基于QCM傳感器的凝血分析儀電路模塊設計

　　本系統(tǒng)原設計為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CD4069反相器反相后分別送到4個差頻器 74LS74的D端，每一個差頻器74LS74內(nèi)部有2個D觸發(fā)器。2個6M高精度有源晶振分別經(jīng)時鐘芯片CDCV304后變成8個6M輸出信號，分別送到4個差頻器74LS74的CLK端。經(jīng)過4個差頻器74LS74差頻后的頻率信號送到可編程邏輯器件EPM570GT100C3芯片的I/O口。 EPM570GT100C3在這里做頻率計，通過軟件編程來實現(xiàn)。記下的差頻頻率通過8位數(shù)據(jù)線送到51單片機AT89S52，同時AT89S52對EPM570GT100C3控制，以選擇哪個通道，AT89S52處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過232串口送到上位機。

　　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)絡和選頻網(wǎng)絡三部分組成的。在石英晶體振蕩電路中，石英晶體作為正反饋網(wǎng)絡的主要組成部分，也是一種選頻網(wǎng)絡，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，便于單片機或可編程邏輯器件的信號采集。測量用QCM振蕩電路輸出的方波信號送入差頻器74LS74的D端，參考用高精度6M晶振輸出的方波信號送入差頻器 74LS74的CLK端，得到的差頻信號送入可編程邏輯器件進行計數(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

　　EPM7128和AT89S52的控制電路

　　經(jīng)過差頻器74LS74后的差頻信號，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，因此對原設計進行修改時，只需要修改原設計文件再對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計為頻率計。在開始測量時，上位機通過串口給51單片機AT89S52發(fā)出命令，AT89S52先給EPM7128的22腳一個RST復位命令，使EPM7128復位后開始工作計頻，頻率測量計時時間為100ms，計時結(jié)束后，EPM7128的46腳發(fā)出中斷信號送給AT89S52的外中斷0口，單片機接收到中斷信號后從P1口的P10~P12給EPM7128發(fā)出3個選擇信號SEL0~SEL2。由于在EPM7128設計的是32位計數(shù)器，而51單片機是8位機，因此需要4次分時處理32位數(shù)據(jù)信號，由選擇信號SEL0~SEL2來控制。最終從EPM7128輸出8位數(shù)據(jù)信號到AT89S52的P0數(shù)據(jù)口，經(jīng)單片機處理后通過串口發(fā)到上位機進行最后的數(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AT89S52的控制電路

　　AT89S52的14、15腳外接晶振和電容組成單片機的振蕩電路，4腳是復位端，由IPM810控制，IPM810具備上電復位、手動復位及欠壓復位功能。AT89S52使用PLCC44腳封裝的貼片器件，利用單片機AT89S52的P1口和復位口進行在線編程，使用at89isp軟件在線編程，進行程序的燒寫。

　　EPM7128 的83腳是全局時鐘，外接工作用的時鐘信號。該時鐘信號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。本設計中可編程邏輯器件EPM7128和51單片機AT89S52共有13根線相連，進行數(shù)據(jù)通訊和控制，其中 OUTPUT0~OUTPUT7是數(shù)據(jù)通訊，SEL0~SEL2是AT89S52對EPM7128的片選控制信號，INT則是EPM7128對 AT89S52發(fā)出的中斷控制信號。

　　QCM作為微質(zhì)量傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、振動Q值大、靈敏度高、測量精度可以達到納克量級的優(yōu)點，被廣泛應用于化學、物理、生物、醫(yī)學和表面科學等領(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，有廣闊的臨床應用和推廣前景。