基于ADuC841的膜片鉗放大器的設(shè)計(jì)

1引言

膜片鉗是細(xì)胞膜離子通道電流檢測(cè)的重要工具。1976年Neher和Sakmann發(fā)明了膜片鉗技術(shù)。此后由于巨歐姆阻抗封接方法的確立和幾種方法的創(chuàng)建，1980年以來此技術(shù)已可用于很多細(xì)胞系的研究，目前，細(xì)胞膜離子通道的研究已經(jīng)應(yīng)用到了各種疾病的診斷治療、藥物作用、環(huán)境對(duì)細(xì)胞膜離子通道的影響以及經(jīng)絡(luò)研究等多個(gè)領(lǐng)域，因此，作為其測(cè)量工具的膜片鉗技術(shù)也就得到了越來越多的重視，現(xiàn)在國內(nèi)外有多個(gè)單位在從事膜片鉗系統(tǒng)的開發(fā)與研究，其中包括德國HEKA公司生產(chǎn)的EPC系列、美國Axon公司生產(chǎn)的200B系列和國內(nèi)華中科技大學(xué)研發(fā)的PC-II型膜片儀等，這些產(chǎn)品基本上都是由前端模擬電路完成電流信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換和放大，在計(jì)算機(jī)上安裝數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集，并在PC機(jī)安裝專用的軟件實(shí)現(xiàn)快慢電容和串聯(lián)電阻補(bǔ)償?shù)恼{(diào)節(jié)以及采集到的電流信號(hào)的顯示。不過這些產(chǎn)品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，對(duì)抗干擾性能的要求很高。

為了解決上述問題，筆者研究了一種基于單片機(jī)的小型化膜片鉗放大器

本系統(tǒng)的控制核心是美國ADI公司的一款高性能數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)器件ADuC841。這款SoC具有高精度、高速度、高可靠性、大容量非易失性存儲(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)，是一款性價(jià)比很高的單片機(jī)，可極大的簡化硬件電路設(shè)計(jì)、提高穩(wěn)定性、縮短開發(fā)時(shí)間、提高性價(jià)比、從而使系統(tǒng)具有操作方便、成本低、體積小、輸出波形穩(wěn)定性好、質(zhì)量高的特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集和顯示，系統(tǒng)具有以下幾個(gè)基本功能：

（1）離子通道電流的采集和放大；

（2）箝位電壓發(fā)生器；

（3）電阻電容補(bǔ)償；

（4）模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換；

（5）友好的人機(jī)界面；

（6）系統(tǒng)和PC機(jī)的通訊。

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、箝位電壓發(fā)生器、電阻電容補(bǔ)償電路、ADuC841控制核心，液晶顯示及按鍵控制、系統(tǒng)和PC機(jī)之間通訊6個(gè)主要模塊。圖1給出了系統(tǒng)的功能框圖。

由圖1可知，經(jīng)過電極采到的離子通道電流信號(hào)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(hào)數(shù)字化，采集到的信號(hào)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(hào)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。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制模塊--單片機(jī)系統(tǒng)ADuC841

ADuC841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，如64KB的Flash/EEPROM程序空間、8KB的Flash/EEPROM數(shù)據(jù)空間、以及2304B的數(shù)據(jù)RAM等，此外，該器件還集成了許多外圍器件，包括精確、高速的8通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（其轉(zhuǎn)換速率最高可達(dá)420kS/s），15