基于ADuC841的膜片鉗放大器的設計

1引言

    膜片鉗是細胞膜離子通道電流檢測的重要工具。1976年Neher和Sakmann發(fā)明了膜片鉗技術。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年以來此技術已可用于很多細胞系的研究，目前，細胞膜離子通道的研究已經(jīng)應用到了各種疾病的診斷治療、藥物作用、環(huán)境對細胞膜離子通道的影響以及經(jīng)絡研究等多個領域，因此，作為其測量工具的膜片鉗技術也就得到了越來越多的重視，現(xiàn)在國內(nèi)外有多個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的采集、轉換和放大，在計算機上安裝數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)信號的采集，并在PC機安裝專用的軟件實現(xiàn)快慢電容和串聯(lián)電阻補償?shù)恼{(diào)節(jié)以及采集到的電流信號的顯示。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機直接相連，所以PC機帶來的干擾非常大，對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的小型化膜片鉗放大器，該膜片鉗放大器分為上位機和下位機兩個部分，下位機是一個以單片機為控制核心的采集系統(tǒng)，可以單獨工作完成微電流信號的采集、放大、電容和電阻的補償以及波形的顯示和數(shù)據(jù)的存儲，另外下位機還可以和上位機進行通訊，這里的通訊是采用紅外傳輸方式實現(xiàn)的，用串口驅動紅外發(fā)射器實現(xiàn)上位機和下位機的通訊，上位機主要是對下位機傳輸?shù)男盘栠M行處理和分析。

    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的優(yōu)點，是一款性價比很高的單片機，可極大的簡化硬件電路設計、提高穩(wěn)定性、縮短開發(fā)時間、提高性價比、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、質量高的特點。

2 系統(tǒng)結構

    為了實現(xiàn)信號的采集和顯示，系統(tǒng)具有以下幾個基本功能：

（1）離子通道電流的采集和放大；

（2）箝位電壓發(fā)生器；

（3）電阻電容補償；

（4）模擬信號到數(shù)字信號的轉換；

（5）友好的人機界面；

（6）系統(tǒng)和PC機的通訊。

    為實現(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、電阻電容補償電路、ADuC841控制核心，液晶顯示及按鍵控制、系統(tǒng)和PC機之間通訊6個主要模塊。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經(jīng)過微電流采集和放大，同時進行電阻和電容的補償以后進入單片機的A/D轉換部分，把模擬信號數(shù)字化，采集到的信號同時送到液晶顯示器進行顯示，另外也可以實現(xiàn)采集信號的存儲和傳輸，按鍵模塊可以友好、方便的實現(xiàn)多種操作功能的控制。