采用QCM傳感器的生物芯片檢測電路的原理設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)原設(shè)計(jì)為8通道QCM檢測，即采用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)送到可編程邏輯器件EPM570GT100C3芯片的I/O口。EPM570GT100C3在這里做頻率計(jì)，通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)。記下的差頻頻率通過8位數(shù)據(jù)線送到51單片機(jī)AT89S52，同時(shí)AT89S52對(duì)EPM570GT100C3控制，以選擇哪個(gè)通道，AT89S52處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過232串口送到上位機(jī)。

      QCM凝血傳感器屬于非質(zhì)量響應(yīng)型傳感器，利用石英晶體振蕩頻率變化對(duì)晶體所處體系密度和粘度變化的高度敏感性來檢測體系性狀的改變。QCM凝血傳感器通過紅細(xì)胞阻抗特性的變化引起傳感器的響應(yīng)來檢測紅細(xì)胞凝集時(shí)間和沉降速率。因此，利用基于QCM傳感器的生物芯片檢測技術(shù)，研制了凝血分析儀。

      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)量檢測能力，其靈敏度可達(dá)1ng／Hz。

      以一個(gè)通道為例來進(jìn)行基于QCM傳感器的生物芯片檢測電路的設(shè)計(jì)，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所示是系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖。

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

      為了保證QCM在滴入生物試劑后能振蕩起來，必須采用一套比較特殊的自激振蕩器電路，普通的用反相器構(gòu)成的振蕩器電路不易起振，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。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。測量用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)，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。石英晶體振蕩及差頻電路如圖2所示。

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。由于可編程邏輯器件引腳比較靈活，又有可擦除可編程的能力，因此對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行修改時(shí)，只需要修改原設(shè)計(jì)文件再對(duì)可編程邏輯器件芯片重新編程即可，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，且具有很好的保密性，在這里通過軟件編程將其設(shè)計(jì)為頻率計(jì)。在開始測量時(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。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。此部分硬件電路圖如圖3所示。

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

       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。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。

      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。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。本設(shè)計(jì)中可編程邏輯器件EPM7128和51單片機(jī)AT89S52共有13根線相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊和控制，其中OUTPUT0~OUTPUT7是數(shù)據(jù)通訊，SEL0~SEL2是AT89S52對(duì)EPM7128的片選控制信號(hào)，INT則是EPM7128對(duì)AT89S52發(fā)出的中斷控制信號(hào)。

軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)中ALTERA公司可編程邏輯器件EPM7128的內(nèi)核程序采用Verilog HDL硬件描述語言編寫，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、頻率計(jì)數(shù)、數(shù)據(jù)選擇等功能。51單片機(jī)AT89S52用C語言和匯編語言混合編程，使用Keil C51編譯系統(tǒng)編譯。

1、可編程邏輯器件EPM7128的頂層電路

      頂層電路如圖4所示，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硬件描述語言編寫，數(shù)據(jù)選擇模塊用圖形輸入方式。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。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)。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
 

2、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。

3、可編程邏輯器件EPM7128的計(jì)數(shù)模塊　由分頻模塊分頻后的10Hz信號(hào)送到計(jì)數(shù)模塊，它通過門控電路，加到可以控制開、閉時(shí)間的閘門上。被測脈沖加到計(jì)數(shù)模塊中閘門的輸入端，開始測頻時(shí)，先將計(jì)數(shù)器置0，待門控信號(hào)到來后，打開閘門，允許被測脈沖通過，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通過閘門的被測脈沖個(gè)數(shù)即為該被測信號(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。

      以下是可編程邏輯器件EPM7128的計(jì)數(shù)模塊的程序部分代碼：

      always @ (posedge CLK_1hz or negedge RST)

      begin

      if (!RST)

      begin

      CNT_EN=0;

      LOAD=1;

      end

      else

      begin

      CNT_EN=~CNT_EN;

      LOAD=~CNT_EN;

      end

      end

      assign CNT_CLR=~(~CLK_1hz&LOAD);

      ssign INT=LOAD; //使用LOAD的上升沿使單片機(jī)中斷。

       always @(posedge CLKX or negedge CNT_CLR)

      begin

      if (!CNT_CLR) //當(dāng)CNT_CLR為低電平到來時(shí)，OUT=0;計(jì)數(shù)器清零

      OUT=0;

      else if (CNT_EN)

      begin

      OUT=OUT+1; //當(dāng)CLKX的上升沿到來時(shí)，計(jì)數(shù)器加1

      end　end

      always @(posedge LOAD) //當(dāng)鎖存信號(hào)LOAD的上升沿到來時(shí)，執(zhí)行以下語句

      begin

      FRE=OUT; //將OUT賦值給FRE

      end

      endmodule

      上面給出了可編程邏輯器件EPM7128的計(jì)數(shù)模塊的程序關(guān)鍵代碼。CLK_1hz表示門控信號(hào)，CLKX表示被測脈沖，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，每兩個(gè)時(shí)鐘周期進(jìn)行一次頻率測量，即在每兩個(gè)時(shí)鐘周期CLK_1hz內(nèi)，先到來半個(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，在后到來的半個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，當(dāng)LOAD的上升沿到來時(shí)，鎖存計(jì)數(shù)結(jié)果。

4、51單片機(jī)AT89S52的程序

      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。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)。由于所測頻率不會(huì)超過10MHz，因此只讀取24位數(shù)據(jù)即可。圖5是外中斷0中斷程序流程圖。

 
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所示是直徑６mm血漿凝結(jié)實(shí)驗(yàn)（血漿＋TT凝血酶＝100＋100μl）。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。

圖6 直徑６毫米血漿凝結(jié)實(shí)驗(yàn)
      QCM作為微質(zhì)量傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、振動(dòng)Q值大、靈敏度高、測量精度可以達(dá)到納克量級(jí)的優(yōu)點(diǎn)，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。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(diǎn)，有廣闊的臨床應(yīng)用和推廣前景。