自动量程控制在DNA电化学信号采集仪中的应用
时间：2010-03-22 12:19:33
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[导读]本文介绍了以DSP为核心的DNA电化学信号采集仪，重点讲述了其中自动量程控制系统的设计。自动量程控制的方式拓展了由DNA生化反应引起的电流信号的检测范围，并且提高了采样的准确性，达到了仪器的宽检测范围、高精度等性能要求。
0 引 言
DNA电化学信号采集仪是基于电化学分析技术设计的诊断仪器。电化学分析技术是当前测定DNA序列的热点，它相对于表面分析技术、凝胶电泳技术、微量热法、毛细管电泳法、电化学分析技术和化学发光分析技术等有较大优势。本设计采用循环伏安法检测DNA生化反应产生的电流，从而对急性早幼粒细胞白血病(APL)和慢性粒细胞白血病(慢粒CML)作出早期诊断。采集仪具有小型化、集成化及原位、在体、实时、在线的检测等特点。
电化学方法的检测体系一般为三电极体系：工作电极为金电极，其上面固定着DNA片段和用于检测的电活性杂交指示剂；参比电极为银／氯化银电极；辅助电极为铂电极。
一般情况下，使用CHI660C并选择循环伏安法做电化学实验，需要设置其灵敏度，一旦灵敏度设置不恰当，就会影响检测效果。因此，为了提高电流信号的检测精度，DNA电化学信号采集仪需要具备自动控制灵敏度的功能。
本文首先简单介绍了自制的DNA电化学信号采集仪的整体框架、功能及性能，然后详细阐述了自动量程控制系统在信号采集模块中的应用，并给出了相应的硬件和软件设计方案。
1 系统设计
整个DNA电化学信号采集仪主要由四个模块构成，如图1所示。
处理器模块 这部分采用TI公司的DSP处理器TMS320F2806，主要负责对信号发生模块和信号采集模块的控制，同时，对采集到的信号进行处理，并发送给上位机。
信号发生模块 包括16位D／A、低通滤波和恒电位仪。该模块在DSP的控制下，根据选择的电化学检测方法，产生相应的波形信号。
信号采集模块 包括I／V转换电路、自动量程控制电路、电压调整电路、低通滤波电路和16位A／D。其功能是采集电化学反应池中的电流信号。
电化学反应池模块 为三电极体系的电化学反应提供场所，并将反应中产生的电流信号传送给信号采集模块。
2 自动量程控制系统的设计
2.1 自动量程控制系统的设计要求
考虑到一般电化学反应产生的电流信号范围为1.0×10-7～1.0×10-3A，所以就要求DNA电化学信号采集仪中信号采集部分的电路能检测此范围的电流信号，并且抗干扰性要强，噪声和信号失真要低。此外，信号采集电路还需要具有数控式快速精确调档的功能，能根据一定的条件自动调整灵敏度，即自动升档或降档。
一般情况下，应使被转换量在A／D转换线性区之内，尽可能使模拟量在1／2满度～接近满度的区域中转换，即根据未知参数量值的范围，自动选择合适的灵敏度。
2.2 自动量程控制系统的设计
智能化DNA电化学信号采集仪是通过自动切换量程实现I／V转换的。其原理如下：
式中：I测量表示待测的电流信号；K表示采样的灵敏度；V偏置表示某一恒定的偏置电压；VREF表示A／D的参考电压；S表示A／D采样的数字信号值；n表示A／D转换器的转换位数。
在设计电路之前，可以根据实际需求，来确定量程及切换量程的条件，再检查在此条件下，电流范围及精度是否达到了要求。
2.2.1 量程的确定
根据自动量程控制系统的设计要求，决定将仪器的量程设为4档，相邻档之间的灵敏度K相差10倍，则4档对应的I／V转换电阻分别为1 MΩ，100 kΩ，10 kΩ和1 kΩ。具体的设计如表1所示。
2.2.2 切换量程条件的确定
由于待测电流有正负之分，即方向不同，所以I／V转换后的电压也有正负之区别。本设计中，16位A／D的采集电压的范围是0～4.096 V，因此增加了一个2.5 V的偏置电压，使得A／D采集的电压范围改变为-2.5～+1.596 V。下面分别确定上限和下限换档的条件。
上限换档 当电压信号靠近A／D满量程，或者信号较小时，A／D采样就会发生失真，所以，本设计以(2.5±1.5)V作为A／D输入的上限值，即1.0 V和4.0 V，两者分别是负的和正的可测电压的上限值。如果A／D的采样电压值小于1.0 V或者大于4.0 V，那么就超出了此档的量程，就要向上升一档。
下限换档 各档之间灵敏度的比值为10，所以，从理论上讲，换档的下限值应该为(2.5±1.5／10)V，但为了防止测量系统频繁的量程切换，本设计增加了一个0.1 V宽度的换档衔接区，所以其下限值为(2.5±(1.5-0.1)／10)V，即2.36 V和2.64 V，两者分别是负的和正的可测电压下限值。如果电压值在2.36～2.64 V之间，那么就超出了此档的量程，就要向下降一档。
从A／D的采样值S的角度来看，它的换档条件可总结如表2所示。
2.2.3 测量电流范围及精度的计算
在本设计中，采用16位A／D芯片，得n=16，VREF=4.096 V，V偏置=2.5 V。所以，由式(1)可知，I测量与S之间必然存在一个对应的关系式：
由表2知，S的范围为0x3E80～0x9380和0xA500～0xFA00，则可由式(2)得出每一档的I测量的范围，及其对应的电流精度，如表3所示。由此表可见，测量电流的范围及精度基本上满足了仪器的要求。
2.3 硬件电路的设计
本设计利用处理器控制两片数字电位器，从而调整I／V转换的灵敏度，继而实现了信号采集的自动量程控制。数字电位器亦称数控电阻器，任何需要用电阻来进行参数调整校准或控制的场合，都可使用数字电位器构成可编程模拟电路。本设计将AD5242作为粗调电位器，其最大阻值能达到1 MΩ，共256个抽头。同时，将AD5254作为微调电位器，其最大阻值为10 kΩ，共256个抽头。AD5242和AD5254的电路设计框图如图2所示。
对于这两类数字电位器而言，W与B之间的电阻阻值为：RWB(D)=(D／256)RAB+RW。其中，D表示输入的8位二进制码，范围是0～255；RAB是指A和B两端之间的电阻；RW是滑动端由于内部开关而引起的电阻。
如图2所示，对于AD5242，RW1B1=(D／256)×1+60；对于AD5254，RW2B2=(D／256)×10+75；W1和W2之间的电阻RW1W2=RW1B1+RW2B2。各个量程的具体设计见表4。
2.4 软件设计
自动量程控制系统的软件设计如图3所示。其具体工作过程如下：
当A／D采样值S超出了量程上限或下限，则先判断当前量程是否达到了最高档或最低档量程，若没有达到，则向上或向下换档，然后重新采样；否则，就说明信号超出了检测的范围。
如果S处于当前档量程范围内，则处理器就会把采样值保存下来并发送给上位机，结束一次采样。
3实验结果及分析
对于微安级的小电流，在各个量程档的检测结果如图4所示，当K=1e-006 A／V(1档)时，数据的线性度最好，最准确；而随着档级的逐渐升高，数据的线性度越来越差。所以，本仪器将灵敏度K自动设置为1档，检测结果与图4中的1一致，从而实现了自动量程控制的效果，无需手动设置灵敏度。图中I为电流；U为扫描电压。
对于毫安级的电流，在各个量程档的检测结果如图5所示。当K=1e-003 A／V(4档)时，可采集到所有电流信号，且数据比较准确；而随着档级的降低，电流信号逐渐超出了检测范围，但在可检测的范围内线性度较好。对于此信号，随着电流信号接近零，本仪器的灵敏度K将从4档逐渐转到1档，然后又随着电流的增大逐渐转到1档，从而实现了自动量程控制，效果如图5中的4所示。
由实验可知，自动量程控制系统避免了手动设置灵敏度，实现了量程档的自动调节，实现了电流信号的宽范围的准确检测。
4结 语
本文介绍了以DSP为核心的DNA电化学信号采集仪，重点讲述了其中自动量程控制系统的设计。自动量程控制的方式拓展了由DNA生化反应引起的电流信号的检测范围，并且提高了采样的准确性，达到了仪器的宽检测范围、高精度等性能要求。
DNA电化学信号采集仪是基于电化学分析技术设计的诊断仪器。电化学分析技术是当前测定DNA序列的热点，它相对于表面分析技术、凝胶电泳技术、微量热法、毛细管电泳法、电化学分析技术和化学发光分析技术等有较大优势。本设计采用循环伏安法检测DNA生化反应产生的电流，从而对急性早幼粒细胞白血病(APL)和慢性粒细胞白血病(慢粒CML)作出早期诊断。采集仪具有小型化、集成化及原位、在体、实时、在线的检测等特点。
电化学方法的检测体系一般为三电极体系：工作电极为金电极，其上面固定着DNA片段和用于检测的电活性杂交指示剂；参比电极为银／氯化银电极；辅助电极为铂电极。
一般情况下，使用CHI660C并选择循环伏安法做电化学实验，需要设置其灵敏度，一旦灵敏度设置不恰当，就会影响检测效果。因此，为了提高电流信号的检测精度，DNA电化学信号采集仪需要具备自动控制灵敏度的功能。
本文首先简单介绍了自制的DNA电化学信号采集仪的整体框架、功能及性能，然后详细阐述了自动量程控制系统在信号采集模块中的应用，并给出了相应的硬件和软件设计方案。
1 系统设计
整个DNA电化学信号采集仪主要由四个模块构成，如图1所示。
处理器模块 这部分采用TI公司的DSP处理器TMS320F2806，主要负责对信号发生模块和信号采集模块的控制，同时，对采集到的信号进行处理，并发送给上位机。
信号发生模块 包括16位D／A、低通滤波和恒电位仪。该模块在DSP的控制下，根据选择的电化学检测方法，产生相应的波形信号。
信号采集模块 包括I／V转换电路、自动量程控制电路、电压调整电路、低通滤波电路和16位A／D。其功能是采集电化学反应池中的电流信号。
电化学反应池模块 为三电极体系的电化学反应提供场所，并将反应中产生的电流信号传送给信号采集模块。
2 自动量程控制系统的设计
2.1 自动量程控制系统的设计要求
考虑到一般电化学反应产生的电流信号范围为1.0×10-7～1.0×10-3A，所以就要求DNA电化学信号采集仪中信号采集部分的电路能检测此范围的电流信号，并且抗干扰性要强，噪声和信号失真要低。此外，信号采集电路还需要具有数控式快速精确调档的功能，能根据一定的条件自动调整灵敏度，即自动升档或降档。
一般情况下，应使被转换量在A／D转换线性区之内，尽可能使模拟量在1／2满度～接近满度的区域中转换，即根据未知参数量值的范围，自动选择合适的灵敏度。
2.2 自动量程控制系统的设计
智能化DNA电化学信号采集仪是通过自动切换量程实现I／V转换的。其原理如下：
式中：I测量表示待测的电流信号；K表示采样的灵敏度；V偏置表示某一恒定的偏置电压；VREF表示A／D的参考电压；S表示A／D采样的数字信号值；n表示A／D转换器的转换位数。
在设计电路之前，可以根据实际需求，来确定量程及切换量程的条件，再检查在此条件下，电流范围及精度是否达到了要求。
2.2.1 量程的确定
根据自动量程控制系统的设计要求，决定将仪器的量程设为4档，相邻档之间的灵敏度K相差10倍，则4档对应的I／V转换电阻分别为1 MΩ，100 kΩ，10 kΩ和1 kΩ。具体的设计如表1所示。
2.2.2 切换量程条件的确定
由于待测电流有正负之分，即方向不同，所以I／V转换后的电压也有正负之区别。本设计中，16位A／D的采集电压的范围是0～4.096 V，因此增加了一个2.5 V的偏置电压，使得A／D采集的电压范围改变为-2.5～+1.596 V。下面分别确定上限和下限换档的条件。
上限换档 当电压信号靠近A／D满量程，或者信号较小时，A／D采样就会发生失真，所以，本设计以(2.5±1.5)V作为A／D输入的上限值，即1.0 V和4.0 V，两者分别是负的和正的可测电压的上限值。如果A／D的采样电压值小于1.0 V或者大于4.0 V，那么就超出了此档的量程，就要向上升一档。
下限换档 各档之间灵敏度的比值为10，所以，从理论上讲，换档的下限值应该为(2.5±1.5／10)V，但为了防止测量系统频繁的量程切换，本设计增加了一个0.1 V宽度的换档衔接区，所以其下限值为(2.5±(1.5-0.1)／10)V，即2.36 V和2.64 V，两者分别是负的和正的可测电压下限值。如果电压值在2.36～2.64 V之间，那么就超出了此档的量程，就要向下降一档。
从A／D的采样值S的角度来看，它的换档条件可总结如表2所示。
2.2.3 测量电流范围及精度的计算
在本设计中，采用16位A／D芯片，得n=16，VREF=4.096 V，V偏置=2.5 V。所以，由式(1)可知，I测量与S之间必然存在一个对应的关系式：
由表2知，S的范围为0x3E80～0x9380和0xA500～0xFA00，则可由式(2)得出每一档的I测量的范围，及其对应的电流精度，如表3所示。由此表可见，测量电流的范围及精度基本上满足了仪器的要求。
2.3 硬件电路的设计
本设计利用处理器控制两片数字电位器，从而调整I／V转换的灵敏度，继而实现了信号采集的自动量程控制。数字电位器亦称数控电阻器，任何需要用电阻来进行参数调整校准或控制的场合，都可使用数字电位器构成可编程模拟电路。本设计将AD5242作为粗调电位器，其最大阻值能达到1 MΩ，共256个抽头。同时，将AD5254作为微调电位器，其最大阻值为10 kΩ，共256个抽头。AD5242和AD5254的电路设计框图如图2所示。
对于这两类数字电位器而言，W与B之间的电阻阻值为：RWB(D)=(D／256)RAB+RW。其中，D表示输入的8位二进制码，范围是0～255；RAB是指A和B两端之间的电阻；RW是滑动端由于内部开关而引起的电阻。
如图2所示，对于AD5242，RW1B1=(D／256)×1+60；对于AD5254，RW2B2=(D／256)×10+75；W1和W2之间的电阻RW1W2=RW1B1+RW2B2。各个量程的具体设计见表4。
2.4 软件设计
自动量程控制系统的软件设计如图3所示。其具体工作过程如下：
当A／D采样值S超出了量程上限或下限，则先判断当前量程是否达到了最高档或最低档量程，若没有达到，则向上或向下换档，然后重新采样；否则，就说明信号超出了检测的范围。
如果S处于当前档量程范围内，则处理器就会把采样值保存下来并发送给上位机，结束一次采样。
3实验结果及分析
对于微安级的小电流，在各个量程档的检测结果如图4所示，当K=1e-006 A／V(1档)时，数据的线性度最好，最准确；而随着档级的逐渐升高，数据的线性度越来越差。所以，本仪器将灵敏度K自动设置为1档，检测结果与图4中的1一致，从而实现了自动量程控制的效果，无需手动设置灵敏度。图中I为电流；U为扫描电压。
对于毫安级的电流，在各个量程档的检测结果如图5所示。当K=1e-003 A／V(4档)时，可采集到所有电流信号，且数据比较准确；而随着档级的降低，电流信号逐渐超出了检测范围，但在可检测的范围内线性度较好。对于此信号，随着电流信号接近零，本仪器的灵敏度K将从4档逐渐转到1档，然后又随着电流的增大逐渐转到1档，从而实现了自动量程控制，效果如图5中的4所示。
由实验可知，自动量程控制系统避免了手动设置灵敏度，实现了量程档的自动调节，实现了电流信号的宽范围的准确检测。
4结 语
本文介绍了以DSP为核心的DNA电化学信号采集仪，重点讲述了其中自动量程控制系统的设计。自动量程控制的方式拓展了由DNA生化反应引起的电流信号的检测范围，并且提高了采样的准确性，达到了仪器的宽检测范围、高精度等性能要求。
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