采用QCM傳感器的生物芯片檢測電路的原理設計

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內部有2個D觸發(fā)器。2個6M高精度有源晶振分別經時鐘芯片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。記下的差頻頻率通過8位數據線送到51單片機AT89S52，同時AT89S52對EPM570GT100C3控制，以選擇哪個通道，AT89S52處理后的數據經過232串口送到上位機。

QCM凝血傳感器屬于非質量響應型傳感器，利用石英晶體振蕩頻率變化對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胞阻抗特性的變化引起傳感器的響應來檢測紅細胞凝集時間和沉降速率。因此，利用基于QCM傳感器的生物芯片檢測技術，研制了凝血分析儀。

石英晶體振蕩頻率對晶體表面質量負載(質量效應)和反應體系物理性狀如密度、粘度、電導率等(非質量效應)的改變高度敏感，具有亞ng級的質量檢測能力，其靈敏度可達1ng／Hz。

以一個通道為例來進行基于QCM傳感器的生物芯片檢測電路的設計，由于一個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)總體設計框圖。

圖1 系統(tǒng)設計總體框圖

硬件設計

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、正反饋網絡和選頻網絡三部分組成的。在石英晶體振蕩電路中，石英晶體作為正反饋網絡的主要組成部分，也是一種選頻網絡，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，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，計時結束后，EPM7128的46腳發(fā)出中斷信號送給AT89S52的外中斷0口（INT0），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位計數器，而51單片機是8位機，因此需要4次分時處理32位數據信號，由選擇信號SEL0~SEL2來控制。最終從EPM7128輸出8位數據信號到AT89S52的P0數據口，經單片機處理后通過串口發(fā)到上位機進行最后的數據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生，也可以使用無源晶振加振蕩器產生。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，進行數據通訊和控制，其中OUTPUT0~OUTPUT7是數據通訊，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。