
                  在圖2中,紅色帶圈曲線的信號增益為1.26,綠色帶點的曲線的信號增益為2.00,藍色帶加號的曲線信號增益

                  .

                  我們采用某公司的凝膠成像系統和我們自行設計的系統做了比對,在相同實驗條件下,某公司的產品采集到的凝膠圖像如圖10所示。
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                   
                  圖10 標準圖像比對
                   
                  從圖8的圖像可以看出,本文設計的凝膠成像系統和某公司出產的產品采集到的圖像邊緣基本一致,在精度上落差不大。說明凝膠成像系統成功的采集到了電泳分子比較清晰的圖像,有效地保留了實驗人員所需的必要信息,實
                   
                  現了對凝膠圖像采集的目的。
                   
                  5 結 論
                   
                  通過系統研究以往凝膠成像系統的原理和使用方法,設計了一款簡單、輕便,并實現了凝膠圖像采集和進一步處理的簡易凝膠成像系統。這種凝膠成像系統的實現為DNA/RNA等物質的分離純化提供了方便,為進一步基于嵌入式處理系統組成的凝膠成像儀器上的優化和改進做好了準備工作。本凝膠成像系統在精度和穩定性上還存在一定缺陷,還需采取有效措施提高系統精度和增加系統穩定性。
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