[導讀]本文介紹了以DSP為核心的DNA電化學信號采集儀，重點講述了其中自動量程控制系統(tǒng)的設計。自動量程控制的方式拓展了由DNA生化反應引起的電流信號的檢測范圍，并且提高了采樣的準確性，達到了儀器的寬檢測范圍、高精度等性能要求。
0 引 言
DNA電化學信號采集儀是基于電化學分析技術設計的診斷儀器。電化學分析技術是當前測定DNA序列的熱點，它相對于表面分析技術、凝膠電泳技術、微量熱法、毛細管電泳法、電化學分析技術和化學發(fā)光分析技術等有較大優(yōu)勢。本設計采用循環(huán)伏安法檢測DNA生化反應產(chǎn)生的電流，從而對急性早幼粒細胞白血病(APL)和慢性粒細胞白血病(慢粒CML)作出早期診斷。采集儀具有小型化、集成化及原位、在體、實時、在線的檢測等特點。
電化學方法的檢測體系一般為三電極體系：工作電極為金電極，其上面固定著DNA片段和用于檢測的電活性雜交指示劑；參比電極為銀／氯化銀電極；輔助電極為鉑電極。
一般情況下，使用CHI660C并選擇循環(huán)伏安法做電化學實驗，需要設置其靈敏度，一旦靈敏度設置不恰當，就會影響檢測效果。因此，為了提高電流信號的檢測精度，DNA電化學信號采集儀需要具備自動控制靈敏度的功能。
本文首先簡單介紹了自制的DNA電化學信號采集儀的整體框架、功能及性能，然后詳細闡述了自動量程控制系統(tǒng)在信號采集模塊中的應用，并給出了相應的硬件和軟件設計方案。
1 系統(tǒng)設計
整個DNA電化學信號采集儀主要由四個模塊構成，如圖1所示。
處理器模塊 這部分采用TI公司的DSP處理器TMS320F2806，主要負責對信號發(fā)生模塊和信號采集模塊的控制，同時，對采集到的信號進行處理，并發(fā)送給上位機。
信號發(fā)生模塊 包括16位D／A、低通濾波和恒電位儀。該模塊在DSP的控制下，根據(jù)選擇的電化學檢測方法，產(chǎn)生相應的波形信號。
信號采集模塊 包括I／V轉(zhuǎn)換電路、自動量程控制電路、電壓調(diào)整電路、低通濾波電路和16位A／D。其功能是采集電化學反應池中的電流信號。
電化學反應池模塊 為三電極體系的電化學反應提供場所，并將反應中產(chǎn)生的電流信號傳送給信號采集模塊。
2 自動量程控制系統(tǒng)的設計
2.1 自動量程控制系統(tǒng)的設計要求
考慮到一般電化學反應產(chǎn)生的電流信號范圍為1.0×10-7～1.0×10-3A，所以就要求DNA電化學信號采集儀中信號采集部分的電路能檢測此范圍的電流信號，并且抗干擾性要強，噪聲和信號失真要低。此外，信號采集電路還需要具有數(shù)控式快速精確調(diào)檔的功能，能根據(jù)一定的條件自動調(diào)整靈敏度，即自動升檔或降檔。
一般情況下，應使被轉(zhuǎn)換量在A／D轉(zhuǎn)換線性區(qū)之內(nèi)，盡可能使模擬量在1／2滿度～接近滿度的區(qū)域中轉(zhuǎn)換，即根據(jù)未知參數(shù)量值的范圍，自動選擇合適的靈敏度。
2.2 自動量程控制系統(tǒng)的設計
智能化DNA電化學信號采集儀是通過自動切換量程實現(xiàn)I／V轉(zhuǎn)換的。其原理如下：
式中：I測量表示待測的電流信號；K表示采樣的靈敏度；V偏置表示某一恒定的偏置電壓；VREF表示A／D的參考電壓；S表示A／D采樣的數(shù)字信號值；n表示A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換位數(shù)。
在設計電路之前，可以根據(jù)實際需求，來確定量程及切換量程的條件，再檢查在此條件下，電流范圍及精度是否達到了要求。
2.2.1 量程的確定
根據(jù)自動量程控制系統(tǒng)的設計要求，決定將儀器的量程設為4檔，相鄰檔之間的靈敏度K相差10倍，則4檔對應的I／V轉(zhuǎn)換電阻分別為1 MΩ，100 kΩ，10 kΩ和1 kΩ。具體的設計如表1所示。
2.2.2 切換量程條件的確定
由于待測電流有正負之分，即方向不同，所以I／V轉(zhuǎn)換后的電壓也有正負之區(qū)別。本設計中，16位A／D的采集電壓的范圍是0～4.096 V，因此增加了一個2.5 V的偏置電壓，使得A／D采集的電壓范圍改變?yōu)?2.5～+1.596 V。下面分別確定上限和下限換檔的條件。
上限換檔 當電壓信號靠近A／D滿量程，或者信號較小時，A／D采樣就會發(fā)生失真，所以，本設計以(2.5±1.5)V作為A／D輸入的上限值，即1.0 V和4.0 V，兩者分別是負的和正的可測電壓的上限值。如果A／D的采樣電壓值小于1.0 V或者大于4.0 V，那么就超出了此檔的量程，就要向上升一檔。
下限換檔 各檔之間靈敏度的比值為10，所以，從理論上講，換檔的下限值應該為(2.5±1.5／10)V，但為了防止測量系統(tǒng)頻繁的量程切換，本設計增加了一個0.1 V寬度的換檔銜接區(qū)，所以其下限值為(2.5±(1.5-0.1)／10)V，即2.36 V和2.64 V，兩者分別是負的和正的可測電壓下限值。如果電壓值在2.36～2.64 V之間，那么就超出了此檔的量程，就要向下降一檔。
從A／D的采樣值S的角度來看，它的換檔條件可總結如表2所示。
2.2.3 測量電流范圍及精度的計算
在本設計中，采用16位A／D芯片，得n=16，VREF=4.096 V，V偏置=2.5 V。所以，由式(1)可知，I測量與S之間必然存在一個對應的關系式：
由表2知，S的范圍為0x3E80～0x9380和0xA500～0xFA00，則可由式(2)得出每一檔的I測量的范圍，及其對應的電流精度，如表3所示。由此表可見，測量電流的范圍及精度基本上滿足了儀器的要求。
2.3 硬件電路的設計
本設計利用處理器控制兩片數(shù)字電位器，從而調(diào)整I／V轉(zhuǎn)換的靈敏度，繼而實現(xiàn)了信號采集的自動量程控制。數(shù)字電位器亦稱數(shù)控電阻器，任何需要用電阻來進行參數(shù)調(diào)整校準或控制的場合，都可使用數(shù)字電位器構成可編程模擬電路。本設計將AD5242作為粗調(diào)電位器，其最大阻值能達到1 MΩ，共256個抽頭。同時，將AD5254作為微調(diào)電位器，其最大阻值為10 kΩ，共256個抽頭。AD5242和AD5254的電路設計框圖如圖2所示。
對于這兩類數(shù)字電位器而言，W與B之間的電阻阻值為：RWB(D)=(D／256)RAB+RW。其中，D表示輸入的8位二進制碼，范圍是0～255；RAB是指A和B兩端之間的電阻；RW是滑動端由于內(nèi)部開關而引起的電阻。
如圖2所示，對于AD5242，RW1B1=(D／256)×1+60；對于AD5254，RW2B2=(D／256)×10+75；W1和W2之間的電阻RW1W2=RW1B1+RW2B2。各個量程的具體設計見表4。
2.4 軟件設計
自動量程控制系統(tǒng)的軟件設計如圖3所示。其具體工作過程如下：
當A／D采樣值S超出了量程上限或下限，則先判斷當前量程是否達到了最高檔或最低檔量程，若沒有達到，則向上或向下?lián)Q檔，然后重新采樣；否則，就說明信號超出了檢測的范圍。
如果S處于當前檔量程范圍內(nèi)，則處理器就會把采樣值保存下來并發(fā)送給上位機，結束一次采樣。
3實驗結果及分析
對于微安級的小電流，在各個量程檔的檢測結果如圖4所示，當K=1e-006 A／V(1檔)時，數(shù)據(jù)的線性度最好，最準確；而隨著檔級的逐漸升高，數(shù)據(jù)的線性度越來越差。所以，本儀器將靈敏度K自動設置為1檔，檢測結果與圖4中的1一致，從而實現(xiàn)了自動量程控制的效果，無需手動設置靈敏度。圖中I為電流；U為掃描電壓。
對于毫安級的電流，在各個量程檔的檢測結果如圖5所示。當K=1e-003 A／V(4檔)時，可采集到所有電流信號，且數(shù)據(jù)比較準確；而隨著檔級的降低，電流信號逐漸超出了檢測范圍，但在可檢測的范圍內(nèi)線性度較好。對于此信號，隨著電流信號接近零，本儀器的靈敏度K將從4檔逐漸轉(zhuǎn)到1檔，然后又隨著電流的增大逐漸轉(zhuǎn)到1檔，從而實現(xiàn)了自動量程控制，效果如圖5中的4所示。
由實驗可知，自動量程控制系統(tǒng)避免了手動設置靈敏度，實現(xiàn)了量程檔的自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了電流信號的寬范圍的準確檢測。
4結 語
本文介紹了以DSP為核心的DNA電化學信號采集儀，重點講述了其中自動量程控制系統(tǒng)的設計。自動量程控制的方式拓展了由DNA生化反應引起的電流信號的檢測范圍，并且提高了采樣的準確性，達到了儀器的寬檢測范圍、高精度等性能要求。
DNA電化學信號采集儀是基于電化學分析技術設計的診斷儀器。電化學分析技術是當前測定DNA序列的熱點，它相對于表面分析技術、凝膠電泳技術、微量熱法、毛細管電泳法、電化學分析技術和化學發(fā)光分析技術等有較大優(yōu)勢。本設計采用循環(huán)伏安法檢測DNA生化反應產(chǎn)生的電流，從而對急性早幼粒細胞白血病(APL)和慢性粒細胞白血病(慢粒CML)作出早期診斷。采集儀具有小型化、集成化及原位、在體、實時、在線的檢測等特點。
電化學方法的檢測體系一般為三電極體系：工作電極為金電極，其上面固定著DNA片段和用于檢測的電活性雜交指示劑；參比電極為銀／氯化銀電極；輔助電極為鉑電極。
一般情況下，使用CHI660C并選擇循環(huán)伏安法做電化學實驗，需要設置其靈敏度，一旦靈敏度設置不恰當，就會影響檢測效果。因此，為了提高電流信號的檢測精度，DNA電化學信號采集儀需要具備自動控制靈敏度的功能。
本文首先簡單介紹了自制的DNA電化學信號采集儀的整體框架、功能及性能，然后詳細闡述了自動量程控制系統(tǒng)在信號采集模塊中的應用，并給出了相應的硬件和軟件設計方案。
1 系統(tǒng)設計
整個DNA電化學信號采集儀主要由四個模塊構成，如圖1所示。
處理器模塊 這部分采用TI公司的DSP處理器TMS320F2806，主要負責對信號發(fā)生模塊和信號采集模塊的控制，同時，對采集到的信號進行處理，并發(fā)送給上位機。
信號發(fā)生模塊 包括16位D／A、低通濾波和恒電位儀。該模塊在DSP的控制下，根據(jù)選擇的電化學檢測方法，產(chǎn)生相應的波形信號。
信號采集模塊 包括I／V轉(zhuǎn)換電路、自動量程控制電路、電壓調(diào)整電路、低通濾波電路和16位A／D。其功能是采集電化學反應池中的電流信號。
電化學反應池模塊 為三電極體系的電化學反應提供場所，并將反應中產(chǎn)生的電流信號傳送給信號采集模塊。
2 自動量程控制系統(tǒng)的設計
2.1 自動量程控制系統(tǒng)的設計要求
考慮到一般電化學反應產(chǎn)生的電流信號范圍為1.0×10-7～1.0×10-3A，所以就要求DNA電化學信號采集儀中信號采集部分的電路能檢測此范圍的電流信號，并且抗干擾性要強，噪聲和信號失真要低。此外，信號采集電路還需要具有數(shù)控式快速精確調(diào)檔的功能，能根據(jù)一定的條件自動調(diào)整靈敏度，即自動升檔或降檔。
一般情況下，應使被轉(zhuǎn)換量在A／D轉(zhuǎn)換線性區(qū)之內(nèi)，盡可能使模擬量在1／2滿度～接近滿度的區(qū)域中轉(zhuǎn)換，即根據(jù)未知參數(shù)量值的范圍，自動選擇合適的靈敏度。
2.2 自動量程控制系統(tǒng)的設計
智能化DNA電化學信號采集儀是通過自動切換量程實現(xiàn)I／V轉(zhuǎn)換的。其原理如下：
式中：I測量表示待測的電流信號；K表示采樣的靈敏度；V偏置表示某一恒定的偏置電壓；VREF表示A／D的參考電壓；S表示A／D采樣的數(shù)字信號值；n表示A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換位數(shù)。
在設計電路之前，可以根據(jù)實際需求，來確定量程及切換量程的條件，再檢查在此條件下，電流范圍及精度是否達到了要求。
2.2.1 量程的確定
根據(jù)自動量程控制系統(tǒng)的設計要求，決定將儀器的量程設為4檔，相鄰檔之間的靈敏度K相差10倍，則4檔對應的I／V轉(zhuǎn)換電阻分別為1 MΩ，100 kΩ，10 kΩ和1 kΩ。具體的設計如表1所示。
2.2.2 切換量程條件的確定
由于待測電流有正負之分，即方向不同，所以I／V轉(zhuǎn)換后的電壓也有正負之區(qū)別。本設計中，16位A／D的采集電壓的范圍是0～4.096 V，因此增加了一個2.5 V的偏置電壓，使得A／D采集的電壓范圍改變?yōu)?2.5～+1.596 V。下面分別確定上限和下限換檔的條件。
上限換檔 當電壓信號靠近A／D滿量程，或者信號較小時，A／D采樣就會發(fā)生失真，所以，本設計以(2.5±1.5)V作為A／D輸入的上限值，即1.0 V和4.0 V，兩者分別是負的和正的可測電壓的上限值。如果A／D的采樣電壓值小于1.0 V或者大于4.0 V，那么就超出了此檔的量程，就要向上升一檔。
下限換檔 各檔之間靈敏度的比值為10，所以，從理論上講，換檔的下限值應該為(2.5±1.5／10)V，但為了防止測量系統(tǒng)頻繁的量程切換，本設計增加了一個0.1 V寬度的換檔銜接區(qū)，所以其下限值為(2.5±(1.5-0.1)／10)V，即2.36 V和2.64 V，兩者分別是負的和正的可測電壓下限值。如果電壓值在2.36～2.64 V之間，那么就超出了此檔的量程，就要向下降一檔。
從A／D的采樣值S的角度來看，它的換檔條件可總結如表2所示。
2.2.3 測量電流范圍及精度的計算
在本設計中，采用16位A／D芯片，得n=16，VREF=4.096 V，V偏置=2.5 V。所以，由式(1)可知，I測量與S之間必然存在一個對應的關系式：
由表2知，S的范圍為0x3E80～0x9380和0xA500～0xFA00，則可由式(2)得出每一檔的I測量的范圍，及其對應的電流精度，如表3所示。由此表可見，測量電流的范圍及精度基本上滿足了儀器的要求。
2.3 硬件電路的設計
本設計利用處理器控制兩片數(shù)字電位器，從而調(diào)整I／V轉(zhuǎn)換的靈敏度，繼而實現(xiàn)了信號采集的自動量程控制。數(shù)字電位器亦稱數(shù)控電阻器，任何需要用電阻來進行參數(shù)調(diào)整校準或控制的場合，都可使用數(shù)字電位器構成可編程模擬電路。本設計將AD5242作為粗調(diào)電位器，其最大阻值能達到1 MΩ，共256個抽頭。同時，將AD5254作為微調(diào)電位器，其最大阻值為10 kΩ，共256個抽頭。AD5242和AD5254的電路設計框圖如圖2所示。
對于這兩類數(shù)字電位器而言，W與B之間的電阻阻值為：RWB(D)=(D／256)RAB+RW。其中，D表示輸入的8位二進制碼，范圍是0～255；RAB是指A和B兩端之間的電阻；RW是滑動端由于內(nèi)部開關而引起的電阻。
如圖2所示，對于AD5242，RW1B1=(D／256)×1+60；對于AD5254，RW2B2=(D／256)×10+75；W1和W2之間的電阻RW1W2=RW1B1+RW2B2。各個量程的具體設計見表4。
2.4 軟件設計
自動量程控制系統(tǒng)的軟件設計如圖3所示。其具體工作過程如下：
當A／D采樣值S超出了量程上限或下限，則先判斷當前量程是否達到了最高檔或最低檔量程，若沒有達到，則向上或向下?lián)Q檔，然后重新采樣；否則，就說明信號超出了檢測的范圍。
如果S處于當前檔量程范圍內(nèi)，則處理器就會把采樣值保存下來并發(fā)送給上位機，結束一次采樣。
3實驗結果及分析
對于微安級的小電流，在各個量程檔的檢測結果如圖4所示，當K=1e-006 A／V(1檔)時，數(shù)據(jù)的線性度最好，最準確；而隨著檔級的逐漸升高，數(shù)據(jù)的線性度越來越差。所以，本儀器將靈敏度K自動設置為1檔，檢測結果與圖4中的1一致，從而實現(xiàn)了自動量程控制的效果，無需手動設置靈敏度。圖中I為電流；U為掃描電壓。
對于毫安級的電流，在各個量程檔的檢測結果如圖5所示。當K=1e-003 A／V(4檔)時，可采集到所有電流信號，且數(shù)據(jù)比較準確；而隨著檔級的降低，電流信號逐漸超出了檢測范圍，但在可檢測的范圍內(nèi)線性度較好。對于此信號，隨著電流信號接近零，本儀器的靈敏度K將從4檔逐漸轉(zhuǎn)到1檔，然后又隨著電流的增大逐漸轉(zhuǎn)到1檔，從而實現(xiàn)了自動量程控制，效果如圖5中的4所示。
由實驗可知，自動量程控制系統(tǒng)避免了手動設置靈敏度，實現(xiàn)了量程檔的自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了電流信號的寬范圍的準確檢測。
4結 語
本文介紹了以DSP為核心的DNA電化學信號采集儀，重點講述了其中自動量程控制系統(tǒng)的設計。自動量程控制的方式拓展了由DNA生化反應引起的電流信號的檢測范圍，并且提高了采樣的準確性，達到了儀器的寬檢測范圍、高精度等性能要求。
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