一種基于CPLD的壓電生物傳感器檢測電路的設計
摘要： 介紹了一種基于復雜可編程邏輯器件(CPLD)的壓電生物傳感器檢測電路。該檢測電路以高性能CPLD(MAX7128)為核心，實現(xiàn)了對壓電生物傳感器10MHz高頻信號的測量與采集，以及所采集的頻率數(shù)據(jù)動態(tài)、實時顯示以及頻率數(shù)據(jù)串行通信等功能。該電路體積小、集成度高，具有可靠性高、實時性高的特點。此外該系統(tǒng)還可以通過RS-232串行接口與計算機連接進行數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)存儲及分析。詳細闡明了系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設計以及系統(tǒng)硬件部分的實現(xiàn)，并給出了CPLD內(nèi)核仿真結(jié)果和數(shù)據(jù)采集軟件實測頻率曲線。
Abstract：
Key words :
介紹了一種基于復雜可編程邏輯器件(CPLD)的壓電生物傳感器檢測電路。該檢測電路以高性能CPLD(MAX7128)為核心，實現(xiàn)了對壓電生物傳感器10MHz高頻信號的測量與采集，以及所采集的頻率數(shù)據(jù)動態(tài)、實時顯示以及頻率數(shù)據(jù)串行通信等功能。該電路體積小、集成度高，具有可靠性高、實時性高的特點。此外該系統(tǒng)還可以通過RS-232串行接口與計算機連接進行數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)存儲及分析。詳細闡明了系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設計以及系統(tǒng)硬件部分的實現(xiàn)，并給出了CPLD內(nèi)核仿真結(jié)果和數(shù)據(jù)采集軟件實測頻率曲線。
國內(nèi)外基于壓電石英晶體微天平技術(shù)的檢測儀器大多數(shù)使用自行設計的振蕩電路盒，使用高分辨的頻率計數(shù)器測量頻率輸出，然后進行定時人工記數(shù)，儀器復雜，自動化程度低。微型壓電生物傳感器檢測電路采用當前最有發(fā)展前景的復雜可編程邏輯器件(CPLD)為核心器件設計而成。目前，CPLD集成度可達25萬等效門，工作速度可達180MHz。它借助自動化程度高的內(nèi)核程序開發(fā)工具，可以大大縮短系統(tǒng)的計周期，而且數(shù)據(jù)采集可以由一塊CPLD芯片完成，整個系統(tǒng)的硬件規(guī)模明顯減小。在系統(tǒng)的研制階段，由于CPLD器件引腳比較靈活，又有可擦除可編程的能力，因此對原設計進行修改時，只需要修改原設計文件再對CPLD芯片重新編程即可，而不需要修改電路布局，更不需要重新加工印刷線路板，這就大大提高了系統(tǒng)的靈活性。結(jié)合壓電生物傳感器特性，研制一種微型化的壓電傳感器檢測電路有十分重要的意義。
1 壓電生物傳感器原理
壓電石英晶體頻移ΔF與在晶體表面均勻吸附的極薄層剛性物質(zhì)量Δm之間存在正比關(guān)系，由Sauerbrey方程描述，并且對于AT切割的石英晶體，可得到Sauerbrey方程式:
式中，ΔF、Fq(晶體基頻)、Δm、A單位分別為Hz、Hz、g。cm-2、cm2。石英晶片在氣相中振蕩時，Δf與Δm呈簡單的線性關(guān)系，因此石英晶片可用來做非常敏感的質(zhì)量檢測器，其檢測限可以達到ng級(10-9g。cm-2)，甚至pg(10-12g。cm2)級水平。
根據(jù)壓電石英晶體傳感器的原理設計了一種微型化的壓電傳感器檢測電路，其檢測原理為在傳感器上預先固定與待測物能發(fā)生親和反應的“探針”，檢測待測物時，隨著親和反應的進行，檢測電路實時跟蹤反應過程，記錄傳感器上質(zhì)量變化引起頻率變化，再通過上述定量關(guān)系式計算待測物的量，其靈敏度可以達到納克級水平，結(jié)合納米金技術(shù)可將傳感器的靈敏度提高3～5倍。
2 電路硬件設計
微型壓電傳感器檢測電路是經(jīng)過前幾代儀器的開發(fā)經(jīng)驗總結(jié)和改進基礎(chǔ)上完成的。它摒棄以往TTL集成電路或MCS51單片機為核心電路波動大，穩(wěn)定性差，電路板繪制復雜，不利于升級換代的缺點，選擇使用ALTERA公司生產(chǎn)的復雜可編程邏輯器件(CPLD)MAX7128為核心，基于RS232通信方式的串行接口數(shù)據(jù)采集分析平臺。該系統(tǒng)分為7個模塊:電源供電模塊，RS-232電平轉(zhuǎn)換模塊，振蕩電路模塊，時鐘模塊，數(shù)碼顯示模塊，MAX7128內(nèi)核模塊。其電路線路板布局如圖1所示。
圖1硬件結(jié)構(gòu)圖
圖1中，USB口為壓電生物傳感器與檢測電路相連接的接口;RS-232口為與計算機相連接的接口，將數(shù)字化的傳感器信號(頻率值)上傳到計算機，由計算機(PC機)實現(xiàn)傳感器信號的實時采集和顯示，采集數(shù)據(jù)程序由VC++6。0編寫;OSC1為提供系統(tǒng)工作時鐘振蕩電路，由TTL芯片和12MHz標準晶振組成，產(chǎn)生1s脈沖信號，作為CPLD工作時鐘輸入、RS-232通信時序脈沖以及數(shù)碼管動態(tài)顯示時序脈沖，準確度高、且精確;OSC2為傳感器振蕩電路，經(jīng)過幾代反復改良，在氣相、液相均能夠正常振蕩且波形正常，將傳感器表面生物反應信號轉(zhuǎn)化成脈沖信號，輸入CPLD進行信號數(shù)據(jù)采集;數(shù)碼顯示采用共陰極8×8段數(shù)碼管，動態(tài)掃描顯示當前傳感器信號值和簡單數(shù)據(jù)分析判斷結(jié)果;電源給系統(tǒng)提供直流5V工作電壓，含有直流6～15V變成5V穩(wěn)壓電路;RS-232電平轉(zhuǎn)換電路將從CPLD輸出的CMOS電平轉(zhuǎn)化為計算機所接受的TTL電平，而且可增加數(shù)據(jù)傳輸距離。
作為系統(tǒng)內(nèi)核的CPLD，采用Verilog HDL硬件設計語言、MAX+plusII10。1編譯系統(tǒng)編寫基于Altera公司CPLD(MAX7128)器件的內(nèi)核程序，設計實現(xiàn)了秒時鐘定時、10MHz頻率測量、RS-232通信時序發(fā)生器、RS-232協(xié)議數(shù)據(jù)通信、頻率數(shù)據(jù)判斷簡單分析以及數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示控制等綜合功能，其原理如圖2所示。
圖2 CPLD內(nèi)核原理圖
3 系統(tǒng)仿真及實測結(jié)果
系統(tǒng)仿真結(jié)果:為了便于觀察，將秒時鐘計數(shù)判斷設置為66C0，得到內(nèi)核模塊的仿真圖，如圖3所示。仿真圖給出了頻率采集細節(jié)，數(shù)碼管顯示控制以及串行通信控制。
圖3 CPLD內(nèi)核仿真圖
仿真結(jié)果吻合了設計思路，把內(nèi)核程序下載到CPLD(MAX7128)器件中，實際測試過程中，數(shù)碼管可以正確顯示當前傳感器的響應信號，使用自己開發(fā)的采集程序通過計算機串行通信采集數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)曲線如圖4所示。所采集的數(shù)據(jù)與仿真情況一致，更進一步驗證了設計思路的成功。
圖4 采集程序?qū)崪y頻率數(shù)據(jù)曲線
4 結(jié)語
壓電生物傳感器檢測電路可擴展為單通道微型壓電生物分析儀器，它可以基于核酸雜交的特異性，在醫(yī)學臨床研究領(lǐng)域用于疾病診斷或者基于抗原/抗體之間的特異性結(jié)合反應，用于生物樣品分析。該儀器靈敏度高，特異性強，若采用CPLD升級為大容量FPGA后，可以方便升級為多通道生物分析系統(tǒng)，應用于生物分析檢測各個領(lǐng)域。
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