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CD4069反相器反相后分別送到4個差頻器74LS74的D端，每一個差頻器74LS74內(nèi)部有2個D觸發(fā)器。
2個6M高精度有源晶振分別經(jīng)時鐘芯片CDCV304后變成8個6M輸出信號，分別送到4個差頻器74LS74的CLK端。經(jīng)過4個差頻器74LS74差頻后的頻率信號" title="頻率信號">頻率信號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晶體表面質(zhì)量負載(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級的質(zhì)量檢測能力，其靈敏度可達1ng／Hz。由于一個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)計總體框圖
硬件設(shè)計
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，測量用QCM振蕩電路輸出的方波信號送入差頻器74LS74的D端，參考用高精度6M晶振輸出的方波信號送入差頻器74LS74的CLK端，得到的差頻信號送入可編程邏輯器件進行計數(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，便于單片機或可編程邏輯器件的信號采集。
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，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)計的是32位計數(shù)器，而51單片機是8位機，因此需要4次分時處理32位數(shù)據(jù)信號，由選擇信號SEL0~SEL2來控制。最終從EPM7128輸出8位數(shù)據(jù)信號到AT89S52的P0數(shù)據(jù)口，經(jīng)單片機處理后通過串口發(fā)到上位機進行最后的數(shù)據(jù)處理和圖形界面顯示。
在開始測量時，上位機通過串口給51單片機AT89S52發(fā)出命令，AT89S52先給EPM7128的22腳一個RST復(fù)位命令，使EPM7128復(fù)位后開始工作計頻，頻率測量計時時間為100ms，計時結(jié)束后，EPM7128的46腳發(fā)出中斷信號送給AT89S52的外中斷0口（INT0），單片機接收到中斷信號后從P1口的P10~P12給EPM7128發(fā)出3個選擇信號SEL0~SEL2。
圖3 可編程邏輯器件EPM7128和51單片機AT89S52的控制電路
EPM7128的83腳是全局時鐘，外接工作用的時鐘信號。該時鐘信號可以使用有源晶振來產(chǎn)生，也可以使用無源晶振加振蕩器產(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、手動復(fù)位及欠壓復(fù)位功能。
EPM7128也是采用在線編程方式進行程序的燒寫，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AT89S52的P1口和復(fù)位口進行在線編程，使用at89isp軟件在線編程，進行程序的燒寫。
軟件設(shè)計
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)計實現(xiàn)了分頻" title="分頻">分頻、頻率計數(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、計數(shù)模塊、數(shù)據(jù)選擇模塊組成，分頻模塊和計數(shù)模塊采用Verilog HDL硬件描述語言編寫，數(shù)據(jù)選擇模塊用圖形輸入方式。由于計數(shù)模塊的計時器是32位的，因此通過3個8位的二選一數(shù)據(jù)選擇器，在單片機給出的SEL0~SEL2片選信號控制下，分時選擇從EPM7128的輸出端OUTPUT7~OUTPUT0輸出的8位數(shù)據(jù)信號到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，使EPM7128復(fù)位，開始記錄差頻器送到EPM7128的CLKX1端的頻率信號。記時時間到，EPM7128的輸出端INT發(fā)出中斷信號，通知單片機接收數(shù)據(jù)。12M的振蕩信號送到EPM7128的CLK端，經(jīng)過分頻模塊后變成10Hz的頻率信號給計數(shù)模塊提供基準時基。
2、可編程邏輯器件EPM7128的計數(shù)模塊
被測脈沖加到計數(shù)模塊中閘門的輸入端，開始測頻時，先將計數(shù)器置0，待門控" title="門控">門控信號到來后，打開閘門，允許被測脈沖通過，計數(shù)器開始計數(shù)，直到門控信號結(jié)束，閘門關(guān)閉，停止計數(shù)。
因此，當門控信號的周期為1s時，在閘門開通時間1s通過閘門的被測脈沖個數(shù)即為該被測信號的頻率，為了使上位機獲得更多的數(shù)據(jù)和精度，使門控信號的周期為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，分頻成10Hz頻率信號給計數(shù)模塊做基準時鐘，即計時時間是100ms。
以下是EPM7128的計數(shù)模塊的程序部分代碼：
CLK_1hz表示門控信號，CLKX表示被測脈沖，RST為系統(tǒng)復(fù)位信號，F(xiàn)RE為鎖存后的脈沖頻率數(shù)據(jù)，INT為給單片機的中斷信號，這幾個信號是計數(shù)模塊中的輸入、輸出信號。在計數(shù)模塊中還有幾個內(nèi)部定義的信號，CNT_EN為計數(shù)允許信號，CNT_CLR為計數(shù)清零信號，LOAD表示鎖存信號，OUT表示鎖存前的脈沖頻率信號。
門控信號為10Hz，每兩個時鐘周期進行一次頻率測量，即在每兩個時鐘周期CLK_1hz內(nèi)，先到來半個時鐘周期的CNT_CLR，用于清零；隨后，CNT_EN在一個時鐘周期CLK_1hz內(nèi)有效，進行計數(shù)；最后，在后到來的半個時鐘周期內(nèi)，當LOAD的上升沿到來時，鎖存計數(shù)結(jié)果。
4、51單片機AT89S52的程序
當EPM7128計時時間到，給AT89S52的外中斷0發(fā)出中斷信號，AT89S52的程序跳到外中斷中，進行數(shù)據(jù)處理，分別給出選擇信號SEL0~SEL2的組合，分時接收EPM7128的數(shù)據(jù)信號，再通過串口發(fā)給上位機。
51單片機先初始化定時器、串口及中斷設(shè)置等，給EPM7128發(fā)出復(fù)位信號，然后進入大循環(huán)程序，等待外中斷。由于所測頻率不會超過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
實驗結(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)實驗
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數(shù)的結(jié)果。壓電石英晶體傳感器用于凝血因子檢測具有使用方便、精度高和成本低等優(yōu)點，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)簡單、成本低、振動Q值大、靈敏度高、測量精度可以達到納克量級的優(yōu)點。