基于單片機(jī)的新型膜片鉗放大器系統(tǒng)

引言

　　膜片鉗是細(xì)胞膜離子通道電流檢測的重要工具。膜片鉗放大器部分的體積都比較大，價(jià)格也比較昂貴，一般在幾萬到幾十萬之間，更重要的是，由于模擬采集系統(tǒng)和PC機(jī)直接相連，所以PC機(jī)帶來的干擾非常大。

　　為了解決上述問題，我們研究了一種新型的膜片鉗放大器。本系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)兩個(gè)部分，下位機(jī)是一個(gè)單片機(jī)為控制核心的采集系統(tǒng)，可以單獨(dú)工作完成微電流信號的采集、放大、電容和電阻的補(bǔ)償以及波形的顯示和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。另外下位機(jī)還可以和上位機(jī)進(jìn)行通訊，通訊是采用紅外傳輸?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)的，用串口驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射器實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通訊。上位機(jī)主要完成把下位機(jī)傳輸?shù)男盘栠M(jìn)行處理和分析。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　為了實(shí)現(xiàn)信號的采集、顯示以及傳輸，系統(tǒng)具有以下的幾個(gè)基本功能：

　　·離子通道電流的采集和放大

　　·鉗位電壓發(fā)生器

　　·電阻電容補(bǔ)償

　　·模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換

　　·人機(jī)界面

　　·系統(tǒng)和PC機(jī)通訊

　　為實(shí)現(xiàn)上述功能要求，系統(tǒng)主要分為微電流的采集和放大、鉗位電壓發(fā)生器、電阻電容補(bǔ)償電路、ADμC841控制核心、液晶顯示模塊LCM3202401及按鍵控制、系統(tǒng)和PC機(jī)之間通訊六個(gè)主要模塊。圖1給出了系統(tǒng)的功能框圖。

　　圖1 膜片鉗放大器系統(tǒng)功能框圖

　　由圖1可知，經(jīng)過電極得到的離子通道電流信號經(jīng)過微電流采集和放大，同時(shí)進(jìn)行電阻和電容的補(bǔ)償以后進(jìn)入單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換部分把模擬信號數(shù)字化，采集到的信號同時(shí)送到液晶顯示器進(jìn)行顯示。另外也可以實(shí)現(xiàn)采集信號的存儲(chǔ)和傳輸。按鍵模塊可以友好、方便的實(shí)現(xiàn)多種操作功能的控制。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　控制模塊—單片機(jī)系統(tǒng)ADmC841

　　ADmsC841 是ADI公司新近推出一款單片機(jī)，它的內(nèi)部集成了8052微處理器的內(nèi)核，并提供了很大的存儲(chǔ)空間。此外，該芯片還集成了許多的外圍部件。其中精確、高速的8通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換(其轉(zhuǎn)換速率最高可達(dá)420Ksps)，可以方便地實(shí)現(xiàn)與前級傳感器的接口;UART、SPI、I2C通訊接口、時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器以及看門狗定時(shí)器和電源監(jiān)視器等，這些模塊可以便捷地實(shí)現(xiàn)與其他單片機(jī)或PC機(jī)(此時(shí)需電平轉(zhuǎn)換電路)通訊，還可以有效地保障單片機(jī)電源的正常工作和程序的正常運(yùn)行。

　　鉗位電壓發(fā)生器

　　監(jiān)測細(xì)胞膜離子通道電流有電壓鉗位和電流鉗位兩種方法，我們采用的是電壓鉗位的方法，即在I-V 轉(zhuǎn)換器的同相輸入端接入一個(gè)鉗位電壓，把細(xì)胞膜電位鉗制在一個(gè)固定的電壓值。這個(gè)電壓的幅值在幾十到幾百 mV 范圍內(nèi)，脈沖時(shí)間10~50ms。圖2 給出了鉗位電壓發(fā)生器的電路。電路中采用的是555 構(gòu)成多諧振蕩的方式來實(shí)現(xiàn)方波的發(fā)生。555 直接產(chǎn)生的方波信號幅值接近電源電壓，而所用的鉗位電壓應(yīng)該是一個(gè)電壓幅值在幾百個(gè)毫伏左右的信號，所以要對555 產(chǎn)生的信號進(jìn)行幅度的調(diào)節(jié)。555 產(chǎn)生的方波信號經(jīng)過電阻R3 和穩(wěn)壓管D1后在D1 兩端輸出穩(wěn)定的2.4V 電壓，再在這個(gè)電壓兩端并上電位器R4，從它的滑動(dòng)端取出電壓作為鉗位電壓。這樣可以對鉗位電壓進(jìn)行靈活的調(diào)節(jié)，得到需要的幅度。產(chǎn)生的方波的周期可通過調(diào)節(jié)電位器R2 在14ms~154ms 之間變化。

　　圖2 鉗位電壓發(fā)生電路