基于CPLD的壓電生物傳感器檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

介紹了一種基于復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)的壓電生物傳感器檢測(cè)電路。該檢測(cè)電路以高性能CPLD(MAX7128)為核心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓電生物傳感器10MHz高頻信號(hào)的測(cè)量與采集，以及所采集的頻率數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性高的特點(diǎn)。此外該系統(tǒng)還可以通過(guò)RS-232串行接口與計(jì)算機(jī)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及分析。詳細(xì)闡明了系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)硬件部分的實(shí)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(shí)測(cè)頻率曲線。

國(guó)內(nèi)外基于壓電石英晶體微天平技術(shù)的檢測(cè)儀器大多數(shù)使用自行設(shè)計(jì)的振蕩電路盒，使用高分辨的頻率計(jì)數(shù)器測(cè)量頻率輸出，然后進(jìn)行定時(shí)人工記數(shù)，儀器復(fù)雜，自動(dòng)化程度低。微型壓電生物傳感器檢測(cè)電路采用當(dāng)前最有發(fā)展前景的復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)為核心器件設(shè)計(jì)而成。目前，CPLD集成度可達(dá)25萬(wàn)等效門(mén)，工作速度可達(dá)180MHz。它借助自動(dòng)化程度高的內(nèi)核程序開(kāi)發(fā)工具，可以大大縮短系統(tǒng)的計(jì)周期，而且數(shù)據(jù)采集可以由一塊CPLD芯片完成，整個(gè)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(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)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(cè)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(duì)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(shí)，Δf與Δm呈簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，因此石英晶片可用來(lái)做非常敏感的質(zhì)量檢測(cè)器，其檢測(cè)限可以達(dá)到ng級(jí)(10-9g。cm-2)，甚至pg(10-12g。cm2)級(jí)水平。

根據(jù)壓電石英晶體傳感器的原理設(shè)計(jì)了一種微型化的壓電傳感器檢測(cè)電路，其檢測(cè)原理為在傳感器上預(yù)先固定與待測(cè)物能發(fā)生親和反應(yīng)的“探針”，檢測(cè)待測(cè)物時(shí)，隨著親和反應(yīng)的進(jìn)行，檢測(cè)電路實(shí)時(shí)跟蹤反應(yīng)過(guò)程，記錄傳感器上質(zhì)量變化引起頻率變化，再通過(guò)上述定量關(guān)系式計(jì)算待測(cè)物的量，其靈敏度可以達(dá)到納克級(jí)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(shè)計(jì)

微型壓電傳感器檢測(cè)電路是經(jīng)過(guò)前幾代儀器的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和改進(jìn)基礎(chǔ)上完成的。它摒棄以往TTL集成電路或MCS51單片機(jī)為核心電路波動(dòng)大，穩(wěn)定性差，電路板繪制復(fù)雜，不利于升級(jí)換代的缺點(diǎn)，選擇使用ALTERA公司生產(chǎn)的復(fù)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(tái)。該系統(tǒng)分為7個(gè)模塊:電源供電模塊，RS-232電平轉(zhuǎn)換模塊，振蕩電路模塊，時(shí)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(cè)電路相連接的接口;RS-232口為與計(jì)算機(jī)相連接的接口，將數(shù)字化的傳感器信號(hào)(頻率值)上傳到計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)(PC機(jī))實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的實(shí)時(shí)采集和顯示，采集數(shù)據(jù)程序由VC++6。0編寫(xiě);OSC1為提供系統(tǒng)工作時(shí)鐘振蕩電路，由TTL芯片和12MHz標(biāo)準(zhǔn)晶振組成，產(chǎn)生1s脈沖信號(hào)，作為CPLD工作時(shí)鐘輸入、RS-232通信時(shí)序脈沖以及數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示時(shí)序脈沖，準(zhǔn)確度高、且精確;OSC2為傳感器振蕩電路，經(jīng)過(guò)幾代反復(fù)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(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)化成脈沖信號(hào)，輸入CPLD進(jìn)行信號(hào)數(shù)據(jù)采集;數(shù)碼顯示采用共陰極8×8段數(shù)碼管，動(dòng)態(tài)掃描顯示當(dāng)前傳感器信號(hào)值和簡(jiǎn)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(jì)算機(jī)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(shè)計(jì)語(yǔ)言、MAX+plusII10。1編譯系統(tǒng)編寫(xiě)基于Altera公司CPLD(MAX7128)器件的內(nèi)核程序，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了秒時(shí)鐘定時(shí)、10MHz頻率測(cè)量、RS-232通信時(shí)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(jiǎn)單分析以及數(shù)碼管動(dòng)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(shí)測(cè)結(jié)果

系統(tǒng)仿真結(jié)果:為了便于觀察，將秒時(shí)鐘計(jì)數(shù)判斷設(shè)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(xì)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(shè)計(jì)思路，把內(nèi)核程序下載到CPLD(MAX7128)器件中，實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，數(shù)碼管可以正確顯示當(dāng)前傳感器的響應(yīng)信號(hào)，使用自己開(kāi)發(fā)的采集程序通過(guò)計(jì)算機(jī)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(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)思路的成功。

圖4 采集程序?qū)崪y(cè)頻率數(shù)據(jù)曲線

　　4 結(jié)語(yǔ)

壓電生物傳感器檢測(cè)電路可擴(kuò)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(xué)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(yīng)，用于生物樣品分析。該儀器靈敏度高，特異性強(qiáng)，若采用CPLD升級(jí)為大容量FPGA后，可以方便升級(jí)為多通道生物分析系統(tǒng)，應(yīng)用于生物分析檢測(cè)各個(gè)領(lǐng)域。

[1].RS-232datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/RS-232_584855.html.
[2].CPLDdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/CPLD_1136600.html.
[3].cm-2datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/cm-2_1128062.html.
[4].cm2datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/cm2_2328723.html.
[5].TTLdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/TTL_1174409.html.
[6].RS232datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/RS232_585128.html.