本文主要介紹一款基于復雜可編程邏輯器件的壓電生物傳感器檢測電路。該檢測電路核心為高性能CPLD，主要實現對壓電生物傳感器10MHz高頻信號的測量與采集以及所采集的頻率數據動態、實時顯示以及頻率數據串行通信等功能。此外詳細闡明了系統整體結構設計以及系統硬件部分的實現,并給出了CPLD內核仿真結果和數據采集軟件實測頻率曲線。該系統還可以通過RS-232串行接口與計算機連接進行數據傳輸和數據存儲及分析。與此同時，本電路優點還有很多，例如體積小、集成度高，具有可靠性高、實時性高等。
國內外基于壓電石英晶體微天平技術的檢測儀器大多數使用自行設計的振蕩電路盒,使用高分辨的頻率計數器測量頻率輸出,然后進行定時人工記數,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展前景的復雜可編程邏輯器件(CPLD)為核心器件設計而成.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核程序開發工具,可以大大縮短系統的計周期,而且數據采集可以由一塊CPLD芯片完成,整個系統的硬件規模明顯減小.在系統的研制階段,由于CPLD器件引腳比較靈活,又有可擦除可編程的能力,因此對原設計進行修改時,只需要修改原設計文件再對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的靈活性.結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量Δm之間存在正比關系,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呈簡單的線性關系,因此石英晶片可用來做非常敏感的質量檢測器,其檢測限可以達到ng級(10-9g.cm-2),甚至pg(10-12g.cm2)級水平.
根據壓電石英晶體傳感器的原理設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先固定與待測物能發生親和反應的“探針”,檢測待測物時,隨著親和反應的進行,檢測電路實時跟蹤反應過程,記錄傳感器上質量變化引起頻率變化,再通過上述定量關系式計算待測物的量,其靈敏度可以達到納克級水平,結合納米金技術可將傳感器的靈敏度提高3～5倍.
2 電路硬件設計
微型壓電傳感器檢測電路是經過前幾代儀器的開發經驗總結和改進基礎上完成的。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據采集分析平臺.該系統分為7個模塊:電源供電模塊,RS-232電平轉換模塊,振蕩電路模塊,時鐘模塊,數碼顯示模塊,MAX7128內核模塊.其電路線路板布局如圖1所示.
圖1硬件結構圖
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)實現傳感器信號的實時采集和顯示,采集數據程序由VC++6.0編寫;OSC1為提供系統工作時鐘振蕩電路,由TTL芯片和12MHz標準晶振組成,產生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碼管動態顯示時序脈沖,準確度高、且精確;OSC2為傳感器振蕩電路,經過幾代反復改良,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信號轉化成脈沖信號,輸入CPLD進行信號數據采集;數碼顯示采用共陰極8×8段數碼管,動態掃描顯示當前傳感器信號值和簡單數據分析判斷結果;電源給系統提供直流5V工作電壓,含有直流6～15V變成5V穩壓電路;RS-232電平轉換電路將從CPLD輸出的CMOS電平轉化為計算機所接受的TTL電平,而且可增加數據傳輸距離.
作為系統內核的CPLD,采用VerilogHDL硬件設計語言、MAX+plusII10.1編譯系統編寫基于Altera公司CPLD(MAX7128)器件的內核程序,設計實現了秒時鐘定時、10MHz頻率測量、RS-232通信時序發生器、RS-232協議數據通信、頻率數據判斷簡單分析以及數碼管動態掃描顯示控制等綜合功能,其原理如圖2所示.
圖2 CPLD內核原理圖
3 系統仿真及實測結果
系統仿真結果:為了便于觀察,將秒時鐘計數判斷設置為66C0,得到內核模塊的仿真圖,如圖3所示.仿真圖給出了頻率采集細節,數碼管顯示控制以及串行通信控制.
圖3 CPLD內核仿真圖
仿真結果吻合了設計思路,把內核程序下載到CPLD(MAX7128)器件中,實際測試過程中,數碼管可以正確顯示當前傳感器的響應信號,使用自己開發的采集程序通過計算機串行通信采集數據數據曲線如圖4所示.所采集的數據與仿真情況一致,更進一步驗證了設計思路的成功.
圖4 采集程序實測頻率數據曲線
4結語
通過擴展，壓電生物傳感器檢測電路能夠升級為單通道微型壓電生物分析一起。基于核酸雜交的特異性，其不僅可以用于生物樣品分析，在醫學臨床研究領域用于疾病診斷或者基于抗原/抗體之間的特異性結合反應，還具有靈敏度高、特異性強等優點。如果采用CPLD升級為大容量FPGA后，本檢測電路能夠十分簡便的升級為多通道生物分析系統，可以在生物分析檢測各個領域應用。