基于ADuC841的膜片钳放大器的设计

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。

3.3 微电流采集放大与阻容补偿

    膜片钳放大器最主要的部分是电流的采集、I-V转换和放大以及各种补偿电路，由于测量的是电流信号，所以要首先把电流转换为电压，由于细胞膜离子通道电流非常微弱，仅为几个皮安，所以对电流电压转换部分所用放大器的性能要求比较高，要求它具有很高的输入阻抗和很低的偏置电流，为满足上面的要求，本文选用ADI公司生产的高精度、低功耗、满摆幅放大器AD8627，它是单运放、具有极低的偏置电流（最大1pA）；用5V-26V单电源供电或±2.5V-±13V电压供电；最大失调电压为500μV。图4给出了电路的具体实现方法。

    当使用膜片钳放大器对细胞膜离子通道电流进行记录时，由于电极输入端存在杂散的电极电容Cp、细胞膜电容Cm和电极输入端至细胞膜之间的串联电阻Rs，因此给箝制电压Vc端施加阶跃电压时，必将引起Cp、Cm的暂态充电电流和Rs上的压降，其充电电流通过电阻Rf，导通输出电压产生动态误差，同时可能使放大器饱和，导致不能正常工作，为校正这些误差，必须采取相应的补偿措施。图5给出了阻容补偿电路的电路图，该电路中的放大器均采用ADI公司的OP4177，OP4177内部集成了四个运放，采用5V供电，可以和电路的其他部分统一供电，它的失调电压为60μV、偏置电流为2nA，噪声低，能够满足设计要求。

    其中电极电位Vp是串联电阻补偿信号V1与修正后的控制电压10Vc'之和经过两个电阻组成的1/10衰减电路实现的。A6输出的电压经一个电位器后进入跟随器。然后通过1pF的电容实现快电容补偿，其中电位器可以实现补偿的调节，使电路灵活方便，慢电容补偿信号是Vc'经过由A3、A4和A5组成的状态变量环而获得，预测注入电流在Rs上产生的误差电压V2也由状态变量环得到，并与控制电压Vc通过A2相加。由于正反馈的作用，由A2经过状态变量环，产生与Vc相对应的过冲电压Vc'，从而实现超量充电作用，同时，慢电容的补偿电路还实现串联电阻误差的预测，从电流检测输出端输出的电压经A1后又经过预测电路的同步调节实现了串联电阻的补偿，快电容和慢电容补偿电路均示于图5中，分别通过各自的电流注入电容器与电极入端相连。

3.4 液晶显示模块

    本系统选择北京青云公司生产的图形液晶模块LCM3202401，它具有320×320的点阵，采用SED1335作为控制器，可以实现图形和本文两种显示方式，液晶模块直接通过ADuC841进行控制，控制接口电路在图6中给出。

    SED1335具有很强大的功能，MPU访问SED1335时不需要判断它是否"忙"，SED1335随时准备接收MPU的访问并在内部时序下及时地把MPU发来的指令、数据传输就位。SED1335控制器包括接口部分、内部控制部分和驱动部分。控制部分可以管理64K显示RAM，管理内置的字符发生器及外扩的字符发生器CGRAM或EXCGROM。SED1335将64K显示RAM分成文本显示特性、图形显示特性、SED1335管理内置字符发生器CGROM几种显示特性区。SED1335有13条指令，多数指令带有参数，参数值由用户根据所控制的液晶显示模块的需要自行设置。

    液晶可以比较方便地实现文字和波形的显示。文字显示时用字模生成工具生成要显示的文字字模，给定显示区的首地址和光标的移动方式就可以方便地实现显示。波形的显示需要对数据进行变换和处理，由于液晶为320行，所以大量显示的数字为320，因此首先要把采集的数据变换到该范围内，并且显示时还应对数据进行一些处理以及前后数据的比较才能实现完整波形的显示。

3.5 按键模块及菜单界面

    快捷的按键、友好的菜单极大的方便了系统的操作，系统中提供了三个按键，对应于液晶显示屏上的相关菜单，每一级菜单提供给使用者简单的提示，方便使用，因而只需要在菜单的提示下按一键（有A、B、C三个键）便可以完成所需要的操作。
 
    本系统采用的是独立式按键，直接用I/O接口线构成单个按键电路，每个按键单独占有一根I/O接口线，且其工作状态不会影响其他I/O接口线的工作状态，控制接口线分别用P1.2，P1.3和P1.4进行控制，按键输入为高电平有效。

    在使用过程当中，每个按键和液晶菜单相联系，本系统目前设计是一个按键对应一个功能，进一步的设计将实现单一按键上实现不同的功能，这样简单的独立式按键电路便不能满足设计需要，必须使用软按键轮询技术，软按键轮询技术是将菜单和按键组合在一起的用户界面新技术，该技术使得用户可以在单一的功能键上进行多种选择，也就是说，每个按键可以和一个命令菜单或参数菜单相联系，用户可以通过按合适的按键来选择所需要的命令，也就是采用按键嵌套的方法来使同一按键实现不同的功能。

4 系统软件设计

    本系统软件主要是完成单片机对前面得到的模拟信号的采集、存储、原有数据的回放、系统和PC机的通讯并且控制液晶和按键实现人机交互、方便操作，软件设计是整个膜片钳放大器设计中十分重要的一环，任务的调度，资源的分配，中断的安排等都是软件设计中应予以重视的环节，为了达到性能的要求，并使程序具有良好的可维护性和可扩展性，系统软件设计采用模块化结构，主要分为测量模块、打印模块和无线传输模块。图7给出了系统的软件流程图，系统采用中文菜单友好用户界面，便于操作。开机后首先对系统进行初始化，然后显示主菜单，延时5秒后再显示各功能菜单，功能菜单包括原有数据的回放、实时采样显示和红外线传输三个部分。

5 结束语

    本文设计的电路适用于微电流信号的采集、模拟电路部分使用低噪声的AD8627实现电流电压的转换，后级的阻容补偿电路等灵活地进行电阻和电容的补偿，采用功能强大的ADuC841单片机作为整个系统的控制核心，数字部分的硬件电路必须简洁，ADuC841有着丰富的外围模块，容易实现低频数据信号的采集、处理，与液晶模块配合后可以实现友好的人机交互功能。