《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 其他 > 設(shè)計應(yīng)用 > 一種基于CPLD的壓電生物傳感器檢測電路的設(shè)計
一種基于CPLD的壓電生物傳感器檢測電路的設(shè)計
摘要: 介紹了一種基于復雜可編程邏輯器件(CPLD)的壓電生物傳感器檢測電路。該檢測電路以高性能CPLD(MAX7128)為核心,,實現(xiàn)了對壓電生物傳感器10MHz高頻信號的測量與采集,以及所采集的頻率數(shù)據(jù)動態(tài),、實時顯示以及頻率數(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,、實時性高的特點,。此外該系統(tǒng)還可以通過RS-232串行接口與計算機連接進行數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)存儲及分析。詳細闡明了系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計以及系統(tǒng)硬件部分的實現(xiàn),,并給出了CPLD內(nèi)核仿真結(jié)果和數(shù)據(jù)采集軟件實測頻率曲線。
Abstract:
Key words :

   介紹了一種基于復雜可編程邏輯器件(CPLD)的壓電生物傳感器檢測電路。該檢測電路以高性能CPLD(MAX7128)為核心,,實現(xiàn)了對壓電生物傳感器10MHz高頻信號的測量與采集,,以及所采集的頻率數(shù)據(jù)動態(tài)、實時顯示以及頻率數(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,、實時性高的特點。此外該系統(tǒng)還可以通過RS-232串行接口與計算機連接進行數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)存儲及分析,。詳細闡明了系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計以及系統(tǒng)硬件部分的實現(xiàn),,并給出了CPLD內(nèi)核仿真結(jié)果和數(shù)據(jù)采集軟件實測頻率曲線。 

  國內(nèi)外基于壓電石英晶體微天平技術(shù)的檢測儀器大多數(shù)使用自行設(shè)計的振蕩電路盒,,使用高分辨的頻率計數(shù)器測量頻率輸出,,然后進行定時人工記數(shù),儀器復雜,,自動化程度低,。微型壓電生物傳感器檢測電路采用當前最有發(fā)展前景的復雜可編程邏輯器件(CPLD)為核心器件設(shè)計而成。目前,,CPLD集成度可達25萬等效門,,工作速度可達180MHz。它借助自動化程度高的內(nèi)核程序開發(fā)工具,,可以大大縮短系統(tǒng)的計周期,,而且數(shù)據(jù)采集可以由一塊CPLD芯片完成,整個系統(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,,因此對原設(shè)計進行修改時,,只需要修改原設(shè)計文件再對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,,Δf與Δm呈簡單的線性關(guān)系,因此石英晶片可用來做非常敏感的質(zhì)量檢測器,,其檢測限可以達到ng級(10-9g,。cm-2),甚至pg(10-12g,。cm2)級水平,。
 
  根據(jù)壓電石英晶體傳感器的原理設(shè)計了一種微型化的壓電傳感器檢測電路,其檢測原理為在傳感器上預(yù)先固定與待測物能發(fā)生親和反應(yīng)的“探針”,,檢測待測物時,,隨著親和反應(yīng)的進行,檢測電路實時跟蹤反應(yīng)過程,,記錄傳感器上質(zhì)量變化引起頻率變化,,再通過上述定量關(guān)系式計算待測物的量,其靈敏度可以達到納克級水平,,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
 
  微型壓電傳感器檢測電路是經(jīng)過前幾代儀器的開發(fā)經(jīng)驗總結(jié)和改進基礎(chǔ)上完成的。它摒棄以往TTL集成電路或MCS51單片機為核心電路波動大,,穩(wěn)定性差,,電路板繪制復雜,不利于升級換代的缺點,,選擇使用ALTERA公司生產(chǎn)的復雜可編程邏輯器件(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。該系統(tǒng)分為7個模塊:電源供電模塊,RS-232電平轉(zhuǎn)換模塊,,振蕩電路模塊,,時鐘模塊,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電路相連接的接口;RS-232口為與計算機相連接的接口,,將數(shù)字化的傳感器信號(頻率值)上傳到計算機,由計算機(PC機)實現(xiàn)傳感器信號的實時采集和顯示,,采集數(shù)據(jù)程序由VC++6,。0編寫;OSC1為提供系統(tǒng)工作時鐘振蕩電路,由TTL芯片和12MHz標準晶振組成,,產(chǎn)生1s脈沖信號,,作為CPLD工作時鐘輸入、RS-232通信時序脈沖以及數(shù)碼管動態(tài)顯示時序脈沖,,準確度高,、且精確;OSC2為傳感器振蕩電路,經(jīng)過幾代反復改良,,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)信號轉(zhuǎn)化成脈沖信號,,輸入CPLD進行信號數(shù)據(jù)采集;數(shù)碼顯示采用共陰極8×8段數(shù)碼管,動態(tài)掃描顯示當前傳感器信號值和簡單數(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)化為計算機所接受的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)計語言,、MAX+plusII10。1編譯系統(tǒng)編寫基于Altera公司CPLD(MAX7128)器件的內(nèi)核程序,,設(shè)計實現(xiàn)了秒時鐘定時,、10MHz頻率測量、RS-232通信時序發(fā)生器,、RS-232協(xié)議數(shù)據(jù)通信,、頻率數(shù)據(jù)判斷簡單分析以及數(shù)碼管動態(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)仿真及實測結(jié)果
 
  系統(tǒng)仿真結(jié)果:為了便于觀察,,將秒時鐘計數(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)計思路,,把內(nèi)核程序下載到CPLD(MAX7128)器件中,,實際測試過程中,數(shù)碼管可以正確顯示當前傳感器的響應(yīng)信號,,使用自己開發(fā)的采集程序通過計算機串行通信采集數(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,更進一步驗證了設(shè)計思路的成功,。
 
圖4 采集程序?qū)崪y頻率數(shù)據(jù)曲線
 
  4 結(jié)語
  壓電生物傳感器檢測電路可擴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,,若采用CPLD升級為大容量FPGA后,,可以方便升級為多通道生物分析系統(tǒng),應(yīng)用于生物分析檢測各個領(lǐng)域,。
 
此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),,未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。