一種基于CPLD的壓電生物傳感器檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

1、一種基于cpld的壓電生物傳感器檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)本文介紹了一種基于復(fù)雜可編程規(guī)律器件()的壓電生物檢測(cè).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,具有牢靠性高、實(shí)時(shí)性高的特點(diǎn).此外該系統(tǒng)還可以通過rs-232串行接口與計(jì)算機(jī)銜接舉行數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及分析.具體闡明白系統(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)用法自行設(shè)計(jì)的振蕩電路盒,用法高辨別的頻率計(jì)

2、數(shù)器測(cè)量頻率輸出,然后舉行定時(shí)人工記數(shù),儀器復(fù)雜,程度低.微型壓電生物傳感器檢測(cè)電路采納當(dāng)前最有進(jìn)展前景的復(fù)雜可編程規(guī)律器件(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,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,囫圇系統(tǒng)的硬件規(guī)模顯然減小.在系統(tǒng)的研制階段,因?yàn)閏pld器件引腳比較靈便,又有可擦除可編程的能力,因此對(duì)原設(shè)計(jì)舉行修改時(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)的靈便性.結(jié)合壓電生物傳感器特性,

3、研制一種微型化的壓電傳感器檢測(cè)電路有非常重要的意義.1 壓電生物傳感器原理壓電石英晶體頻移f與在晶體表面勻稱吸附的極薄層剛性物質(zhì)量m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,f、fq(晶體基頻)、m、a單位分離為hz、hz、g.cm-2、cm2.石英晶片在氣相中振蕩時(shí),f與m呈容易的線性關(guān)系,因此石英晶片可用來做十分敏感的質(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.按照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

4、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)的舉行,檢測(cè)電路實(shí)時(shí)跟蹤反應(yīng)過程,記錄傳感器上質(zhì)量變幻引起頻率變幻,再通過上述定量關(guān)系式計(jì)算待測(cè)物的量,其敏捷度可以達(dá)到納克級(jí)水平,結(jié)合納米金技術(shù)可將傳感器的敏捷度提高35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)過前幾代儀器的開發(fā)閱歷總結(jié)和改進(jìn)基礎(chǔ)上完成的。它摒棄以往ttl或mcs51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),挑選用法ara公司生產(chǎn)的復(fù)雜可編程規(guī)律器件(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

5、電路模塊,時(shí)鐘模塊,數(shù)碼顯示模塊,max7128內(nèi)核模塊.其電路途路板布局1所示.圖1硬件結(jié)構(gòu)圖圖1中,口為壓電生物傳感器與檢測(cè)電路相銜接的接口;rs-232口為與計(jì)算機(jī)相銜接的接口,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;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,精確度高、且精確;osc2為傳感器振蕩電路,經(jīng)過幾代反復(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)

6、信號(hào)轉(zhuǎn)化成脈沖信號(hào),輸入cpld舉行信號(hào)數(shù)據(jù)采集;數(shù)碼顯示采納共陰極8×8段數(shù)碼管,動(dòng)態(tài)掃描顯示當(dāng)前傳感器信號(hào)值和容易數(shù)據(jù)分析推斷結(jié)果;電源給系統(tǒng)提供直流5v工作,含有直流615v變成5v穩(wěn)壓電路;rs-232電平轉(zhuǎn)換電路將從cpld輸出的電平轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)所接受的ttl電平,而且可增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸距離.作為系統(tǒng)內(nèi)核的cpld,采納hdl硬件設(shè)計(jì)語(yǔ)言、max+plusii10.1編譯系統(tǒng)編寫基于公司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)推斷容易分析以及數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示控制等綜合功能

7、,其原理2所示.圖2cpld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:為了便于觀看,將秒時(shí)鐘計(jì)數(shù)推斷設(shè)置為66c0,得到內(nèi)核模塊的仿真圖,3所示.仿真圖給出了頻率采集詳情,數(shù)碼管顯示控制以及串行通信控制.圖3cpld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),用法自己開發(fā)的采集程序通過計(jì)算機(jī)串行通信采集數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)曲線4所示.所采集的數(shù)據(jù)與仿真狀況全都,更進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)思路的勝利.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