采用QCM传感器的生物芯片检测电路的原理设计

软件设计

本系统中ALTERA公司可编程逻辑器件EPM7128的内核程序采用Verilog HDL硬件描述语言编写，使用MAX+plusII10.1编译系统或Quartus II 4.2编译系统编译，设计实现了分频、频率计数、数据选择等功能。51单片机AT89S52用C语言和汇编语言混合编程，使用Keil C51编译系统编译。

1、可编程逻辑器件EPM7128的顶层电路

顶层电路如图4所示，由分频模块、计数模块、数据选择模块组成，分频模块和计数模块采用Verilog HDL硬件描述语言编写，数据选择模块用图形输入方式。12M的振荡信号送到EPM7128的CLK端，经过分频模块后变成10Hz的频率信号给计数模块提供基准时基。AT89S52给EPM7128的RST端提供复位RST信号，使EPM7128复位，开始记录差频器送到EPM7128的CLKX1端的频率信号。记时时间到，EPM7128的输出端INT发出中断信号，通知单片机接收数据。由于计数模块的计时器是32位的，因此通过3个8位的二选一数据选择器，在单片机给出的SEL0~SEL2片选信号控制下，分时选择从EPM7128的输出端OUTPUT7~OUTPUT0输出的8位数据信号到AT89S52的P0数据口。

图4 可编程逻辑器件EPM7128的顶层电路

2、可编程逻辑器件EPM7128的分频模块

分频模块的目的是将可编程逻辑器件EPM7128的83脚输入的12M频率信号，分频成10Hz频率信号给计数模块做基准时钟，即计时时间是100ms。

3、可编程逻辑器件EPM7128的计数模块　由分频模块分频后的10Hz信号送到计数模块，它通过门控电路，加到可以控制开、闭时间的闸门上。被测脉冲加到计数模块中闸门的输入端，开始测频时，先将计数器置0，待门控信号到来后，打开闸门，允许被测脉冲通过，计数器开始计数，直到门控信号结束，闸门关闭，停止计数。因此，当门控信号的周期为1s时，在闸门开通时间1s通过闸门的被测脉冲个数即为该被测信号的频率，为了使上位机获得更多的数据和精度，使门控信号的周期为0.1s。

以下是可编程逻辑器件EPM7128的计数模块的程序部分代码：
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的上升沿使单片机中断。
always @(posedge CLKX or negedge CNT_CLR)
begin
if (!CNT_CLR) //当CNT_CLR为低电平到来时，OUT=0;计数器清零
OUT=0;
else if (CNT_EN)
begin
OUT=OUT+1; //当CLKX的上升沿到来时，计数器加1
end　end
always @(posedge LOAD) //当锁存信号LOAD的上升沿到来时，执行以下语句
begin
FRE=OUT; //将OUT赋值给FRE
end
endmodule

上面给出了可编程逻辑器件EPM7128的计数模块的程序关键代码。CLK_1hz表示门控信号，CLKX表示被测脉冲，RST为系统复位信号，FRE为锁存后的脉冲频率数据，INT为给单片机的中断信号，这几个信号是计数模块中的输入、输出信号。在计数模块中还有几个内部定义的信号，CNT_EN为计数允许信号，CNT_CLR为计数清零信号，LOAD表示锁存信号，OUT表示锁存前的脉冲频率信号。门控信号为10Hz，每两个时钟周期进行一次频率测量，即在每两个时钟周期CLK_1hz内，先到来半个时钟周期的CNT_CLR，用于清零；随后，CNT_EN在一个时钟周期CLK_1hz内有效，进行计数；最后，在后到来的半个时钟周期内，当LOAD的上升沿到来时，锁存计数结果。

4、51单片机AT89S52的程序

51单片机先初始化定时器、串口及中断设置等，给EPM7128发出复位信号，然后进入大循环程序，等待外中断。当EPM7128计时时间到，给AT89S52的外中断0发出中断信号，AT89S52的程序跳到外中断中，进行数据处理，分别给出选择信号SEL0~SEL2的组合，分时接收EPM7128的数据信号，再通过串口发给上位机。由于所测频率不会超过10MHz，因此只读取24位数据即可。图5是外中断0中断程序流程图。

图5 外中断0中断程序流程图

实验结果

先往流池内加100微升血浆（温浴180S），旋转螺杆到刻度17.0，然后再通过侧面小孔注射进TT凝血酶溶液然后抽出注射器。图6所示是直径６mm血浆凝结实验（血浆＋TT凝血酶＝100＋100μl）。此图是石英晶体采用AT切向，电极为银膜，基频I0MHZ，晶体直径6mm（没有使用差频器），直接将10MHz石英晶体的频率送到可编程逻辑器件计数的结果。

图6 直径６毫米血浆凝结实验

QCM作为微质量传感器具有结构简单、成本低、振动Q值大、灵敏度高、测量精度可以达到纳克量级的优点，被广泛应用于化学、物理、生物、医学和表面科学等领域中。压电石英晶体传感器用于凝血因子检测具有使用方便、精度高和成本低等优点，有广阔的临床应用和推广前景。