收稿日期：2023-11-18

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.05.002

摘" 要：眼科多參數(shù)測(cè)量?jī)x專(zhuān)為測(cè)量人眼的眼軸、角膜曲率、瞳孔直徑及白到白等多個(gè)參數(shù)而設(shè)計(jì)，旨在評(píng)估眼部健康。市面上現(xiàn)有的用于眼球多參數(shù)測(cè)量的采集卡價(jià)格昂貴，且通常需配套軟件開(kāi)發(fā)，不適合眼科多參數(shù)儀器的批量生產(chǎn)。針對(duì)這一問(wèn)題，研究提出了一種新型眼科參數(shù)測(cè)量的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。該方法實(shí)現(xiàn)了高分辨率與高數(shù)據(jù)傳輸速率的雙通道數(shù)據(jù)傳輸，還設(shè)計(jì)了配套的眼球多參數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序。該系統(tǒng)為醫(yī)療診斷提供重要支持，滿足眼科多參數(shù)儀器的大規(guī)模生產(chǎn)需求，為獲取可靠的眼健康數(shù)據(jù)提供了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：眼科參數(shù)測(cè)量；USB數(shù)據(jù)采集；C#應(yīng)用程序

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：2096-4706（2024）05-0007-06

Research on High-speed Data Acquisition System Based on Ophthalmic Parameter Measuring Instrument

ZHAO Haohong1， ZENG Yaguang2， CHEN Yong1

（1.School of Mechatronic Engineering and Automation， Foshan University， Foshan" 528225， China;

2.School of Physics and Optoelectronic Engineering， Foshan University， Foshan" 528225， China）

Abstract： The ophthalmic multi-parameter measuring instrument is an instrument specially designed to measure parameters such as axial length， corneal curvature， pupil diameter， and white-to-white of the human eye， aiming to evaluate eye health. However， the acquisition cards currently on the market that can be used to measure the multi-parameter of the eyeball are usually expensive and usually require supporting software to be developed， which does not meet the mass production of ophthalmic multi-parameter instruments. Against this background， this paper proposes a new data acquisition system design method for ophthalmic parameter measurement. This method realizes dual-channel data transmission with high resolution and high data transmission rate， and also designs a supporting multi-parameter real-time data acquisition application program for the eyeball. This system provides important support for medical diagnosis， meets the mass production needs of ophthalmic multi-parameter instruments， and provides a strong foundation for obtaining reliable eye health data.

Keywords： ophthalmic parameter measurement; USB data acquisition; C# application program

0" 引" 言

眼球多參數(shù)測(cè)量?jī)x是一種專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于測(cè)量人眼的眼軸、角膜曲率、瞳孔直徑、白到白等多個(gè)參數(shù)的儀器，可用于評(píng)估眼健康。2022年《國(guó)家衛(wèi)生健康委關(guān)于印發(fā)“十四五”全國(guó)眼健康規(guī)劃（2021—2025年）的通知》提出，要提升對(duì)近視的早期預(yù)警、診斷、控制以及減少高度近視導(dǎo)致視覺(jué)損傷的病變的防控能力[1]。近視可分為屈光性近視和軸向近視兩種類(lèi)型。屈光性近視也被稱(chēng)為假性近視[2]，通?？赏ㄟ^(guò)按摩或者藥物進(jìn)行矯正治療；軸向近視的病理是由于眼軸的延長(zhǎng)，進(jìn)入眼內(nèi)的平行光束無(wú)法聚焦在視網(wǎng)膜上導(dǎo)致視力模糊[3]。因此對(duì)視軸參數(shù)進(jìn)行精確的數(shù)據(jù)測(cè)量并將眼科測(cè)量進(jìn)行全國(guó)推廣，對(duì)于預(yù)防和治療青少年的眼部疾病具有重要意義，在眼科疾病的醫(yī)療輔助診斷上具有重要的醫(yī)學(xué)價(jià)值。

眼球多參數(shù)測(cè)量?jī)x通常配備各種傳感器，用于測(cè)量不同的眼球參數(shù)[4]。數(shù)據(jù)采集卡是連接傳感器和計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵部件。它們負(fù)責(zé)將傳感器收集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，然后傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的處理和存儲(chǔ)。目前市面上適用于眼球多參數(shù)測(cè)量需求的采集卡通常價(jià)格昂貴且需要使用配套的軟件才能開(kāi)發(fā)，如National Instruments公司的數(shù)據(jù)采集卡以高速高精度著稱(chēng)，但價(jià)格昂貴，且后續(xù)開(kāi)發(fā)升級(jí)都需要另外付費(fèi)[4-6]，從初始的購(gòu)買(mǎi)成本、機(jī)器集成使用到后續(xù)維護(hù)升級(jí)三個(gè)方面都會(huì)對(duì)眼球多參數(shù)儀器批量生產(chǎn)產(chǎn)生限制，影響眼球多參數(shù)測(cè)量?jī)x器的市場(chǎng)推廣和社會(huì)面全覆蓋進(jìn)度[7，8]；如市場(chǎng)上采用單片機(jī)或者DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）作為主控制器的數(shù)據(jù)采集卡[9]，其運(yùn)行速度慢、同步性差，同時(shí)也使得A/D轉(zhuǎn)換芯片的性能無(wú)法充分發(fā)揮出來(lái)[10]。本文提出一種基于眼科參數(shù)測(cè)量?jī)x的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了具有14 bit分辨率、65 MS/s采樣率的雙通道高速采集電路，并設(shè)計(jì)了該數(shù)據(jù)采集卡的C#驅(qū)動(dòng)程序以及基于該驅(qū)動(dòng)程序接口的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序。

1" 眼科參數(shù)測(cè)量?jī)x系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，系統(tǒng)中低相干光源采用波長(zhǎng)為830 nm的寬帶光源，通過(guò)耦合器分光分別形成參考光路和探測(cè)光路，標(biāo)準(zhǔn)波矢光使用波長(zhǎng)為1 550 nm的窄帶光源，探測(cè)光路中采用四方玻璃作為改變光程的介質(zhì)，利用光程延遲電機(jī)帶動(dòng)四方玻璃的旋轉(zhuǎn)。結(jié)合光電開(kāi)關(guān)產(chǎn)生周期性脈沖，作為采集電路的觸發(fā)采集信號(hào)。同時(shí)，為提高信號(hào)的干涉效率，在參考臂和樣品臂端設(shè)置偏振控制器，通過(guò)調(diào)節(jié)光纖的偏振態(tài)，使其回光可以更大程度的在耦合器中干涉得到更強(qiáng)的干涉信號(hào)。最后經(jīng)過(guò)本文所提出的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)里的差分探測(cè)電路和標(biāo)準(zhǔn)波矢探測(cè)電路進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換后，再由高速采集電路采集，并將采集數(shù)據(jù)傳輸至PC端，進(jìn)一步進(jìn)行距離換算與精確測(cè)量。

2" 采集系統(tǒng)硬件電路

如圖2所示，采集系統(tǒng)的硬件電路主要包括干涉信號(hào)差分探測(cè)、信號(hào)采集兩個(gè)部分。

圖2" 眼科參數(shù)測(cè)量?jī)x系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

干涉信號(hào)經(jīng)過(guò)兩個(gè)匹配的光電二極管串聯(lián)，使其電流做差，實(shí)現(xiàn)減法器的目的。然后此電路應(yīng)用了三級(jí)放大策略對(duì)角膜、晶狀體及視網(wǎng)膜的反光干涉信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行細(xì)致調(diào)整，進(jìn)一步增強(qiáng)視軸參數(shù)的測(cè)定精度，便于后續(xù)ADC采集電路的采集。

為實(shí)現(xiàn)大范圍光程掃描匹配人眼各介質(zhì)面光程，測(cè)量?jī)x的光學(xué)系統(tǒng)會(huì)引入光學(xué)延遲線裝置[11]。由于光學(xué)延遲線掃描的光程為非線性，這就會(huì)導(dǎo)致同樣的物理長(zhǎng)度在不同的掃描范圍中測(cè)量出的長(zhǎng)度不一樣，因此標(biāo)尺光常用于校準(zhǔn)光學(xué)延遲線掃描的非線性光程。本系統(tǒng)為優(yōu)化標(biāo)尺光信號(hào)品質(zhì)并增強(qiáng)其信噪比，采用了雙級(jí)放大策略對(duì)其進(jìn)行細(xì)致調(diào)整，從而完成從電流到電壓的信號(hào)轉(zhuǎn)化。在標(biāo)尺光的檢測(cè)過(guò)程中，我們選擇了單端探測(cè)方法。盡管其放大處理機(jī)制與差分探測(cè)電路相似，但其顯著特點(diǎn)在于省略了電壓增益放大環(huán)節(jié)。這一設(shè)計(jì)確保了ADC信號(hào)采集能夠基于高品質(zhì)的標(biāo)尺光信號(hào)進(jìn)行。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用EP4CE15F23C8型號(hào)的現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（Field Programmable Gate Array， FPGA）作為主導(dǎo)控制模塊。首先，干涉信號(hào)進(jìn)入電路系統(tǒng)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化并對(duì)其信號(hào)到噪聲比進(jìn)行優(yōu)化，然后利用雙片的65 MS/s單通道ADC芯片ADS4142執(zhí)行了二路模擬信號(hào)的精確獲取。同時(shí)為確立數(shù)據(jù)采納的連續(xù)性與完整性，本文在系統(tǒng)中引入SDRAM構(gòu)建了一個(gè)FIFO緩存機(jī)制。為同步數(shù)據(jù)并確保其完整無(wú)缺，采用了光電觸發(fā)機(jī)制。最后借助FT600Q型號(hào)的USB3.0接口技術(shù)完成數(shù)據(jù)至PC端的傳遞以確保數(shù)據(jù)的迅速流動(dòng)和穩(wěn)固性。

本系統(tǒng)選擇了FTDI（Future Technology Devices International Ltd， FTDI）生產(chǎn)的FT600Q作為USB 3.0接口的橋接芯片。FT600Q不僅內(nèi)置有16 KB FIFO 數(shù)據(jù)緩存RAM，確保高效的數(shù)據(jù)傳輸，而且能夠兼容USB 3.0和USB 2.0接口。該芯片支持包括控制、批量和中斷在內(nèi)的USB傳輸類(lèi)型，其并行FIFO總線通信協(xié)議既支持“245同步 FIFO”模式，也支持“多通道 FIFO”模式[12]。此外，該芯片的I/O口適用于多種電壓：1.8 V、2.5 V和3.3 V，并具有可配置GPIO功能。加上其遠(yuǎn)程喚醒、上電復(fù)位和內(nèi)置1.0 V線性穩(wěn)壓等特性，F(xiàn)T600Q能夠滿足大部分應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

3" 采集系統(tǒng)相關(guān)C#程序設(shè)計(jì)

為最大化數(shù)據(jù)傳輸速度，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用FT600Q的“245同步FIFO”總線協(xié)議模式，通過(guò)通道將外部并行數(shù)據(jù)傳輸至內(nèi)部 FIFO中，最終完成USB輸出。FTDI 公司提供USB-UART和USB-FIFO兩種可供選擇的軟件接口[13，14]。USB-UART 接口提供了一個(gè)虛擬COM端口，主要用于完成USB和UART串口轉(zhuǎn)換的軟件開(kāi)發(fā)，是預(yù)留接口。USB-FIFO接口包含一個(gè)專(zhuān)用的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)FTD3XX.DLL，應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)FTD3XX庫(kù)提供的庫(kù)函數(shù)完成上位機(jī)設(shè)計(jì)，該庫(kù)可支持C語(yǔ)言、C++、java、C#等多種開(kāi)發(fā)語(yǔ)言[15]。由于C#語(yǔ)言可視化編程效果好，并且對(duì)FTD3XX.DLL操作方便，本設(shè)計(jì)選用C#語(yǔ)言編寫(xiě)上位機(jī)程序，完成對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、繪圖等處理。

3.1" FTD3XX接口簡(jiǎn)介

FTD3XX動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)提供的API包括：設(shè)備管理API、數(shù)據(jù)傳輸API、中斷處理API等。由于FTD3XX.DLL中API函數(shù)很多，本程序只用到了部分函數(shù)，主要介紹如下：

1）FT_Create。打開(kāi)設(shè)備并返回一個(gè)句柄，該句柄將用于后續(xù)訪問(wèn)。

2）FT_Close。關(guān)閉打開(kāi)的設(shè)備。

3）FT_WritePipe。將數(shù)據(jù)寫(xiě)入管道。

4）FT_ReadPipe。從管道讀取數(shù)據(jù)。

5）FT_InitializeOverlapped。為重疊參數(shù)初始化資源。

6）FT_ReleaseOverlapped。釋放重疊參數(shù)的資源。

7）FT_GetOverlappedResult。檢索管道重疊操作的結(jié)果。

8）FT_SetPipeTimeout。配置給定端點(diǎn)的超時(shí)值。

3.2" 采集系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)上位機(jī)軟件的任務(wù)是：通過(guò)FT600Q芯片與下位機(jī)進(jìn)行通信，完成數(shù)據(jù)采集工作并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)處理后，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與顯示。本上位機(jī)軟件是在Windows 10操作系統(tǒng)下Visual Studio 2022編程環(huán)境中使用C#語(yǔ)言編程完成，通過(guò)調(diào)用FT600Q制造商提供的設(shè)備方式下的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)FTD3XXDriver_WHQLCertified和動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)：FTD3XX.DLL，通過(guò)加載驅(qū)動(dòng)信息可以在應(yīng)用程序中直接調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。

3.2.1" 設(shè)備管理

主要實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)的控制操作：

1）打開(kāi)設(shè)備。調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)里的API函數(shù)FT_Create，用于進(jìn)一步訪問(wèn)、操作該設(shè)備。

2）初始化設(shè)備。初始化設(shè)置采集卡采樣率、觸發(fā)延遲、觸發(fā)電壓。

3）設(shè)備開(kāi)始采集。調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)里的API函數(shù)FT_InitializeOverlapped、FT_WritePipe、FT_GetOverlappedResult、FT_ReleaseOverlapped，用于將開(kāi)始寫(xiě)入數(shù)據(jù)的地址輸入到對(duì)應(yīng)的寄存器中。

4）設(shè)備讀取數(shù)據(jù)。調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)里的API函數(shù)FT_SetPipeTimeout、FT_ReadPipe，用于向?qū)?yīng)的寄存器寫(xiě)入讀取數(shù)據(jù)的地址。

5）設(shè)備暫停采集。調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)里的API函數(shù)FT_InitializeOverlapped、FT_WritePipe、FT_GetOverlappedResult、FT_ReleaseOverlapped，用于向?qū)?yīng)的寄存器寫(xiě)入暫停寫(xiě)入數(shù)據(jù)的地址。

6）關(guān)閉設(shè)備。調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)里的API函數(shù)FT_Close，用于對(duì)設(shè)備進(jìn)行關(guān)閉操作，方便下一次實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。

3.2.2" 數(shù)據(jù)管理與顯示

主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取并實(shí)時(shí)顯示：

由于C#繪圖過(guò)于煩瑣，所以上位機(jī)軟件OxyPlot控件進(jìn)行波形的繪制。其是.Net下的一款圖表庫(kù)，涵蓋各種圖標(biāo)的制作，且支持.Net下各平臺(tái)和運(yùn)行庫(kù)。通過(guò)編譯器的包管理器添加OxyPlot.Wpf依賴(lài)及Mvvm的支持后即可在程序中使用OxyPlot進(jìn)行圖表的制作。

在項(xiàng)目中添加MainWindowViewModel.cs類(lèi)，使其繼承自BindableBase類(lèi)，BindableBase是Mvvm模式的viewmodel基類(lèi)，它實(shí)現(xiàn)了INotifyPropertyChanged接口功能，可以通過(guò)數(shù)據(jù)綁定讓UI響應(yīng)viewmodel的變化。

4" 采集系統(tǒng)功能測(cè)試

在完成光電二極管與采集電路的焊接工作后，為確保電路的完整性與可靠性，首先利用萬(wàn)用表的“蜂鳴檔”對(duì)電源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行短路檢測(cè)。經(jīng)過(guò)確認(rèn)無(wú)誤，給電路接通12 V直流電源，并詳細(xì)觀察核心組件的工作狀態(tài)，如是否有過(guò)熱情況，同時(shí)測(cè)量關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電壓特性。在電路正常運(yùn)行的前提下，利用儀器采集到的干涉光和標(biāo)尺光信號(hào)作為信號(hào)源，進(jìn)一步研究驗(yàn)證信號(hào)探測(cè)電路，并使用示波器進(jìn)行驗(yàn)證。高速信號(hào)采集電路則通過(guò)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的雙通道生成對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)，并通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控與分析采集到的數(shù)據(jù)。

4.1" 差分探測(cè)電路測(cè)試

利用光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，采用反射鏡作為測(cè)試目標(biāo)，將兩個(gè)干涉信號(hào)光纖連接至光電二極管，以供差分探測(cè)電路中信號(hào)的輸入。使用示波器探測(cè)得干涉信號(hào)波形如圖3所示，信號(hào)未出現(xiàn)明顯的失真，證明差分探測(cè)電路可滿足需求。

圖3" 干涉信號(hào)波形

4.2" 標(biāo)尺光信號(hào)探測(cè)電路測(cè)試

同差分探測(cè)測(cè)試類(lèi)似，將標(biāo)尺光信號(hào)光纖連接至光電二極管，標(biāo)尺光信號(hào)波形如圖4所示，可見(jiàn)波形正常，表面標(biāo)尺光探測(cè)電路可滿足設(shè)計(jì)需求。

圖4" 標(biāo)尺光信號(hào)波形

4.3" 信號(hào)采集電路測(cè)試

采集電路測(cè)試主要體現(xiàn)能采集數(shù)據(jù)且在給定輸入時(shí)，獲取的信號(hào)輸出與給定的輸入一致。采集卡可設(shè)置的屬性包括采集點(diǎn)數(shù)、觸發(fā)延時(shí)、采樣率等都是測(cè)試內(nèi)容。

圖5的界面中的兩個(gè)坐標(biāo)軸是用于展示采集干涉光信號(hào)和標(biāo)尺光信號(hào)采集的信號(hào)可視化圖像。將信號(hào)采集電路通電，連接至PC端，設(shè)置采樣點(diǎn)數(shù)、采樣時(shí)間、采樣率。接收到觸發(fā)后采集信號(hào)，可見(jiàn)圖5（a）可正常采集且無(wú)明顯噪聲；若利用雙通道函數(shù)信號(hào)發(fā)生器作為信號(hào)源干擾探測(cè)器后，可見(jiàn)采集信號(hào)如圖5（b）所示，表明信號(hào)采集電路可正常采集信號(hào)，無(wú)丟失數(shù)據(jù)現(xiàn)象。

通過(guò)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器提供信號(hào)源，連接PC端讀取并保存信號(hào)采集電路的采集到的標(biāo)尺光與干涉光兩個(gè)通道數(shù)據(jù)，記錄采集數(shù)據(jù)繪制波形，判斷數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。設(shè)置函數(shù)信號(hào)發(fā)生器兩個(gè)通道，均輸出峰-峰值為2.0 V、頻率為1 MHz的正弦波且兩個(gè)通道信號(hào)相位差為90度，確保兩路信號(hào)采集的同步。PC端設(shè)置采樣速率為65 MHz，并將采樣到12 000個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的波形如圖6所示。由圖可見(jiàn)兩個(gè)信號(hào)峰-峰值均約為2.0 V且相位差約為90度，采集到的信號(hào)波形無(wú)明顯失真。通過(guò)測(cè)試表明信號(hào)采集電路的采集一致性良好，符合本系統(tǒng)的采集電路設(shè)計(jì)要求，可滿足本測(cè)量?jī)x的信號(hào)采集需求。

圖6" 信號(hào)采集電路采集波形

5" 結(jié)" 論

由綜合測(cè)試結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的基于眼科參數(shù)測(cè)量?jī)x的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，專(zhuān)注于眼科參數(shù)的收集，是對(duì)專(zhuān)業(yè)眼軸參數(shù)采集任務(wù)的探索。該系統(tǒng)能夠滿足眼科參數(shù)測(cè)量中的數(shù)據(jù)傳輸需求，展現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性和高數(shù)據(jù)處理能力。從硬件電路采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，再到基于C#語(yǔ)言的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，結(jié)果表明，本文提出的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與眼科設(shè)備的集成表現(xiàn)出了更好的兼容性，更易于開(kāi)發(fā)和維護(hù)。這使得該系統(tǒng)在眼科參數(shù)測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域具有更大的推廣潛力，能夠廣泛應(yīng)用于科研工作、眼科和視光行業(yè)等領(lǐng)域，有助于社會(huì)近視篩查和疾病研究，促進(jìn)全民眼健康事業(yè)的發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：趙浩弘（1998—），男，漢族，廣東廣州人，碩士在讀，研究方向：智能裝備與工業(yè)自動(dòng)化。