膜片钳放大器设计

1引言

膜片钳是细胞膜离子通道电流检测的重要工具。1976年Neher和Sakmann发明了膜片钳技术。此后由于巨欧姆阻抗封接方法的确立和几种方法的创建，1980年以来此技术已可用于很多细胞系的研究，目前，细胞膜离子通道的研究已经应用到了各种疾病的诊断治疗、药物作用、环境对细胞膜离子通道的影响以及经络研究等多个领域，因此，作为其测量工具的膜片钳技术也就得到了越来越多的重视，现在国内外有多个单位在从事膜片钳系统的开发与研究，其中包括德国HEKA公司生产的EPC系列、美国Axon公司生产的200B系列和国内华中科技大学研发的PC-II型膜片仪等，这些产品基本上都是由前端模拟电路完成电流信号的采集、转换和放大，在计算机上安装数据采集卡实现信号的采集，并在PC机安装专用的软件实现快慢电容和串联电阻补偿的调节以及采集到的电流信号的显示。不过这些产品膜片钳放大器部分的体积都比较大，价格也比较昂贵。一般在几万到几十万之间，更重要的是，由于模拟采集系统和PC机直接相连，所以PC机带来的干扰非常大，对抗干扰性能的要求很高。

为了解决上述问题，笔者研究了一种基于单片机的小型化膜片钳放大器，该膜片钳放大器分为上位机和下位机两个部分，下位机是一个以单片机为控制核心的采集系统，可以单独工作完成微电流信号的采集、放大、电容和电阻的补偿以及波形的显示和数据的存储，另外下位机还可以和上位机进行通讯，这里的通讯是采用红外传输方式实现的，用串口驱动红外发射器实现上位机和下位机的通讯，上位机主要是对下位机传输的信号进行处理和分析。

本系统的控制核心是美国ADI公司的一款高性能数据采集与处理系统器件ADuC841。这款SoC具有高精度、高速度、高可靠性、大容量非易失性存储的优点，是一款性价比很高的单片机，可极大的简化硬件电路设计、提高稳定性、缩短开发时间、提高性价比、从而使系统具有操作方便、成本低、体积小、输出波形稳定性好、质量高的特点。

2 系统结构

为了实现信号的采集和显示，系统具有以下几个基本功能：

（1）离子通道电流的采集和放大；

（2）箝位电压发生器；

（3）电阻电容补偿；

（4）模拟信号到数字信号的转换；

（5）友好的人机界面；

（6）系统和PC机的通讯。

为实现上述功能要求，系统主要分为微电流的采集和放大、箝位电压发生器、电阻电容补偿电路、ADuC841控制核心，液晶显示及按键控制、系统和PC机之间通讯6个主要模块。图1给出了系统的功能框图。

由图1可知，经过电极采到的离子通道电流信号经过微电流采集和放大，同时进行电阻和电容的补偿以后进入单片机的A/D转换部分，把模拟信号数字化，采集到的信号同时送到液晶显示器进行显示，另外也可以实现采集信号的存储和传输，按键模块可以友好、方便的实现多种操作功能的控制。
 

3 系统硬件设计

3.1 控制模块--单片机系统ADuC841

ADuC841内部集成了8052微处理器的内核，并提供了很大的存储空间，如64KB的Flash/EEPROM程序空间、8KB的Flash/EEPROM数据空间、以及2304B的数据RAM等，此外，该器件还集成了许多外围器件，包括精确、高速的8通道12位模数转换器（其转换速率最高可达420kS/s），15×10-6℃的精密内部电压参考源，DMA方式控制器，2个12位的电压输出数模转换器、2个脉宽调制输出、一个温度传感器使用这些模块、可以方便地实现与前级传感器的接口，也可以有效地控制后级电路。其他的片上外设主要有UART、SPI以及I2C接口、时间间隔计数器，看门狗定时器和电源监视器等，这些模块可以便捷地实现与其他单片机或PC机通讯（此时需电平转换电路），还可以有效地保障单片机电源的正常工作和程序的正常运行。

图2给出了ADuC841的功能方框图，此外，ADuC841采用了1个时钟周期一个指令的结构，大大地提高了程序的运行速度，减少了功耗，选用具有丰富资源的高性能单片机系统ADuC841作为控制核心，可以简化教学系统硬件电路设计，降低成本，提高输出波形的稳定性和质量，操作方便，编程简易。
 

3.2 箝位电压发生器

监测细胞膜离子通道电流有电压箝位和电流箝位两种方法，笔者采用的是电压箝位的方法，即在I-V转换器的同相输入端接入一个箝位电压，把细胞膜电位箝制在一个固定的电压值，这个电压的幅值在几十到几百毫伏范围内，脉冲时间10ms-50ms。图3给出了箝位电压发生器的电路，电路中采用555定时器构成多谐振荡的方式来实现方波， 555定时器直接产生的方波信号幅值接近电源电压，而这里所用的箝位电压应该是电压幅值在几百毫伏左右的信号，所以要对555定时器产生的信号幅度进行调节，555定时器产生的方波信号经过电阻R3和稳压管D1后，在D1两端输出稳定的2.4V电压，再在这个电压两端并联一个电位器R4，从它的滑动端取出电压作为箝位电压，这样即可对箝位电压进行灵活地调节，从而得到需要的幅度，产生的方波周期可通过调节电位器R2在14ms-154ms之间变化。