本系統(tǒng)采用8套完全相同的以MAX913芯片為核心的振蕩器,，通過2個CD4069反相器反相后分別送到4個差頻器74LS74的D端,，每一個差頻器74LS74內部有2個D觸發(fā)器,。
2個6M高精度有源晶振分別經(jīng)時鐘芯片CDCV304后變成8個6M輸出信號，分別送到4個差頻器74LS74的CLK端,。經(jīng)過4個差頻器74LS74差頻后的頻率信號" title="頻率信號">頻率信號送到可編程邏輯器件" title="可編程邏輯器件">可編程邏輯器件EPM570GT100C3芯片的I/O口,。
為何選擇EPM7128LC84-10？
石英晶體振蕩頻率對晶體表面質量負載(質量效應)和反應體系物理性狀如密度,、粘度,、電導率等(非質量效應)的改變高度敏感，具有亞ng級的質量檢測能力，其靈敏度可達1ng／Hz,。由于一個通道所使用的邏輯門比較少，因此選擇可編程邏輯器件EPM7128LC84-10,。
圖1 系統(tǒng)設計總體框圖
硬件設計
1,、石英晶體振蕩及差頻電路
自激振蕩器通常是由基本放大電路、正反饋網(wǎng)絡和選頻網(wǎng)絡三部分組成的,。
采用差頻的目的是為了降低輸入到可編程邏輯器件EPM7128的頻率,，測量用QCM振蕩電路輸出的方波信號送入差頻器74LS74的D端，參考用高精度6M晶振輸出的方波信號送入差頻器74LS74的CLK端,，得到的差頻信號送入可編程邏輯器件進行計數(shù),。
在石英晶體振蕩電路中，石英晶體作為正反饋網(wǎng)絡的主要組成部分,，也是一種選頻網(wǎng)絡,，只有在石英晶體振蕩器的固有諧振頻率下才能滿足條件。根據(jù)這一原理,，采用以MAX913芯片為核心的振蕩器,，它的輸出是TTL電平，便于單片機或可編程邏輯器件的信號采集,。
圖2 石英晶體振蕩及差頻電路
2,、EPM7128和AT89S52的控制電路
經(jīng)過差頻器74LS74后的差頻信號，從74LS74的5腳輸出送到可編程邏輯器件EPM7128的6腳I/O口上,。由于在EPM7128設計的是32位計數(shù)器,，而51單片機是8位機，因此需要4次分時處理32位數(shù)據(jù)信號,，由選擇信號SEL0~SEL2來控制,。最終從EPM7128輸出8位數(shù)據(jù)信號到AT89S52的P0數(shù)據(jù)口，經(jīng)單片機處理后通過串口發(fā)到上位機進行最后的數(shù)據(jù)處理和圖形界面顯示,。
在開始測量時,，上位機通過串口給51單片機AT89S52發(fā)出命令，AT89S52先給EPM7128的22腳一個RST復位命令,，使EPM7128復位后開始工作計頻,，頻率測量計時時間為100ms，計時結束后,，EPM7128的46腳發(fā)出中斷信號送給AT89S52的外中斷0口（INT0）,，單片機接收到中斷信號后從P1口的P10~P12給EPM7128發(fā)出3個選擇信號SEL0~SEL2。
圖3 可編程邏輯器件EPM7128和51單片機AT89S52的控制電路
EPM7128的83腳是全局時鐘,，外接工作用的時鐘信號,。該時鐘信號可以使用有源晶振來產(chǎn)生，也可以使用無源晶振加振蕩器產(chǎn)生。EPM7128的14,、71,、23、62腳分別是TDI,、TDO,、TMS、TCK端,，是JTAG編程口,。AT89S52的14、15腳外接晶振和電容組成單片機的振蕩電路,，4腳是復位端,，由IPM810控制，IPM810具備上電復位,、手動復位及欠壓復位功能,。
EPM7128也是采用在線編程方式進行程序的燒寫，采用JTAG在線編程,。其他引腳基本上都是I/O口,，可根據(jù)需要指定。
AT89S52使用PLCC44腳封裝的貼片器件,，利用單片機AT89S52的P1口和復位口進行在線編程,，使用at89isp軟件在線編程，進行程序的燒寫,。
軟件設計
本系統(tǒng)使用MAX+plusII10.1編譯系統(tǒng)或Quartus II 4.2編譯系統(tǒng)編譯,，設計實現(xiàn)了分頻" title="分頻">分頻、頻率計數(shù),、數(shù)據(jù)選擇等功能,。
1、可編程邏輯器件EPM7128的頂層電路
頂層電路由分頻模塊,、計數(shù)模塊,、數(shù)據(jù)選擇模塊組成，分頻模塊和計數(shù)模塊采用Verilog HDL硬件描述語言編寫,，數(shù)據(jù)選擇模塊用圖形輸入方式,。由于計數(shù)模塊的計時器是32位的，因此通過3個8位的二選一數(shù)據(jù)選擇器,，在單片機給出的SEL0~SEL2片選信號控制下,，分時選擇從EPM7128的輸出端OUTPUT7~OUTPUT0輸出的8位數(shù)據(jù)信號到AT89S52的P0數(shù)據(jù)口。
圖4 可編程邏輯器件EPM7128的頂層電路
AT89S52給EPM7128的RST端提供復位RST信號,，使EPM7128復位,，開始記錄差頻器送到EPM7128的CLKX1端的頻率信號,。記時時間到，EPM7128的輸出端INT發(fā)出中斷信號,，通知單片機接收數(shù)據(jù),。12M的振蕩信號送到EPM7128的CLK端，經(jīng)過分頻模塊后變成10Hz的頻率信號給計數(shù)模塊提供基準時基,。
2,、可編程邏輯器件EPM7128的計數(shù)模塊
被測脈沖加到計數(shù)模塊中閘門的輸入端，開始測頻時,，先將計數(shù)器置0，待門控" title="門控">門控信號到來后,，打開閘門,，允許被測脈沖通過，計數(shù)器開始計數(shù),，直到門控信號結束,，閘門關閉，停止計數(shù),。
因此,，當門控信號的周期為1s時，在閘門開通時間1s通過閘門的被測脈沖個數(shù)即為該被測信號的頻率,，為了使上位機獲得更多的數(shù)據(jù)和精度,，使門控信號的周期為0.1s。
3,、可編程邏輯器件EPM7128的分頻模塊
分頻模塊的目的是將可編程邏輯器件EPM7128的83腳輸入的12M頻率信號,，分頻成10Hz頻率信號給計數(shù)模塊做基準時鐘，即計時時間是100ms,。
以下是EPM7128的計數(shù)模塊的程序部分代碼：
CLK_1hz表示門控信號,，CLKX表示被測脈沖，RST為系統(tǒng)復位信號,，F(xiàn)RE為鎖存后的脈沖頻率數(shù)據(jù),，INT為給單片機的中斷信號，這幾個信號是計數(shù)模塊中的輸入,、輸出信號,。在計數(shù)模塊中還有幾個內部定義的信號，CNT_EN為計數(shù)允許信號,，CNT_CLR為計數(shù)清零信號,，LOAD表示鎖存信號，OUT表示鎖存前的脈沖頻率信號,。
門控信號為10Hz,，每兩個時鐘周期進行一次頻率測量,，即在每兩個時鐘周期CLK_1hz內，先到來半個時鐘周期的CNT_CLR,，用于清零,；隨后，CNT_EN在一個時鐘周期CLK_1hz內有效,，進行計數(shù),；最后，在后到來的半個時鐘周期內,，當LOAD的上升沿到來時,，鎖存計數(shù)結果。
4,、51單片機AT89S52的程序
當EPM7128計時時間到,，給AT89S52的外中斷0發(fā)出中斷信號，AT89S52的程序跳到外中斷中,，進行數(shù)據(jù)處理,，分別給出選擇信號SEL0~SEL2的組合，分時接收EPM7128的數(shù)據(jù)信號,，再通過串口發(fā)給上位機,。
51單片機先初始化定時器、串口及中斷設置等,，給EPM7128發(fā)出復位信號,，然后進入大循環(huán)程序，等待外中斷,。由于所測頻率不會超過10MHz,，因此只讀取24位數(shù)據(jù)即可。
圖5 外中斷0中斷程序流程圖
實驗結果
先往流池內加100微升血漿（溫浴180S）,，旋轉螺桿到刻度17.0,，然后再通過側面小孔注射進TT凝血酶溶液然后抽出注射器。
圖6 直徑６毫米血漿凝結實驗
此圖是石英晶體采用AT切向,，電極為銀膜,，基頻I0MHZ，晶體直徑6mm（沒有使用差頻器）,，直接將10MHz石英晶體的頻率送到可編程邏輯器件計數(shù)的結果,。壓電石英晶體傳感器用于凝血因子檢測具有使用方便、精度高和成本低等優(yōu)點,，有廣闊的臨床應用和推廣前景,。
QCM作為微質量傳感器被廣泛應用于化學、物理,、生物,、醫(yī)學和表面科學等領域中,，具有結構簡單、成本低,、振動Q值大,、靈敏度高、測量精度可以達到納克量級的優(yōu)點,。