基于ADuC841的膜片鉗放大器的設(shè)計(jì)

1 引言

膜片鉗是細(xì)胞膜離子通道電流檢測的重要工具。1976年neher和sakmann發(fā)明了膜片鉗技術(shù)。此后由于巨歐姆阻抗封接方法的確立和幾種方法的創(chuàng)建，1980年以來此技術(shù)已可用于很多細(xì)胞系的研究，目前，細(xì)胞膜離子通道的研究已經(jīng)應(yīng)用到了各種疾病的診斷治療、藥物作用、環(huán)境對細(xì)胞膜離子通道的影響以及經(jīng)絡(luò)研究等多個(gè)領(lǐng)域，因此，作為其測量工具的膜片鉗技術(shù)也就得到了越來越多的重視，現(xiàn)在國內(nèi)外有多個(gè)單位在從事膜片鉗系統(tǒng)的開發(fā)與研究，其中包括德國heka公司生產(chǎn)的epc系列、美國axon公司生產(chǎn)的200b系列和國內(nèi)華中科技大學(xué)研發(fā)的pc-ii型膜片儀等，這些產(chǎn)品基本上都是由前端模擬電路完成電流信號的采集、轉(zhuǎn)換和放大，在計(jì)算機(jī)上安裝數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)信號的采集，并在pc機(jī)安裝專用的軟件實(shí)現(xiàn)快慢電容和串聯(lián)電阻補(bǔ)償?shù)恼{(diào)節(jié)以及采集到的電流信號的顯示。不過這些產(chǎn)品膜片鉗放大器部分的體積都比較大，價(jià)格也比較昂貴。一般在幾萬到幾十萬之間，更重要的是，由于模擬采集系統(tǒng)和pc機(jī)直接相連，所以pc機(jī)帶來的干擾非常大，對抗干擾性能的要求很高。

為了解決上述問題，筆者研究了一種基于單片機(jī)的小型化膜片鉗放大器，該膜片鉗放大器分為上位機(jī)和下位機(jī)兩個(gè)部分，下位機(jī)是一個(gè)以單片機(jī)為控制核心的采集系統(tǒng)，可以單獨(dú)工作完成微電流信號的采集、放大、電容和電阻的補(bǔ)償以及波形的顯示和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，另外下位機(jī)還可以和上位機(jī)進(jìn)行通訊，這里的通訊是采用紅外傳輸方式實(shí)現(xiàn)的，用串口驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射器實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通訊，上位機(jī)主要是對下位機(jī)傳輸?shù)男盘栠M(jìn)行處理和分析。

本系統(tǒng)的控制核心是美國adi公司的一款高性能數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)器件aduc841。這款soc具有高精度、高速度、高可靠性、大容量非易失性存儲(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)，是一款性價(jià)比很高的單片機(jī)，可極大的簡化硬件電路設(shè)計(jì)、提高穩(wěn)定性、縮短開發(fā)時(shí)間、提高性價(jià)比、從而使系統(tǒng)具有操作方便、成本低、體積小、輸出波形穩(wěn)定性好、質(zhì)量高的特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)信號的采集和顯示，系統(tǒng)具有以下幾個(gè)基本功能：

（1）離子通道電流的采集和放大；

（2）箝位電壓發(fā)生器；

（3）電阻電容補(bǔ)償；

（4）模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換；

（5）友好的人機(jī)界面；

（6）系統(tǒng)和pc機(jī)的通訊。

為實(shí)現(xiàn)上述功能要求，系統(tǒng)主要分為微電流的采集和放大、箝位電壓發(fā)生器、電阻電容補(bǔ)償電路、aduc841控制核心，液晶顯示及按鍵控制、系統(tǒng)和pc機(jī)之間通訊6個(gè)主要模塊。圖1給出了系統(tǒng)的功能框圖。

由圖1可知，經(jīng)過電極采到的離子通道電流信號經(jīng)過微電流采集和放大，同時(shí)進(jìn)行電阻和電容的補(bǔ)償以后進(jìn)入單片機(jī)的a/d轉(zhuǎn)換部分，把模擬信號數(shù)字化，采集到的信號同時(shí)送到液晶顯示器進(jìn)行顯示，另外也可以實(shí)現(xiàn)采集信號的存儲(chǔ)和傳輸，按鍵模塊可以友好、方便的實(shí)現(xiàn)多種操作功能的控制。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制模塊--單片機(jī)系統(tǒng)aduc841

aduc841內(nèi)部集成了8052微處理器的內(nèi)核，并提供了很大的存儲(chǔ)空間，如64kb的flash/eeprom程序空間、8kb的flash/eeprom數(shù)據(jù)空間、以及2304b的數(shù)據(jù)ram等，此外，該器件還集成了許多外圍器件，包括精確、高速的8通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（其轉(zhuǎn)換速率最高可達(dá)420ks/s），15×10-6℃的精密內(nèi)部電壓參考源，dma方式控制器，2個(gè)12位的電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器、2個(gè)脈寬調(diào)制輸出、一個(gè)溫度傳感器使用這些模塊、可以方便地實(shí)現(xiàn)與前級傳感器的接口，也可以有效地控制后級電路。其他的片上外設(shè)主要有uart、spi以及i2c接口、時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器，看門狗定時(shí)器和電源監(jiān)視器等，這些模塊可以便捷地實(shí)現(xiàn)與其他單片機(jī)或pc機(jī)通訊（此時(shí)需電平轉(zhuǎn)換電路），還可以有效地保障單片機(jī)電源的正常工作和程序的正常運(yùn)行。

圖2給出了aduc841的功能方框圖，此外，aduc841采用了1個(gè)時(shí)鐘周期一個(gè)指令的結(jié)構(gòu)，大大地提高了程序的運(yùn)行速度，減少了功耗，選用具有豐富資源的高性能單片機(jī)系統(tǒng)aduc841作為控制核心，可以簡化教學(xué)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)，降低成本，提高輸出波形的穩(wěn)定性和質(zhì)量，操作方便，編程簡易。

3.2 箝位電壓發(fā)生器

監(jiān)測細(xì)胞膜離子通道電流有電壓箝位和電流箝位兩種方法，筆者采用的是電壓箝位的方法，即在i-v轉(zhuǎn)換器的同相輸入端接入一個(gè)箝位電壓，把細(xì)胞膜電位箝制在一個(gè)固定的電壓值，這個(gè)電壓的幅值在幾十到幾百毫伏范圍內(nèi)，脈沖時(shí)間10ms-50ms。圖3給出了箝位電壓發(fā)生器的電路，電路中采用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩的方式來實(shí)現(xiàn)方波， 555定時(shí)器直接產(chǎn)生的方波信號幅值接近電源電壓，而這里所用的箝位電壓應(yīng)該是電壓幅值在幾百毫伏左右的信號，所以要對555定時(shí)器產(chǎn)生的信號幅度進(jìn)行調(diào)節(jié)，555定時(shí)器產(chǎn)生的方波信號經(jīng)過電阻r3和穩(wěn)壓管d1后，在d1兩端輸出穩(wěn)定的2.4v電壓，再在這個(gè)電壓兩端并聯(lián)一個(gè)電位器r4，從它的滑動(dòng)端取出電壓作為箝位電壓，這樣即可對箝位電壓進(jìn)行靈活地調(diào)節(jié)，從而得到需要的幅度，產(chǎn)生的方波周期可通過調(diào)節(jié)電位器r2在14ms-154ms之間變化。

3.3 微電流采集放大與阻容補(bǔ)償

膜片鉗放大器最主要的部分是電流的采集、i-v轉(zhuǎn)換和放大以及各種補(bǔ)償電路，由于測量的是電流信號，所以要首先把電流轉(zhuǎn)換為電壓，由于細(xì)胞膜離子通道電流非常微弱，僅為幾個(gè)皮安，所以對電流電壓轉(zhuǎn)換部分所用放大器的性能要求比較高，要求它具有很高的輸入阻抗和很低的偏置電流，為滿足上面的要求，本文選用adi公司生產(chǎn)的高精度、低功耗、滿擺幅放大器ad8627，它是單運(yùn)放、具有極低的偏置電流（最大1pa）；用5v-26v單電源供電或±2.5v-±13v電壓供電；最大失調(diào)電壓為500μv。圖4給出了電路的具體實(shí)現(xiàn)方法。

當(dāng)使用膜片鉗放大器對細(xì)胞膜離子通道電流進(jìn)行記錄時(shí)，由于電極輸入端存在雜散的電極電容cp、細(xì)胞膜電容cm和電極輸入端至細(xì)胞膜之間的串聯(lián)電阻rs，因此給箝制電壓vc端施加階躍電壓時(shí)，必將引起cp、cm的暫態(tài)充電電流和rs上的壓降，其充電電流通過電阻rf，導(dǎo)通輸出電壓產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差，同時(shí)可能使放大器飽和，導(dǎo)致不能正常工作，為校正這些誤差，必須采取相應(yīng)的補(bǔ)償措施。圖5給出了阻容補(bǔ)償電路的電路圖，該電路中的放大器均采用adi公司的op4177，op4177內(nèi)部集成了四個(gè)運(yùn)放，采用5v供電，可以和電路的其他部分統(tǒng)一供電，它的失調(diào)電壓為60μv、偏置電流為2na，噪聲低，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

其中電極電位vp是串聯(lián)電阻補(bǔ)償信號v1與修正后的控制電壓10vc之和經(jīng)過兩個(gè)電阻組成的1/10衰減電路實(shí)現(xiàn)的。a6輸出的電壓經(jīng)一個(gè)電位器后進(jìn)入跟隨器。然后通過1pf的電容實(shí)現(xiàn)快電容補(bǔ)償，其中電位器可以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償?shù)恼{(diào)節(jié)，使電路靈活方便，慢電容補(bǔ)償信號是vc經(jīng)過由a3、a4和a5組成的狀態(tài)變量環(huán)而獲得，預(yù)測注入電流在rs上產(chǎn)生的誤差電壓v2也由狀態(tài)變量環(huán)得到，并與控制電壓vc通過a2相加。由于正反饋的作用，由a2經(jīng)過狀態(tài)變量環(huán)，產(chǎn)生與vc相對應(yīng)的過沖電壓vc，從而實(shí)現(xiàn)超量充電作用，同時(shí)，慢電容的補(bǔ)償電路還實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電阻誤差的預(yù)測，從電流檢測輸出端輸出的電壓經(jīng)a1后又經(jīng)過預(yù)測電路的同步調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了串聯(lián)電阻的補(bǔ)償，快電容和慢電容補(bǔ)償電路均示于圖5中，分別通過各自的電流注入電容器與電極入端相連。

3.4 液晶顯示模塊

本系統(tǒng)選擇北京青云公司生產(chǎn)的圖形液晶模塊lcm3202401，它具有320×320的點(diǎn)陣，采用sed1335作為控制器，可以實(shí)現(xiàn)圖形和本文兩種顯示方式，液晶模塊直接通過aduc841進(jìn)行控制，控制接口電路在圖6中給出。

sed1335具有很強(qiáng)大的功能，mpu訪問sed1335時(shí)不需要判斷它是否"忙"，sed1335隨時(shí)準(zhǔn)備接收mpu的訪問并在內(nèi)部時(shí)序下及時(shí)地把mpu發(fā)來的指令、數(shù)據(jù)傳輸就位。sed1335控制器包括接口部分、內(nèi)部控制部分和驅(qū)動(dòng)部分?？刂撇糠挚梢怨芾?4k顯示ram，管理內(nèi)置的字符發(fā)生器及外擴(kuò)的字符發(fā)生器cgram或excgrom。sed1335將64k顯示ram分成文本顯示特性、圖形顯示特性、sed1335管理內(nèi)置字符發(fā)生器cgrom幾種顯示特性區(qū)。sed1335有13條指令，多數(shù)指令帶有參數(shù)，參數(shù)值由用戶根據(jù)所控制的液晶顯示模塊的需要自行設(shè)置。

液晶可以比較方便地實(shí)現(xiàn)文字和波形的顯示。文字顯示時(shí)用字模生成工具生成要顯示的文字字模，給定顯示區(qū)的首地址和光標(biāo)的移動(dòng)方式就可以方便地實(shí)現(xiàn)顯示。波形的顯示需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行變換和處理，由于液晶為320行，所以大量顯示的數(shù)字為320，因此首先要把采集的數(shù)據(jù)變換到該范圍內(nèi)，并且顯示時(shí)還應(yīng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行一些處理以及前后數(shù)據(jù)的比較才能實(shí)現(xiàn)完整波形的顯示。

3.5 按鍵模塊及菜單界面

快捷的按鍵、友好的菜單極大的方便了系統(tǒng)的操作，系統(tǒng)中提供了三個(gè)按鍵，對應(yīng)于液晶顯示屏上的相關(guān)菜單，每一級菜單提供給使用者簡單的提示，方便使用，因而只需要在菜單的提示下按一鍵（有a、b、c三個(gè)鍵）便可以完成所需要的操作。

本系統(tǒng)采用的是獨(dú)立式按鍵，直接用i/o接口線構(gòu)成單個(gè)按鍵電路，每個(gè)按鍵單獨(dú)占有一根i/o接口線，且其工作狀態(tài)不會(huì)影響其他i/o接口線的工作狀態(tài)，控制接口線分別用p1.2，p1.3和p1.4進(jìn)行控制，按鍵輸入為高電平有效。

在使用過程當(dāng)中，每個(gè)按鍵和液晶菜單相聯(lián)系，本系統(tǒng)目前設(shè)計(jì)是一個(gè)按鍵對應(yīng)一個(gè)功能，進(jìn)一步的設(shè)計(jì)將實(shí)現(xiàn)單一按鍵上實(shí)現(xiàn)不同的功能，這樣簡單的獨(dú)立式按鍵電路便不能滿足設(shè)計(jì)需要，必須使用軟按鍵輪詢技術(shù)，軟按鍵輪詢技術(shù)是將菜單和按鍵組合在一起的用戶界面新技術(shù)，該技術(shù)使得用戶可以在單一的功能鍵上進(jìn)行多種選擇，也就是說，每個(gè)按鍵可以和一個(gè)命令菜單或參數(shù)菜單相聯(lián)系，用戶可以通過按合適的按鍵來選擇所需要的命令，也就是采用按鍵嵌套的方法來使同一按鍵實(shí)現(xiàn)不同的功能。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件主要是完成單片機(jī)對前面得到的模擬信號的采集、存儲(chǔ)、原有數(shù)據(jù)的回放、系統(tǒng)和pc機(jī)的通訊并且控制液晶和按鍵實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、方便操作，軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)膜片鉗放大器設(shè)計(jì)中十分重要的一環(huán)，任務(wù)的調(diào)度，資源的分配，中斷的安排等都是軟件設(shè)計(jì)中應(yīng)予以重視的環(huán)節(jié)，為了達(dá)到性能的要求，并使程序具有良好的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要分為測量模塊、打印模塊和無線傳輸模塊。圖7給出了系統(tǒng)的軟件流程圖，系統(tǒng)采用中文菜單友好用戶界面，便于操作。開機(jī)后首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后顯示主菜單，延時(shí)5秒后再顯示各功能菜單，功能菜單包括原有數(shù)據(jù)的回放、實(shí)時(shí)采樣顯示和紅外線傳輸三個(gè)部分。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的電路適用于微電流信號的采集、模擬電路部分使用低噪聲的ad8627實(shí)現(xiàn)電流電壓的轉(zhuǎn)換，后級的阻容補(bǔ)償電路等靈活地進(jìn)行電阻和電容的補(bǔ)償，采用功能強(qiáng)大的aduc841單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，數(shù)字部分的硬件電路必須簡潔，aduc841有著豐富的外圍模塊，容易實(shí)現(xiàn)低頻數(shù)據(jù)信號的采集、處理，與液晶模塊配合后可以實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)交互功能。