基于A(yíng)DuC841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(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(lái)此技術(shù)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(luò )研究等多個(gè)領(lǐng)域，因此，作為其測量工具的膜片鉗技術(shù)也就得到了越來(lái)越多的重視，現在國內外有多個(gè)單位在從事膜片鉗系統的開(kāi)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的采集、轉換和放大，在計算機上安裝數據采集卡實(shí)現信號的采集，并在PC機安裝專(zhuān)用的軟件實(shí)現快慢電容和串聯(lián)電阻補償的調節以及采集到的電流信號的顯示。不過(guò)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(wàn)到幾十萬(wàn)之間，更重要的是，由于模擬采集系統和PC機直接相連，所以PC機帶來(lái)的干擾非常大，對抗干擾性能的要求很高。

    為了解決上述問(wèn)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(gè)部分，下位機是一個(gè)以單片機為控制核心的采集系統，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據的存儲，另外下位機還可以和上位機進(jìn)行通訊，這里的通訊是采用紅外傳輸方式實(shí)現的，用串口驅動(dòng)紅外發(fā)射器實(shí)現上位機和下位機的通訊，上位機主要是對下位機傳輸的信號進(jìn)行處理和分析。

    本系統的控制核心是美國ADI公司的一款高性能數據采集與處理系統器件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(diǎn)，是一款性?xún)r(jià)比很高的單片機，可極大的簡(jiǎn)化硬件電路設計、提高穩定性、縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間、提高性?xún)r(jià)比、從而使系統具有操作方便、成本低、體積小、輸出波形穩定性好、質(zhì)量高的特點(diǎn)。

2 系統結構

    為了實(shí)現信號的采集和顯示，系統具有以下幾個(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）電阻電容補償；

（4）模擬信號到數字信號的轉換；

（5）友好的人機界面；

（6）系統和PC機的通訊。

    為實(shí)現上述功能要求，系統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、系統和PC機之間通訊6個(gè)主要模塊。圖1給出了系統的功能框圖。

    由圖1可知，經(jīng)過(guò)電極采到的離子通道電流信號經(jīng)過(guò)微電流采集和放大，同時(shí)進(jìn)行電阻和電容的補償以后進(jìn)入單片機的A/D轉換部分，把模擬信號數字化，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)現采集信號的存儲和傳輸，按鍵模塊可以友好、方便的實(shí)現多種操作功能的控制。