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。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(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(xiàn)在國內(nèi)外有多個單位在從事膜片鉗系統(tǒng)的開發(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(nèi)華中科技大學研發(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(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)信號的采集，并在PC機安裝專用的軟件實現(xiàn)快慢電容和串聯(lián)電阻補償?shù)恼{節(jié)以及采集到的電流信號的顯示。不過這些產(chǎn)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(tǒng)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(tǒng)，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(shù)據(jù)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(xiàn)的，用串口驅動紅外發(fā)射器實現(xiàn)上位機和下位機的通訊，上位機主要是對下位機傳輸?shù)男盘栠M行處理和分析。

    本系統(tǒng)的控制核心是美國ADI公司的一款高性能數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)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，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(wěn)定性、縮短開發(fā)時間、提高性價比、從而使系統(tǒng)具有操作方便、成本低、體積小、輸出波形穩(wěn)定性好、質量高的特點。

2 系統(tǒng)結構

    為了實現(xiàn)信號的采集和顯示，系統(tǒng)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(fā)生器；

（3）電阻電容補償；

（4）模擬信號到數(shù)字信號的轉換；

（5）友好的人機界面；

（6）系統(tǒng)和PC機的通訊。

    為實現(xiàn)上述功能要求，系統(tǒng)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(tǒng)和PC機之間通訊6個主要模塊。圖1給出了系統(tǒng)的功能框圖。

    由圖1可知，經(jīng)過電極采到的離子通道電流信號經(jīng)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(shù)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(xiàn)采集信號的存儲和傳輸，按鍵模塊可以友好、方便的實現(xiàn)多種操作功能的控制。

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 控制模塊--單片機系統(tǒng)ADuC841

    ADuC841內(nèi)部集成了8052微處理器的內(nèi)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(shù)據(jù)空間、以及2304B的數(shù)據(jù)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(shù)轉換器（其轉換速率最高可達420kS/s），15×10-6℃的精密內(nèi)部電壓參考源，DMA方式控制器，2個12位的電壓輸出數(shù)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(xiàn)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(shù)器，看門狗定時器和電源監(jiān)視器等，這些模塊可以便捷地實現(xiàn)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(tǒng)ADuC841作為控制核心，可以簡化教學系統(tǒng)硬件電路設計，降低成本，提高輸出波形的穩(wěn)定性和質量，操作方便，編程簡易。

3.2 箝位電壓發(fā)生器

    監(jiān)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(nèi)，脈沖時間10ms-50ms。圖3給出了箝位電壓發(fā)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(xiàn)方波， 555定時器直接產(chǎn)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(chǎn)生的信號幅度進行調節(jié)，555定時器產(chǎn)生的方波信號經(jīng)過電阻R3和穩(wěn)壓管D1后，在D1兩端輸出穩(wěn)定的2.4V電壓，再在這個電壓兩端并聯(lián)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(jié)，從而得到需要的幅度，產(chǎn)生的方波周期可通過調節(jié)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(chǎn)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(xiàn)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(lián)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(tài)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(chǎn)生動態(tài)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(nèi)部集成了四個運放，采用5V供電，可以和電路的其他部分統(tǒng)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(lián)電阻補償信號V1與修正后的控制電壓10Vc'之和經(jīng)過兩個電阻組成的1/10衰減電路實現(xiàn)的。A6輸出的電壓經(jīng)一個電位器后進入跟隨器。然后通過1pF的電容實現(xiàn)快電容補償，其中電位器可以實現(xiàn)補償?shù)恼{節(jié)，使電路靈活方便，慢電容補償信號是Vc'經(jīng)過由A3、A4和A5組成的狀態(tài)變量環(huán)而獲得，預測注入電流在Rs上產(chǎn)生的誤差電壓V2也由狀態(tài)變量環(huán)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(jīng)過狀態(tài)變量環(huán)，產(chǎn)生與Vc相對應的過沖電壓Vc'，從而實現(xiàn)超量充電作用，同時，慢電容的補償電路還實現(xiàn)串聯(lián)電阻誤差的預測，從電流檢測輸出端輸出的電壓經(jīng)A1后又經(jīng)過預測電路的同步調節(jié)實現(xiàn)了串聯(lián)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(tǒng)選擇北京青云公司生產(chǎn)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(xiàn)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(nèi)部時序下及時地把MPU發(fā)來的指令、數(shù)據(jù)傳輸就位。SED1335控制器包括接口部分、內(nèi)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(nèi)置的字符發(fā)生器及外擴的字符發(fā)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(nèi)置字符發(fā)生器CGROM幾種顯示特性區(qū)。SED1335有13條指令，多數(shù)指令帶有參數(shù)，參數(shù)值由用戶根據(jù)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(xiàn)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(qū)的首地址和光標的移動方式就可以方便地實現(xiàn)顯示。波形的顯示需要對數(shù)據(jù)進行變換和處理，由于液晶為320行，所以大量顯示的數(shù)字為320，因此首先要把采集的數(shù)據(jù)變換到該范圍內(nèi)，并且顯示時還應對數(shù)據(jù)進行一些處理以及前后數(shù)據(jù)的比較才能實現(xiàn)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(tǒng)的操作，系統(tǒng)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(tǒng)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(tài)不會影響其他I/O接口線的工作狀態(tài)，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(lián)系，本系統(tǒng)目前設計是一個按鍵對應一個功能，進一步的設計將實現(xiàn)單一按鍵上實現(xiàn)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(shù)菜單相聯(lián)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(xiàn)不同的功能。

4 系統(tǒng)軟件設計

    本系統(tǒng)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(shù)據(jù)的回放、系統(tǒng)和PC機的通訊并且控制液晶和按鍵實現(xiàn)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(huán)，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(huán)節(jié)，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(tǒng)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(tǒng)的軟件流程圖，系統(tǒng)采用中文菜單友好用戶界面，便于操作。開機后首先對系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(xiàn)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(tǒng)的控制核心，數(shù)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(xiàn)低頻數(shù)據(jù)信號的采集、處理，與液晶模塊配合后可以實現(xiàn)友好的人機交互功能。