一種基于CPLD的壓電生物傳感器檢測電路的設(shè)計

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

　　圖1中,USB口為壓電生物傳感器與檢測電路相連接的接口;RS-232口為與計算機相連接的接口,將數(shù)字化的傳感器信號(頻率值)上傳到計算機,由計算機(PC機)實現(xiàn)傳感器信號的實時采集和顯示,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,作為CPLD工作時鐘輸入、RS-232通信時序脈沖以及數(shù)碼管動態(tài)顯示時序脈沖,準(zhǔn)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)信號轉(zhuǎn)化成脈沖信號,輸入CPLD進行信號數(shù)據(jù)采集;數(shù)碼顯示采用共陰極8×8段數(shù)碼管,動態(tài)掃描顯示當(dāng)前傳感器信號值和簡單數(shù)據(jù)分析判斷結(jié)果;電源給系統(tǒng)提供直流5V工作電壓,含有直流6～15V變成5V穩(wěn)壓電路;RS-232電平轉(zhuǎn)換電路將從CPLD輸出的CMOS電平轉(zhuǎn)化為計算機所接受的TTL電平,而且可增加數(shù)據(jù)傳輸距離.