基于CPLD的压电生物传感器检测电路的设计

       本文介绍了一种基于复杂可编程逻辑器件(CPLD)的压电生物传感器检测电路.该检测电路以高性能CPLD(MAX7128)为核心,实现了对压电生物传感器10MHz高频信号的测量与采集,以及所采集的频率数据动态、实时显示以及频率数据串行通信等功能.该电路体积小、集成度高,具有可靠性高、实时性高的特点.此外该系统还可以通过RS-232串行接口与计算机连接进行数据传输和数据存储及分析.详细阐明了系统整体结构设计以及系统硬件部分的实现,并给出了CPLD内核仿真结果和数据采集软件实测频率曲线.
　　国内外基于压电石英晶体微天平技术的检测仪器大多数使用自行设计的振荡电路盒,使用高分辨的频率计数器测量频率输出,然后进行定时人工记数,仪器复杂,自动化程度低.微型压电生物传感器检测电路采用当前最有发展前景的复杂可编程逻辑器件(CPLD)为核心器件设计而成.目前,CPLD集成度可达25万等效门,工作速度可达180MHz.它借助自动化程度高的内核程序开发工具,可以大大缩短系统的计周期,而且数据采集可以由一块CPLD芯片完成,整个系统的硬件规模明显减小.在系统的研制阶段,由于CPLD器件引脚比较灵活,又有可擦除可编程的能力,因此对原设计进行修改时,只需要修改原设计文件再对CPLD芯片重新编程即可,而不需要修改电路布局,更不需要重新加工印刷线路板,这就大大提高了系统的灵活性.结合压电生物传感器特性,研制一种微型化的压电传感器检测电路有十分重要的意义.

　　1 压电生物传感器原理

　　压电石英晶体频移ΔF与在晶体表面均匀吸附的极薄层刚性物质量Δm之间存在正比关系,由Sauerbrey方程描述,并且对于AT切割的石英晶体,可得到Sauerbrey方程式:

　　式中,ΔF、Fq(晶体基频)、Δm、A单位分别为Hz、Hz、g.cm-2、cm2.石英晶片在气相中振荡时,Δf与Δm呈简单的线性关系,因此石英晶片可用来做非常敏感的质量检测器,其检测限可以达到ng级(10-9g.cm-2),甚至pg(10-12g.cm2)级水平.

　　根据压电石英晶体传感器的原理设计了一种微型化的压电传感器检测电路,其检测原理为在传感器上预先固定与待测物能发生亲和反应的“探针”,检测待测物时,随着亲和反应的进行,检测电路实时跟踪反应过程,记录传感器上质量变化引起频率变化,再通过上述定量关系式计算待测物的量,其灵敏度可以达到纳克级水平,结合纳米金技术可将传感器的灵敏度提高3～5倍.

　　2 电路硬件设计

　　微型压电传感器检测电路是经过前几代仪器的开发经验总结和改进基础上完成的。它摒弃以往TTL集成电路或MCS51单片机为核心电路波动大,稳定性差,电路板绘制复杂,不利于升级换代的缺点,选择使用ALTERA公司生产的复杂可编程逻辑器件(CPLD)MAX7128为核心,基于RS232通信方式的串行接口数据采集分析平台.该系统分为7个模块:电源供电模块,RS-232电平转换模块,振荡电路模块,时钟模块,数码显示模块,MAX7128内核模块.其电路线路板布局如图1所示.