一種基于CPLD的壓電生物傳感器檢測電路的設計

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據采集分析平臺.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硬件結構圖

　　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)實現傳感器信號的實時采集和顯示,采集數據程序由VC++6.0編寫;OSC1為提供系統工作時鐘振蕩電路,由TTL芯片和12MHz標準晶振組成,產生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碼管動態顯示時序脈沖,準確度高、且精確;OSC2為傳感器振蕩電路,經過幾代反復改良,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信號轉化成脈沖信號,輸入CPLD進行信號數據采集;數碼顯示采用共陰極8×8段數碼管,動態掃描顯示當前傳感器信號值和簡單數據分析判斷結果;電源給系統提供直流5V工作電壓,含有直流6～15V變成5V穩壓電路;RS-232電平轉換電路將從CPLD輸出的CMOS電平轉化為計算機所接受的TTL電平,而且可增加數據傳輸距離.