作者：天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院 石艷麗 李剛 林

    摘要：為降低成本和解決現(xiàn)有膜片鉗放大器系統(tǒng)中pc機(jī)的干擾問(wèn)題，研究了一種新型的膜片鉗放大器系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可以單獨(dú)作為小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采集和顯示，也可以通過(guò)紅外方式和pc機(jī)進(jìn)行通訊。

    關(guān)鍵詞：離子通道電流；電阻電容補(bǔ)償；膜片鉗

    引言

    膜片鉗是細(xì)胞膜離子通道電流檢測(cè)的重要工具。1976年neher和sakmann發(fā)明了膜片鉗技術(shù)。1980年以來(lái)此項(xiàng)技術(shù)已可用于很多細(xì)胞系的研究。目前，細(xì)胞膜離子通道的研究已經(jīng)應(yīng)用到了各種疾病的診斷治療、藥物作用、環(huán)境對(duì)細(xì)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(cè)量工具的膜片鉗技術(shù)也就得到了越來(lái)越多的重視。已有的產(chǎn)品基本上都是由前部的模擬電路完成電流信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換和放大，在計(jì)算機(jī)上安裝數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集，并在pc機(jī)安裝專用的軟件實(shí)現(xiàn)快慢電容和串聯(lián)電阻補(bǔ)償?shù)恼{(diào)節(jié)以及采集到的電流信號(hào)的顯示。不過(guò)這些產(chǎn)品的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(tǒng)和pc機(jī)直接相連，所以pc機(jī)帶來(lái)的干擾非常大。

    為了解決上述問(wèn)題，我們研究了一種新型的膜片鉗放大器。本系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)兩個(gè)部分，下位機(jī)是一個(gè)單片機(jī)為控制核心的采集系統(tǒng)，可以單獨(dú)工作完成微電流信號(hào)的采集、放大、電容和電阻的補(bǔ)償以及波形的顯示和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。另外下位機(jī)還可以和上位機(jī)進(jìn)行通訊，通訊是采用紅外傳輸?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)的，用串口驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射器實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通訊。上位機(jī)主要完成把下位機(jī)傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行處理和分析。

    系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、顯示以及傳輸，系統(tǒng)具有以下的幾個(gè)基本功能：

    ·離子通道電流的采集和放大

    ·鉗位電壓發(fā)生器

    ·電阻電容補(bǔ)償

    ·模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換

    ·人機(jī)界面

    ·系統(tǒng)和pc機(jī)通訊

    為實(shí)現(xiàn)上述功能要求，系統(tǒng)主要分為微電流的采集和放大、鉗位電壓發(fā)生器、電阻電容補(bǔ)償電路、adμc841控制核心、液晶顯示模塊lcm3202401及按鍵控制、系統(tǒng)和pc機(jī)之間通訊六個(gè)主要模塊。圖1給出了系統(tǒng)的功能框圖。

    圖1 膜片鉗放大器系統(tǒng)功能框圖

    由圖1可知，經(jīng)過(guò)電極得到的離子通道電流信號(hào)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(bǔ)償以后進(jìn)入單片機(jī)的a/d轉(zhuǎn)換部分把模擬信號(hào)數(shù)字化，采集到的信號(hào)同時(shí)送到液晶顯示器進(jìn)行顯示。另外也可以實(shí)現(xiàn)采集信號(hào)的存儲(chǔ)和傳輸。按鍵模塊可以友好、方便的實(shí)現(xiàn)多種操作功能的控制。

    系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    控制模塊—單片機(jī)系統(tǒng)admc841

    admsc841是adi公司新近推出一款單片機(jī)，它的內(nèi)部集成了8052微處理器的內(nèi)核，并提供了很大的存儲(chǔ)空間。此外，該芯片還集成了許多的外圍部件。其中精確、高速的8通道12位模數(shù)轉(zhuǎn)換(其轉(zhuǎn)換速率最高可達(dá)420ksps)，可以方便地實(shí)現(xiàn)與前級(jí)傳感器的接口；uart、spi、i2c通訊接口、時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器以及看門狗定時(shí)器和電源監(jiān)視器等，這些模塊可以便捷地實(shí)現(xiàn)與其他單片機(jī)或pc機(jī)(此時(shí)需電平轉(zhuǎn)換電路)通訊，還可以有效地保障單片機(jī)電源的正常工作和程序的正常運(yùn)行。

    鉗位電壓發(fā)生器

    監(jiān)測(cè)細(xì)胞膜離子通道電流有電壓鉗位和電流鉗位兩種方法，我們采用的是電壓鉗位的方法，即在i-v 轉(zhuǎn)換器的同相輸入端接入一個(gè)鉗位電壓，把細(xì)胞膜電位鉗制在一個(gè)固定的電壓值。這個(gè)電壓的幅值在幾十到幾百mv 范圍內(nèi)，脈沖時(shí)間10~50ms。圖2 給出了鉗位電壓發(fā)生器的電路。電路中采用的是555 構(gòu)成多諧