基于CPLD的壓電生物傳感器檢測電路設計

　　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)整體結構設計以及系統(tǒng)硬件部分的實現(xiàn)，并給出了CPLD內核仿真結果和數(shù)據(jù)采集軟件實測頻率曲線。

　　國內外基于壓電石英晶體微天平技術的檢測儀器大多數(shù)使用自行設計的振蕩電路盒，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(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(tǒng)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(jù)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(fā)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(jīng)過前幾代儀器的開發(fā)經(jīng)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(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電平轉換模塊，振蕩電路模塊，時鐘模塊，數(shù)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