基于CPLD的壓電生物傳感器檢測電路設(shè)計

　　介紹了一種基于復(fù)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(xì)闡明了系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計以及系統(tǒng)硬件部分的實現(xiàn)，并給出了CPLD內(nèi)核仿真結(jié)果和數(shù)據(jù)采集軟件實測頻率曲線。

　　國內(nèi)外基于壓電石英晶體微天平技術(shù)的檢測儀器大多數(shù)使用自行設(shè)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(fù)雜，自動化程度低。微型壓電生物傳感器檢測電路采用當(dāng)前最有發(fā)展前景的復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)為核心器件設(shè)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(nèi)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(shè)計進行修改時，只需要修改原設(shè)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(jié)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(zhì)量Δm之間存在正比關(guān)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(guān)系，因此石英晶片可用來做非常敏感的質(zhì)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(shè)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(yù)先固定與待測物能發(fā)生親和反應(yīng)的“探針”，檢測待測物時，隨著親和反應(yīng)的進行，檢測電路實時跟蹤反應(yīng)過程，記錄傳感器上質(zhì)量變化引起頻率變化，再通過上述定量關(guān)系式計算待測物的量，其靈敏度可以達到納克級水平，結(jié)合納米金技術(shù)可將傳感器的靈敏度提高3～5倍。

　　2 電路硬件設(shè)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(jié)和改進基礎(chǔ)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(fù)雜，不利于升級換代的缺點，選擇使用ALTERA公司生產(chǎn)的復(fù)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(zhuǎn)換模塊，振蕩電路模塊，時鐘模塊，數(shù)碼顯示模塊，MAX7128內(nèi)核模塊。其電路線路板布局如圖1所示。

　　圖1硬件結(jié)構(gòu)圖