基於CPLD的壓電生物傳感器檢測電路設計

2021-01-15 電子產品世界

　　介紹了一種基於複雜可編程邏輯器件(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，實現了對壓電生物傳感器10MHz高頻信號的測量與採集，以及所採集的頻率數據動態、實時顯示以及頻率數據串行通信等功能。該電路體積小、集成度高，具有可靠性高、實時性高的特點。此外該系統還可以通過RS-232串行接口與計算機連接進行數據傳輸和數據存儲及分析。詳細闡明了系統整體結構設計以及系統硬體部分的實現，並給出了CPLD內核仿真結果和數據採集軟體實測頻率曲線。

　　國內外基於壓電石英晶體微天平技術的檢測儀器大多數使用自行設計的振蕩電路盒，使用高分辨的頻率計數器測量頻率輸出，然後進行定時人工記數，儀器複雜，自動化程度低。微型壓電生物傳感器檢測電路採用當前最有發展前景的複雜可編程邏輯器件(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。它藉助自動化程度高的內核程序開發工具，可以大大縮短系統的計周期，而且數據採集可以由一塊CPLD晶片完成，整個系統的硬體規模明顯減小。在系統的研製階段，由於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晶片重新編程即可，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的靈活性。結合壓電生物傳感器特性，研製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之間存在正比關係，由Sauerbrey方程描述，並且對於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呈簡單的線性關係，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，再通過上述定量關係式計算待測物的量，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 電路硬體設計

　　微型壓電傳感器檢測電路是經過前幾代儀器的開發經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，穩定性差，電路板繪製複雜，不利於升級換代的缺點，選擇使用ALTERA公司生產的複雜可編程邏輯器件(CPLD)MAX7128為核心，基於RS232通信方式的串行接口數據採集分析平臺。該系統分為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硬體結構圖


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