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)。