數(shù)字微流控芯片高集成驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

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1驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)要求

1．1系統(tǒng)簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)的數(shù)字微流控系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路和數(shù)字微流控芯片3個(gè)部分。計(jì)算機(jī)用于輸入數(shù)字微流控芯片每個(gè)電極的電壓指令，該過(guò)程可通過(guò)計(jì)算機(jī)上搭建的軟件窗口實(shí)現(xiàn)；驅(qū)動(dòng)電路接收計(jì)算機(jī)發(fā)送的每路輸出電壓和頻率指令，并依照該指令輸出相應(yīng)幅度和頻率的方波；數(shù)字微流芯片上電極分別與驅(qū)動(dòng)電路的輸出相連接，由于不同電極上所加電壓不同，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴的操控。在研究項(xiàng)目“高通量微液電處理及光檢測(cè)共形生化檢測(cè)”中，通過(guò)增加光源和檢測(cè)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)微液滴位置及化學(xué)成分的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

1．2數(shù)字微流控芯片

本項(xiàng)目中使用的生化檢測(cè)芯片以傳統(tǒng)數(shù)字微流控芯片為基礎(chǔ)，在電極間增加特定的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，當(dāng)微液滴停滯光波導(dǎo)表面時(shí)，微液滴的質(zhì)量和化學(xué)成分會(huì)改變波導(dǎo)內(nèi)光的傳輸模式，通過(guò)對(duì)波導(dǎo)內(nèi)傳輸光檢測(cè)，可以獲得微液滴位置與化學(xué)成分等信息。

1．3驅(qū)動(dòng)電路

采用介電潤(rùn)濕機(jī)理操控微液滴技術(shù)，系統(tǒng)的功耗極低，因此微液滴操控電路的設(shè)計(jì)對(duì)電流無(wú)要求；但考慮電流過(guò)大會(huì)導(dǎo)致介電層被擊穿發(fā)生電解以及加劇微液滴的蒸發(fā)，所以要求控制電路輸出電流應(yīng)盡量小。由Young－Lippman方程可知，微液滴接觸角的余弦值與外加電壓的平方成正比，為了使接觸角大范圍內(nèi)連續(xù)變化，要求電壓幅值大范圍可調(diào)；另外，微液滴輸運(yùn)與分離所需電壓幅值相差很大，也要求電壓幅值大范圍可調(diào)。根據(jù)項(xiàng)目需求，使用的數(shù)字微流控芯片包含128個(gè)驅(qū)動(dòng)電極，每個(gè)電極最高承受電壓為200V。因此，設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路需要滿足以下指標(biāo)：

1）電路由單一5V2A直流電源供電，輸出有128路，每路可獨(dú)立輸出方波。

2）每路輸出電壓幅值為0～200V，頻率為10～1000Hz，電壓幅值和頻率均可調(diào)，并且輸出電壓精度為±0．5V。

3）人機(jī)界面采用計(jì)算機(jī)控制，并與驅(qū)動(dòng)電路使用USB2．0接口通信，計(jì)算機(jī)向驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送各路輸出電壓幅值和頻率信息。

2設(shè)計(jì)方案

2．1總體方案

根據(jù)系統(tǒng)要求，所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)具有將5V電壓升至200V的能力，實(shí)踐中常采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為DC－DC升壓變換器的電路以實(shí)現(xiàn)升壓，但對(duì)于復(fù)雜的數(shù)字微流控系統(tǒng)采用該方式會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電路的體積過(guò)于龐大。為縮小電路體積以節(jié)省實(shí)驗(yàn)空間，提出了使用集成芯片搭建的高度集成化驅(qū)動(dòng)電路.計(jì)算機(jī)通過(guò)由軟件LabVIEW搭建的窗口界面向驅(qū)動(dòng)電路中的單片機(jī)發(fā)送128路方波輸出的電壓幅度和頻率信息，單片機(jī)對(duì)計(jì)算機(jī)發(fā)送的指令進(jìn)行解析，然后以特定時(shí)間間隔向32通道D／A芯片發(fā)送相應(yīng)的方波電壓信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)指定頻率和幅度的方波輸出。

2．2單片機(jī)

設(shè)計(jì)的電路中所使用的單片機(jī)為PIC24H，該系列單片機(jī)是美國(guó)微芯科技公司推出的十六位精簡(jiǎn)指令集微控制器，具有高速度、低工作電壓、低功耗等特點(diǎn)，以及較大的輸出驅(qū)動(dòng)能力和較強(qiáng)的計(jì)算能力。PIC24H的主要任務(wù)為：接收由計(jì)算機(jī)輸入的電壓幅值與頻率信息，根據(jù)頻率計(jì)算出方波周期，然后每半個(gè)周期時(shí)間向D／A芯片分別發(fā)送輸出方波最大和最小電壓幅值指令，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)特定電壓幅值和頻率的方波輸出。電路連接時(shí)，將USB芯片輸出端口D0～D7，以及RD、WR、TXE和RXF分別與單片機(jī)任意I／O口相連接，實(shí)現(xiàn)從USB芯片并行I／O接口的數(shù)據(jù)讀??；將D／A芯片輸入端口SCLK、DIN、SYNC分別與單片機(jī)其他空余I／O口相連接，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)D／A芯片輸出的控制.驅(qū)動(dòng)電路使用USB接口芯片可實(shí)現(xiàn)完成USB串行總線和8位并行FIFO接口之間的相互協(xié)議轉(zhuǎn)換。其優(yōu)點(diǎn)在于，對(duì)于開(kāi)發(fā)者只需熟悉單片機(jī)編程及簡(jiǎn)單的VC編程，而無(wú)需考慮固件設(shè)計(jì)以及驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)，從而能大大縮短USB外設(shè)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。

2．3USB接口芯片的設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路中的USB接口芯片選用FT245R，該芯片是由FTDI公司推出的第二代USB接口芯片，與其他芯片相比，應(yīng)用FT245R芯片進(jìn)行USB外設(shè)開(kāi)發(fā)，只需熟悉單片機(jī)編程及簡(jiǎn)單的VC編程，而無(wú)需考慮固件設(shè)計(jì)以及驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)，從而能大大縮短USB外設(shè)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。此外，F(xiàn)T245R支持USB2．0規(guī)范，滿足項(xiàng)目需求。FT245R芯片可實(shí)現(xiàn)USB接口與并行I／O接口之間數(shù)據(jù)的傳輸。USB收發(fā)器從計(jì)算機(jī)接受USB串行數(shù)據(jù)后，由串行接口引擎將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)，儲(chǔ)存在FIFO接收緩沖區(qū)，當(dāng)讀取信號(hào)為低時(shí)，就將接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)送到并行輸出數(shù)據(jù)線上?？紤]電磁兼容性設(shè)計(jì)，在USB接口的電源端連接一個(gè)磁珠，以減少設(shè)備的噪聲和USB電纜輻射對(duì)芯片產(chǎn)生的電磁干擾。

2．4D／A的配置及電源設(shè)計(jì)

電路中使用的32通道D／A芯片最高輸出電壓為200V，精度為14bit，滿足每路輸出電壓幅值和精度的要求。電路的128通道輸出可由4片A／D芯片實(shí)現(xiàn)。A／D芯片的輸出電壓由單片機(jī)控制，由于單片機(jī)PIC24H與A／D芯片都支持SPI協(xié)議，因此本電路使用SPI接口傳輸完成單片機(jī)和A／D之間的通信。A／D芯片要實(shí)現(xiàn)0～200V范圍內(nèi)的電壓輸出，需要配置－5V、4．096V、5V和200V，而電路只有5V直流供電，因此需將5V轉(zhuǎn)換為－5V、4．096V和200V。設(shè)計(jì)的電路中分別選用相應(yīng)的升壓芯片完成電壓的轉(zhuǎn)換。

3電路制作

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，選取合適的芯片，制作完成該驅(qū)動(dòng)電路。向該電路輸入相應(yīng)的輸出電壓指令，測(cè)得在0～180V的范圍內(nèi)，實(shí)際輸出電壓和期望輸入電壓之間的誤差基本小于0．1V，滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)驗(yàn)中的數(shù)字微流控芯片需要實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴的基本操作，其方法為對(duì)液滴移動(dòng)路線上的電極依次通電，所加電壓為交流電壓。交流電壓可以通過(guò)在指定時(shí)刻對(duì)D／A芯片輸入相關(guān)輸出電壓信息，從而獲得所需交流電壓輸出。

4結(jié)論

根據(jù)實(shí)際數(shù)字微流控芯片的需求，設(shè)計(jì)了具有128通道方波輸出的高度集成化驅(qū)動(dòng)電路，在最低限度占用空間的前提下，實(shí)現(xiàn)了每路都可以獨(dú)立控制輸出方波的頻率和幅值，所設(shè)計(jì)的電路可以滿足實(shí)際需求。提出的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)思想可以應(yīng)用于更為復(fù)雜的數(shù)字微流控芯片，在多電極數(shù)字微流控芯片驅(qū)動(dòng)電路的制作方面具有借鑒意義。

作者：吳子牧 單位：北京航空航天大學(xué)