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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應用到了各種疾病的診斷治療、藥物作用、環境對細胞膜離子通道的影響以及經絡研究等多個領域，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，現在國內外有多個單位在從事膜片鉗系統的開發與研究，其中包括德國HEKA公司生產的EPC系列、美國Axon公司生產的200B系列和國內華中科技大學研發的PC-II型膜片儀等，這些產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現信號的采集，并在PC機安裝專用的軟件實現快慢電容和串聯電阻補償的調節以及采集到的電流信號的顯示。不過這些產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，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行通訊，這里的通訊是采用紅外傳輸方式實現的，用串口驅動紅外發射器實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、提高穩定性、縮短開發時間、提高性價比、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、質量高的特點。 2 系統結構 為了實現信號的采集和顯示，系統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個主要模塊。圖1給出了系統的功能框圖。 由圖1可知，經過電極采到的離子通道電流信號經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，另外也可以實現采集信號的存儲和傳輸，按鍵模塊可以友好、方便的實現多種操作功能的控制。 3 系統硬件設計 3.1 控制模塊--單片機系統ADuC841 ADuC841內部集成了8052微處理器的內核，并提供了很大的存儲空間，如64KB的Flash/EEPROM程序空間、8KB的Flash/EEPROM數據空間、以及2304B的數據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位模數轉換器（其轉換速率最高可達420kS/s），15×10-6℃的精密內部電壓參考源，DMA方式控制器，2個12位的電壓輸出數模轉換器、2個脈寬調制輸出、一個溫度傳感器使用這些模塊、可以方便地實現與前級傳感器的接口，也可以有效地控制后級電路。其他的片上外設主要有UART、SPI以及I2C接口、時間間隔計數器，看門狗定時器和電源監視器等，這些模塊可以便捷地實現與其他單片機或PC機通訊（此時需電平轉換電路），還可以有效地保障單片機電源的正常工作和程序的正常運行。 圖2給出了ADuC841的功能方框圖，此外，ADuC841采用了1個時鐘周期一個指令的結構，大大地提高了程序的運行速度，減少了功耗，選用具有豐富資源的高性能單片機系統ADuC841作為控制核心，可以簡化教學系統硬件電路設計，降低成本，提高輸出波形的穩定性和質量，操作方便，編程簡易。 3.2 箝位電壓發生器 監測細胞膜離子通道電流有電壓箝位和電流箝位兩種方法，筆者采用的是電壓箝位的方法，即在I-V轉換器的同相輸入端接入一個箝位電壓，把細胞膜電位箝制在一個固定的電壓值，這個電壓的幅值在幾十到幾百毫伏范圍內，脈沖時間10ms-50ms。圖3給出了箝位電壓發生器的電路，電路中采用555定時器構成多諧振蕩的方式來實現方波， 555定時器直接產生的方波信號幅值接近電源電壓，而這里所用的箝位電壓應該是電壓幅值在幾百毫伏左右的信號，所以要對555定時器產生的信號幅度進行調節，555定時器產生的方波信號經過電阻R3和穩壓管D1后，在D1兩端輸出穩定的2.4V電壓，再在這個電壓兩端并聯一個電位器R4，從它的滑動端取出電壓作為箝位電壓，這樣即可對箝位電壓進行靈活地調節，從而得到需要的幅度，產生的方波周期可通過調節電位器R2在14ms-154ms之間變化。 3.3 微電流采集放大與阻容補償 膜片鉗放大器最主要的部分是電流的采集、I-V轉換和放大以及各種補償電路，由于測量的是電流信號，所以要首先把電流轉換為電壓，由于細胞膜離子通道電流非常微弱，僅為幾個皮安，所以對電流電壓轉換部分所用放大器的性能要求比較高，要求它具有很高的輸入阻抗和很低的偏置電流，為滿足上面的要求，本文選用ADI公司生產的高精度、低功耗、滿擺幅放大器AD8627，它是單運放、具有極低的偏置電流（最大1pA）；用5V-26V單電源供電或±2.5V-±13V電壓供電；最大失調電壓為500μV。圖4給出了電路的具體實現方法。 當使用膜片鉗放大器對細胞膜離子通道電流進行記錄時，由于電極輸入端存在雜散的電極電容Cp、細胞膜電容Cm和電極輸入端至細胞膜之間的串聯電阻Rs，因此給箝制電壓Vc端施加階躍電壓時，必將引起Cp、Cm的暫態充電電流和Rs上的壓降，其充電電流通過電阻Rf，導通輸出電壓產生動態誤差，同時可能使放大器飽和，導致不能正常工作，為校正這些誤差，必須采取相應的補償措施。圖5給出了阻容補償電路的電路圖，該電路中的放大器均采用ADI公司的OP4177，OP4177內部集成了四個運放，采用5V供電，可以和電路的其他部分統一供電，它的失調電壓為60μV、偏置電流為2nA，噪聲低，能夠滿足設計要求。 其中電極電位Vp是串聯電阻補償信號V1與修正后的控制電壓10Vc'之和經過兩個電阻組成的1/10衰減電路實現的。A6輸出的電壓經一個電位器后進入跟隨器。然后通過1pF的電容實現快電容補償，其中電位器可以實現補償的調節，使電路靈活方便，慢電容補償信號是Vc'經過由A3、A4和A5組成的狀態變量環而獲得，預測注入電流在Rs上產生的誤差電壓V2也由狀態變量環得到，并與控制電壓Vc通過A2相加。由于正反饋的作用，由A2經過狀態變量環，產生與Vc相對應的過沖電壓Vc'，從而實現超量充電作用，同時，慢電容的補償電路還實現串聯電阻誤差的預測，從電流檢測輸出端輸出的電壓經A1后又經過預測電路的同步調節實現了串聯電阻的補償，快電容和慢電容補償電路均示于圖5中，分別通過各自的電流注入電容器與電極入端相連。 3.4 液晶顯示模塊 本系統選擇北京青云公司生產的圖形液晶模塊LCM3202401，它具有320×320的點陣，采用SED1335作為控制器，可以實現圖形和本文兩種顯示方式，液晶模塊直接通過ADuC841進行控制，控制接口電路在圖6中給出。 SED1335具有很強大的功能，MPU訪問SED1335時不需要判斷它是否"忙"，SED1335隨時準備接收MPU的訪問并在內部時序下及時地把MPU發來的指令、數據傳輸就位。SED1335控制器包括接口部分、內部控制部分和驅動部分。控制部分可以管理64K顯示RAM，管理內置的字符發生器及外擴的字符發生器CGRAM或EXCGROM。SED1335將64K顯示RAM分成文本顯示特性、圖形顯示特性、SED1335管理內置字符發生器CGROM幾種顯示特性區。SED1335有13條指令，多數指令帶有參數，參數值由用戶根據所控制的液晶顯示模塊的需要自行設置。 液晶可以比較方便地實現文字和波形的顯示。文字顯示時用字模生成工具生成要顯示的文字字模，給定顯示區的首地址和光標的移動方式就可以方便地實現顯示。波形的顯示需要對數據進行變換和處理，由于液晶為320行，所以大量顯示的數字為320，因此首先要把采集的數據變換到該范圍內，并且顯示時還應對數據進行一些處理以及前后數據的比較才能實現完整波形的顯示。 3.5 按鍵模塊及菜單界面 快捷的按鍵、友好的菜單極大的方便了系統的操作，系統中提供了三個按鍵，對應于液晶顯示屏上的相關菜單，每一級菜單提供給使用者簡單的提示，方便使用，因而只需要在菜單的提示下按一鍵（有A、B、C三個鍵）便可以完成所需要的操作。 本系統采用的是獨立式按鍵，直接用I/O接口線構成單個按鍵電路，每個按鍵單獨占有一根I/O接口線，且其工作狀態不會影響其他I/O接口線的工作狀態，控制接口線分別用P1.2，P1.3和P1.4進行控制，按鍵輸入為高電平有效。 在使用過程當中，每個按鍵和液晶菜單相聯系，本系統目前設計是一個按鍵對應一個功能，進一步的設計將實現單一按鍵上實現不同的功能，這樣簡單的獨立式按鍵電路便不能滿足設計需要，必須使用軟按鍵輪詢技術，軟按鍵輪詢技術是將菜單和按鍵組合在一起的用戶界面新技術，該技術使得用戶可以在單一的功能鍵上進行多種選擇，也就是說，每個按鍵可以和一個命令菜單或參數菜單相聯系，用戶可以通過按合適的按鍵來選擇所需要的命令，也就是采用按鍵嵌套的方法來使同一按鍵實現不同的功能。 4 系統軟件設計 本系統軟件主要是完成單片機對前面得到的模擬信號的采集、存儲、原有數據的回放、系統和PC機的通訊并且控制液晶和按鍵實現人機交互、方便操作，軟件設計是整個膜片鉗放大器設計中十分重要的一環，任務的調度，資源的分配，中斷的安排等都是軟件設計中應予以重視的環節，為了達到性能的要求，并使程序具有良好的可維護性和可擴展性，系統軟件設計采用模塊化結構，主要分為測量模塊、打印模塊和無線傳輸模塊。圖7給出了系統的軟件流程圖，系統采用中文菜單友好用戶界面，便于操作。開機后首先對系統進行初始化，然后顯示主菜單，延時5秒后再顯示各功能菜單，功能菜單包括原有數據的回放、實時采樣顯示和紅外線傳輸三個部分。 5 結束語 本文設計的電路適用于微電流信號的采集、模擬電路部分使用低噪聲的AD8627實現電流電壓的轉換，后級的阻容補償電路等靈活地進行電阻和電容的補償，采用功能強大的ADuC841單片機作為整個系統的控制核心，數字部分的硬件電路必須簡潔，ADuC841有著豐富的外圍模塊，容易實現低頻數據信號的采集、處理，與液晶模塊配合后可以實現友好的人機交互功能。 |
