本系統(tǒng)原設(shè)計(jì)為8通道QCM檢測(cè)，即采用8套完全相同的以 MAX913芯片為核心的振蕩器,，通過(guò)2個(gè)CD4069反相器反相后分別送到4個(gè)差頻器74LS74的D端,，每一個(gè)差頻器74LS74內(nèi)部有2個(gè)D觸發(fā)器。2個(gè)6M高精度有源晶振分別經(jīng)時(shí)鐘芯片CDCV304后變成8個(gè)6M輸出信號(hào),，分別送到4個(gè)差頻器74LS74的CLK端,。經(jīng)過(guò)4個(gè)差頻器 74LS74差頻后的頻率信號(hào)送到可編程邏輯器件EPM570GT100C3芯片的I/O口。EPM570GT100C3在這里做頻率計(jì),，通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn),。記下的差頻頻率通過(guò)8位數(shù)據(jù)線送到51單片機(jī)AT89S52，同時(shí)AT89S52對(duì)EPM570GT100C3控制,，以選擇哪個(gè)通道,，AT89S52處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)232串口送到上位機(jī)。
QCM凝血傳感器屬于非質(zhì)量響應(yīng)型傳感器,，利用石英晶體振蕩頻率變化對(duì)晶體所處體系密度和粘度變化的高度敏感性來(lái)檢測(cè)體系性狀的改變,。QCM凝血傳感器通過(guò)紅細(xì)胞阻抗特性的變化引起傳感器的響應(yīng)來(lái)檢測(cè)紅細(xì)胞凝集時(shí)間和沉降速率。因此,，利用基于QCM傳感器的生物芯片檢測(cè)技術(shù)，研制了凝血分析儀,。
石英晶體振蕩頻率對(duì)晶體表面質(zhì)量負(fù)載(質(zhì)量效應(yīng))和反應(yīng)體系物理性狀如密度,、粘度、電導(dǎo)率等(非質(zhì)量效應(yīng))的改變高度敏感,，具有亞ng級(jí)的質(zhì)量檢測(cè)能力,，其靈敏度可達(dá)1ng／Hz。
以一個(gè)通道為例來(lái)進(jìn)行基于QCM傳感器的生物芯片檢測(cè)電路的設(shè)計(jì),，由于一個(gè)通道所使用的邏輯門(mén)比較少,，因此選擇可編程邏輯器件EPM7128LC84-10。圖1所示是系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖,。
硬件設(shè)計(jì)
1,、石英晶體振蕩及差頻電路
為了保證QCM在滴入生物試劑后能振蕩起來(lái)，必須采用一套比較特殊的自激振蕩器電路,，普通的用反相器構(gòu)成的振蕩器電路不易起振,，自激振蕩器通常是由基本放大電路、正反饋網(wǎng)絡(luò)和選頻網(wǎng)絡(luò)三部分組成的,。在石英晶體振蕩電路中,，石英晶體作為正反饋網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分，也是一種選頻網(wǎng)絡(luò)，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(jī)或可編程邏輯器件的信號(hào)采集,。測(cè)量用QCM振蕩電路輸出的方波信號(hào)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(hào)送入差頻器74LS74的CLK端,，得到的差頻信號(hào)送入可編程邏輯器件進(jìn)行計(jì)數(shù),，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。石英晶體振蕩及差頻電路如圖2所示,。
2,、EPM7128和AT89S52的控制電路
經(jīng)過(guò)差頻器74LS74后的差頻信號(hào)，從74LS74的5腳輸出送到可編程邏輯器件EPM7128的6腳I/O口上,。由于可編程邏輯器件引腳比較靈活,，又有可擦除可編程的能力，因此對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行修改時(shí),，只需要修改原設(shè)計(jì)文件再對(duì)可編程邏輯器件芯片重新編程即可,，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(tǒng)的靈活性,，且具有很好的保密性，在這里通過(guò)軟件編程將其設(shè)計(jì)為頻率計(jì),。在開(kāi)始測(cè)量時(shí),，上位機(jī)通過(guò)串口給51 單片機(jī)AT89S52發(fā)出命令，AT89S52先給EPM7128的22腳一個(gè)RST復(fù)位命令,，使EPM7128復(fù)位后開(kāi)始工作計(jì)頻,，頻率測(cè)量計(jì)時(shí)時(shí)間為 100ms，計(jì)時(shí)結(jié)束后,，EPM7128的46腳發(fā)出中斷信號(hào)送給AT89S52的外中斷0口（INT0）,，單片機(jī)接收到中斷信號(hào)后從P1口的 P10~P12給EPM7128發(fā)出3個(gè)選擇信號(hào)SEL0~SEL2。由于在EPM7128設(shè)計(jì)的是32位計(jì)數(shù)器,，而51單片機(jī)是8位機(jī),，因此需要4次分時(shí)處理32位數(shù)據(jù)信號(hào)，由選擇信號(hào)SEL0~SEL2來(lái)控制,。最終從EPM7128輸出8位數(shù)據(jù)信號(hào)到AT89S52的P0數(shù)據(jù)口,，經(jīng)單片機(jī)處理后通過(guò)串口發(fā)到上位機(jī)進(jìn)行最后的數(shù)據(jù)處理和圖形界面顯示。此部分硬件電路圖如圖3所示,。
AT89S52的14,、15腳外接晶振和電容組成單片機(jī)的振蕩電路,，4腳是復(fù)位端，由IPM810控制,，IPM810具備上電復(fù)位,、手動(dòng)復(fù)位及欠壓復(fù)位功能。AT89S52使用PLCC44腳封裝的貼片器件,，利用單片機(jī)AT89S52的P1口和復(fù)位口進(jìn)行在線編程,，使用at89isp軟件在線編程，進(jìn)行程序的燒寫(xiě),。
EPM7128的83腳是全局時(shí)鐘,，外接工作用的時(shí)鐘信號(hào)。該時(shí)鐘信號(hào)可以使用有源晶振來(lái)產(chǎn)生,，也可以使用無(wú)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,。EPM7128也是采用在線編程方式進(jìn)行程序的燒寫(xiě),，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,。本設(shè)計(jì)中可編程邏輯器件EPM7128和51單片機(jī)AT89S52共有13根線相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊和控制,，其中OUTPUT0~OUTPUT7是數(shù)據(jù)通訊，SEL0~SEL2是AT89S52對(duì)EPM7128的片選控制信號(hào),，INT 則是EPM7128對(duì)AT89S52發(fā)出的中斷控制信號(hào),。
軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)中ALTERA公司可編程邏輯器件EPM7128的內(nèi)核程序采用Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言編寫(xiě)，使用MAX+plusII10.1編譯系統(tǒng)或Quartus II 4.2編譯系統(tǒng)編譯,，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了分頻,、頻率計(jì)數(shù)、數(shù)據(jù)選擇等功能,。51單片機(jī)AT89S52用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程,，使用Keil C51編譯系統(tǒng)編譯。
1,、可編程邏輯器件EPM7128的頂層電路
頂層電路如圖4所示,，由分頻模塊,、計(jì)數(shù)模塊、數(shù)據(jù)選擇模塊組成,，分頻模塊和計(jì)數(shù)模塊采用Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言編寫(xiě),，數(shù)據(jù)選擇模塊用圖形輸入方式。12M的振蕩信號(hào)送到EPM7128的CLK端,，經(jīng)過(guò)分頻模塊后變成10Hz的頻率信號(hào)給計(jì)數(shù)模塊提供基準(zhǔn)時(shí)基,。AT89S52給EPM7128的RST端提供復(fù)位RST信號(hào)，使EPM7128復(fù)位,，開(kāi)始記錄差頻器送到EPM7128的CLKX1端的頻率信號(hào),。記時(shí)時(shí)間到，EPM7128的輸出端INT發(fā)出中斷信號(hào),，通知單片機(jī)接收數(shù)據(jù),。由于計(jì)數(shù)模塊的計(jì)時(shí)器是32位的，因此通過(guò)3個(gè)8位的二選一數(shù)據(jù)選擇器,，在單片機(jī)給出的SEL0~SEL2片選信號(hào)控制下,，分時(shí)選擇從EPM7128的輸出端OUTPUT7~OUTPUT0輸出的8位數(shù)據(jù)信號(hào)到 AT89S52的P0數(shù)據(jù)口。
2,、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(hào),，分頻成10Hz頻率信號(hào)給計(jì)數(shù)模塊做基準(zhǔn)時(shí)鐘，即計(jì)時(shí)時(shí)間是100ms,。
3,、可編程邏輯器件EPM7128的計(jì)數(shù)模塊
由分頻模塊分頻后的10Hz信號(hào)送到計(jì)數(shù)模塊，它通過(guò)門(mén)控電路,，加到可以控制開(kāi),、閉時(shí)間的閘門(mén)上。被測(cè)脈沖加到計(jì)數(shù)模塊中閘門(mén)的輸入端,，開(kāi)始測(cè)頻時(shí),，先將計(jì)數(shù)器置0，待門(mén)控信號(hào)到來(lái)后,，打開(kāi)閘門(mén),，允許被測(cè)脈沖通過(guò)，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù),，直到門(mén)控信號(hào)結(jié)束,，閘門(mén)關(guān)閉，停止計(jì)數(shù),。因此,，當(dāng)門(mén)控信號(hào)的周期為1s時(shí)，在閘門(mén)開(kāi)通時(shí)間1s通過(guò)閘門(mén)的被測(cè)脈沖個(gè)數(shù)即為該被測(cè)信號(hào)的頻率,，為了使上位機(jī)獲得更多的數(shù)據(jù)和精度,，使門(mén)控信號(hào)的周期為0.1s,。
以下是可編程邏輯器件EPM7128的計(jì)數(shù)模塊的程序部分代碼：
always @ (posedge CLK_1hz or negedge RST)
begin
if (!RST)
begin
CNT_EN=0;
LOAD=1;
end
else
begin
CNT_EN=~CNT_EN;
LOAD=~CNT_EN;
end
end
assign CNT_CLR=~(~CLK_1hz&LOAD);
ssign INT=LOAD; //使用LOAD的上升沿使單片機(jī)中斷。
always @(posedge CLKX or negedge CNT_CLR)
begin
if (!CNT_CLR) //當(dāng)CNT_CLR為低電平到來(lái)時(shí),，OUT=0;計(jì)數(shù)器清零
OUT=0;
else if (CNT_EN)
begin
OUT=OUT+1; //當(dāng)CLKX的上升沿到來(lái)時(shí),，計(jì)數(shù)器加1
end end
always @(posedge LOAD) //當(dāng)鎖存信號(hào)LOAD的上升沿到來(lái)時(shí)，執(zhí)行以下語(yǔ)句
begin
FRE=OUT; //將OUT賦值給FRE
end
endmodule
上面給出了可編程邏輯器件EPM7128的計(jì)數(shù)模塊的程序關(guān)鍵代碼,。CLK_1hz表示門(mén)控信號(hào),，CLKX表示被測(cè)脈沖，RST為系統(tǒng)復(fù)位信號(hào),，F(xiàn)RE為鎖存后的脈沖頻率數(shù)據(jù),，INT為給單片機(jī)的中斷信號(hào)，這幾個(gè)信號(hào)是計(jì)數(shù)模塊中的輸入,、輸出信號(hào),。在計(jì)數(shù)模塊中還有幾個(gè)內(nèi)部定義的信號(hào)，CNT_EN為計(jì)數(shù)允許信號(hào),，CNT_CLR為計(jì)數(shù)清零信號(hào),，LOAD表示鎖存信號(hào)，OUT表示鎖存前的脈沖頻率信號(hào),。門(mén)控信號(hào)為10Hz,，每?jī)蓚€(gè)時(shí)鐘周期進(jìn)行一次頻率測(cè)量，即在每?jī)蓚€(gè)時(shí)鐘周期CLK_1hz內(nèi),，先到來(lái)半個(gè)時(shí)鐘周期的CNT_CLR,，用于清零；隨后,，CNT_EN在一個(gè)時(shí)鐘周期 CLK_1hz內(nèi)有效,，進(jìn)行計(jì)數(shù)；最后,，在后到來(lái)的半個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi),，當(dāng)LOAD的上升沿到來(lái)時(shí)，鎖存計(jì)數(shù)結(jié)果,。
4,、51單片機(jī)AT89S52的程序
51單片機(jī)先初始化定時(shí)器、串口及中斷設(shè)置等,，給EPM7128發(fā)出復(fù)位信號(hào)，然后進(jìn)入大循環(huán)程序,，等待外中斷,。當(dāng)EPM7128計(jì)時(shí)時(shí)間到，給 AT89S52的外中斷0發(fā)出中斷信號(hào),，AT89S52的程序跳到外中斷中,，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,，分別給出選擇信號(hào)SEL0~SEL2的組合，分時(shí)接收 EPM7128的數(shù)據(jù)信號(hào),，再通過(guò)串口發(fā)給上位機(jī),。由于所測(cè)頻率不會(huì)超過(guò)10MHz，因此只讀取24位數(shù)據(jù)即可,。圖5是外中斷0中斷程序流程圖,。
圖5 外中斷0中斷程序流程圖
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
先往流池內(nèi)加100微升血漿（溫浴180S），旋轉(zhuǎn)螺桿到刻度17.0,，然后再通過(guò)側(cè)面小孔注射進(jìn)TT凝血酶溶液然后抽出注射器,。圖6 所示是直徑６mm血漿凝結(jié)實(shí)驗(yàn)（血漿＋TT凝血酶＝100＋100μl）。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(méi)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(jì)數(shù)的結(jié)果,。
QCM作為微質(zhì)量傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低,、振動(dòng)Q值大,、靈敏度高、測(cè)量精度可以達(dá)到納克量級(jí)的優(yōu)點(diǎn),，被廣泛應(yīng)用于化學(xué),、物理、生物,、醫(yī)學(xué)和表面科學(xué)等領(lǐng)域中,。壓電石英晶體傳感器用于凝血因子檢測(cè)具有使用方便、精度高和成本低等優(yōu)點(diǎn),，有廣闊的臨床應(yīng)用和推廣前景,。