《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于QCM傳感器的生物芯片檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)方案
摘要: 本系統(tǒng)采用8套完全相同的以MAX913芯片為核心的振蕩器,通過2個(gè)CD4069反相器反相后分別送到4個(gè)差頻器74LS74的D端,每一個(gè)差頻器74LS74內(nèi)部有2個(gè)D觸發(fā)器。
Abstract:
Key words :

  本系統(tǒng)采用8套完全相同的以MAX913芯片為核心的振蕩器,通過2個(gè)CD4069反相器反相后分別送到4個(gè)差頻器74LS74的D端,每一個(gè)差頻器74LS74內(nèi)部有2個(gè)D觸發(fā)器。

  2個(gè)6M高精度有源晶振分別經(jīng)時(shí)鐘芯片CDCV304后變成8個(gè)6M輸出信號(hào),分別送到4個(gè)差頻器74LS74的CLK端。經(jīng)過4個(gè)差頻器74LS74差頻后的頻率信號(hào)" title="頻率信號(hào)">頻率信號(hào)送到可編程邏輯器件" title="可編程邏輯器件">可編程邏輯器件EPM570GT100C3芯片的I/O口。

  為何選擇EPM7128LC84-10?

  石英晶體振蕩頻率對(duì)晶體表面質(zhì)量負(fù)載(質(zhì)量效應(yīng))和反應(yīng)體系物理性狀如密度、粘度、電導(dǎo)率等(非質(zhì)量效應(yīng))的改變高度敏感,具有亞ng級(jí)的質(zhì)量檢測(cè)能力,其靈敏度可達(dá)1ng/Hz。由于一個(gè)通道所使用的邏輯門比較少,因此選擇可編程邏輯器件EPM7128LC84-10。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖

  硬件設(shè)計(jì)

  1、石英晶體振蕩及差頻電路

  自激振蕩器通常是由基本放大電路、正反饋網(wǎng)絡(luò)和選頻網(wǎng)絡(luò)三部分組成的。

  采用差頻的目的是為了降低輸入到可編程邏輯器件EPM7128的頻率,測(cè)量用QCM振蕩電路輸出的方波信號(hào)送入差頻器74LS74的D端,參考用高精度6M晶振輸出的方波信號(hào)送入差頻器74LS74的CLK端,得到的差頻信號(hào)送入可編程邏輯器件進(jìn)行計(jì)數(shù)。

  在石英晶體振蕩電路中,石英晶體作為正反饋網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分,也是一種選頻網(wǎng)絡(luò),只有在石英晶體振蕩器的固有諧振頻率下才能滿足條件。根據(jù)這一原理,采用以MAX913芯片為核心的振蕩器,它的輸出是TTL電平,便于單片機(jī)或可編程邏輯器件的信號(hào)采集。

圖2 石英晶體振蕩及差頻電路

 

  2、EPM7128和AT89S52的控制電路

  經(jīng)過差頻器74LS74后的差頻信號(hào),從74LS74的5腳輸出送到可編程邏輯器件EPM7128的6腳I/O口上。由于在EPM7128設(shè)計(jì)的是32位計(jì)數(shù)器,而51單片機(jī)是8位機(jī),因此需要4次分時(shí)處理32位數(shù)據(jù)信號(hào),由選擇信號(hào)SEL0~SEL2來(lái)控制。最終從EPM7128輸出8位數(shù)據(jù)信號(hào)到AT89S52的P0數(shù)據(jù)口,經(jīng)單片機(jī)處理后通過串口發(fā)到上位機(jī)進(jìn)行最后的數(shù)據(jù)處理和圖形界面顯示。

  在開始測(cè)量時(shí),上位機(jī)通過串口給51單片機(jī)AT89S52發(fā)出命令,AT89S52先給EPM7128的22腳一個(gè)RST復(fù)位命令,使EPM7128復(fù)位后開始工作計(jì)頻,頻率測(cè)量計(jì)時(shí)時(shí)間為100ms,計(jì)時(shí)結(jié)束后,EPM7128的46腳發(fā)出中斷信號(hào)送給AT89S52的外中斷0口(INT0),單片機(jī)接收到中斷信號(hào)后從P1口的P10~P12給EPM7128發(fā)出3個(gè)選擇信號(hào)SEL0~SEL2。

圖3 可編程邏輯器件EPM7128和51單片機(jī)AT89S52的控制電路

  EPM7128的83腳是全局時(shí)鐘,外接工作用的時(shí)鐘信號(hào)。該時(shí)鐘信號(hào)可以使用有源晶振來(lái)產(chǎn)生,也可以使用無(wú)源晶振加振蕩器產(chǎn)生。EPM7128的14、71、23、62腳分別是TDI、TDO、TMS、TCK端,是JTAG編程口。AT89S52的14、15腳外接晶振和電容組成單片機(jī)的振蕩電路,4腳是復(fù)位端,由IPM810控制,IPM810具備上電復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位及欠壓復(fù)位功能。

  EPM7128也是采用在線編程方式進(jìn)行程序的燒寫,采用JTAG在線編程。其他引腳基本上都是I/O口,可根據(jù)需要指定。

  AT89S52使用PLCC44腳封裝的貼片器件,利用單片機(jī)AT89S52的P1口和復(fù)位口進(jìn)行在線編程,使用at89isp軟件在線編程,進(jìn)行程序的燒寫。

  軟件設(shè)計(jì)

  本系統(tǒng)使用MAX+plusII10.1編譯系統(tǒng)或Quartus II 4.2編譯系統(tǒng)編譯,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了分頻" title="分頻">分頻、頻率計(jì)數(shù)、數(shù)據(jù)選擇等功能。

 

  1、可編程邏輯器件EPM7128的頂層電路

  頂層電路由分頻模塊、計(jì)數(shù)模塊、數(shù)據(jù)選擇模塊組成,分頻模塊和計(jì)數(shù)模塊采用Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言編寫,數(shù)據(jù)選擇模塊用圖形輸入方式。由于計(jì)數(shù)模塊的計(jì)時(shí)器是32位的,因此通過3個(gè)8位的二選一數(shù)據(jù)選擇器,在單片機(jī)給出的SEL0~SEL2片選信號(hào)控制下,分時(shí)選擇從EPM7128的輸出端OUTPUT7~OUTPUT0輸出的8位數(shù)據(jù)信號(hào)到AT89S52的P0數(shù)據(jù)口。

圖4 可編程邏輯器件EPM7128的頂層電路

  AT89S52給EPM7128的RST端提供復(fù)位RST信號(hào),使EPM7128復(fù)位,開始記錄差頻器送到EPM7128的CLKX1端的頻率信號(hào)。記時(shí)時(shí)間到,EPM7128的輸出端INT發(fā)出中斷信號(hào),通知單片機(jī)接收數(shù)據(jù)。12M的振蕩信號(hào)送到EPM7128的CLK端,經(jīng)過分頻模塊后變成10Hz的頻率信號(hào)給計(jì)數(shù)模塊提供基準(zhǔn)時(shí)基。

  2、可編程邏輯器件EPM7128的計(jì)數(shù)模塊

  被測(cè)脈沖加到計(jì)數(shù)模塊中閘門的輸入端,開始測(cè)頻時(shí),先將計(jì)數(shù)器置0,待門控" title="門控">門控信號(hào)到來(lái)后,打開閘門,允許被測(cè)脈沖通過,計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù),直到門控信號(hào)結(jié)束,閘門關(guān)閉,停止計(jì)數(shù)。

  因此,當(dāng)門控信號(hào)的周期為1s時(shí),在閘門開通時(shí)間1s通過閘門的被測(cè)脈沖個(gè)數(shù)即為該被測(cè)信號(hào)的頻率,為了使上位機(jī)獲得更多的數(shù)據(jù)和精度,使門控信號(hào)的周期為0.1s。

  3、可編程邏輯器件EPM7128的分頻模塊

  分頻模塊的目的是將可編程邏輯器件EPM7128的83腳輸入的12M頻率信號(hào),分頻成10Hz頻率信號(hào)給計(jì)數(shù)模塊做基準(zhǔn)時(shí)鐘,即計(jì)時(shí)時(shí)間是100ms。

  以下是EPM7128的計(jì)數(shù)模塊的程序部分代碼:

 

  CLK_1hz表示門控信號(hào),CLKX表示被測(cè)脈沖,RST為系統(tǒng)復(fù)位信號(hào),F(xiàn)RE為鎖存后的脈沖頻率數(shù)據(jù),INT為給單片機(jī)的中斷信號(hào),這幾個(gè)信號(hào)是計(jì)數(shù)模塊中的輸入、輸出信號(hào)。在計(jì)數(shù)模塊中還有幾個(gè)內(nèi)部定義的信號(hào),CNT_EN為計(jì)數(shù)允許信號(hào),CNT_CLR為計(jì)數(shù)清零信號(hào),LOAD表示鎖存信號(hào),OUT表示鎖存前的脈沖頻率信號(hào)。

  門控信號(hào)為10Hz,每?jī)蓚€(gè)時(shí)鐘周期進(jìn)行一次頻率測(cè)量,即在每?jī)蓚€(gè)時(shí)鐘周期CLK_1hz內(nèi),先到來(lái)半個(gè)時(shí)鐘周期的CNT_CLR,用于清零;隨后,CNT_EN在一個(gè)時(shí)鐘周期CLK_1hz內(nèi)有效,進(jìn)行計(jì)數(shù);最后,在后到來(lái)的半個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi),當(dāng)LOAD的上升沿到來(lái)時(shí),鎖存計(jì)數(shù)結(jié)果。

  4、51單片機(jī)AT89S52的程序

  當(dāng)EPM7128計(jì)時(shí)時(shí)間到,給AT89S52的外中斷0發(fā)出中斷信號(hào),AT89S52的程序跳到外中斷中,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,分別給出選擇信號(hào)SEL0~SEL2的組合,分時(shí)接收EPM7128的數(shù)據(jù)信號(hào),再通過串口發(fā)給上位機(jī)。

  51單片機(jī)先初始化定時(shí)器、串口及中斷設(shè)置等,給EPM7128發(fā)出復(fù)位信號(hào),然后進(jìn)入大循環(huán)程序,等待外中斷。由于所測(cè)頻率不會(huì)超過10MHz,因此只讀取24位數(shù)據(jù)即可。

圖5 外中斷0中斷程序流程圖

 

  實(shí)驗(yàn)結(jié)果

  先往流池內(nèi)加100微升血漿(溫浴180S),旋轉(zhuǎn)螺桿到刻度17.0,然后再通過側(cè)面小孔注射進(jìn)TT凝血酶溶液然后抽出注射器。

圖6 直徑6毫米血漿凝結(jié)實(shí)驗(yàn)

  此圖是石英晶體采用AT切向,電極為銀膜,基頻I0MHZ,晶體直徑6mm(沒有使用差頻器),直接將10MHz石英晶體的頻率送到可編程邏輯器件計(jì)數(shù)的結(jié)果。壓電石英晶體傳感器用于凝血因子檢測(cè)具有使用方便、精度高和成本低等優(yōu)點(diǎn),有廣闊的臨床應(yīng)用和推廣前景。

  QCM作為微質(zhì)量傳感器被廣泛應(yīng)用于化學(xué)、物理、生物、醫(yī)學(xué)和表面科學(xué)等領(lǐng)域中,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、振動(dòng)Q值大、靈敏度高、測(cè)量精度可以達(dá)到納克量級(jí)的優(yōu)點(diǎn)。

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