全自动膜片钳放大器参数控制系统

　　0　引言

　　膜片钳技术以测量细胞膜微弱电流信号为基础来研究各种离子通道及其调控机制,其核心部分膜片钳放大器采用一个高增益的电流-电压变换器将细胞产生的pA级电流信号提取并放大为mV级的电压信号,配合相应的信号调理系统和数据采集系统,可以实现计算机的控制与分析。

　　传统的膜片钳放大器的各种参数设置均采用手动调节机械式电位器实现,这个过程往往费时费力,并且取决于实验人员的熟练程度,在新一代全自动膜片钳放大器中,这些参数的设置和存储均由计算机软件高效实现[1]。本文介绍采用USB控制器和可编程逻辑器件(CPLD)组建此数字控制模块的一种方法。

　　1　系统结构

　　系统主要采用主机( PC ), USB2·0控制器(CY7C68013, Cypress)和可编程逻辑器件(MAX3256,Altera)实现对放大器开关和模拟参数的全数字控制(如图1)。其中USB控制器还承担对数据采集的控制任务,此处则负责接收主机数据并转发到逻辑器件,逻辑器件完成数据的解码和对底层模数混合器件(mDAC和模拟开关)的控制功能,为了降低模拟部分的噪声,每路信号通道均采用光电隔离。本方案基于USB2·0通讯协议,能方便实现快速数据传输,固件升级和功能。

2　模拟电路的数字控制

　　膜片钳放大器是一个低噪声的模拟信号放大电路,为了实现对放大器的增益,偏置以及时间常数的数字控制,考虑采用电流输出型乘法数模转换器(multiplying digital-analog con2verters, mDAC)替代传统的机械式电位器,配合适当的电容器和运算放大器就能实现常用的比例,积分和惯性环。本设计采用的数模转换器为AD7564 (Analog Devices, 12bit),其特点是串行数据输入,单片集成4个独立DA通道,其单个通道等效网络如图2所示。

　　其中N为控制码(0 当控制码,就能实现模拟电路参数的数字控制。

　　模拟信号通路中同时会用到大量的模拟开关(如DG412)或模拟多路选择器(如DG408),其控制则相对简单。可用移位寄存器74HCT4094(Philips)将上层串行输入数据转换成8位并行输出数据,每位输出控制一个开关,这样可把对模拟开关的设置与对mDAC的设置统一起来,一并采用串行控制模式。

　　3　固件设计与逻辑控制

　　USB控制器采用的是Cypress公司FX2系列的CY7C68013,该接口芯片内部集成了增强型8051微处理器和强大功能的USB内核,其内核可以自动处理USB协议请求,开发人员无需了解复杂的协议,便能高效率的开发应用程序。所谓固件,就是运行在8051内部的程序,固件主要完成硬件设备的初始化和控制。固件程序可存储于主机,系统上电后经驱动程序下载至控制器片内RAM中。CY7C68013包含3个64字节端点缓冲区和4K可配置成不同方式的缓冲,其中3个64字节的缓冲区为EP0、EP1IN和EP1OUT,其中EP1IN和EP1OUT使用独立的64字节缓冲区[2],设计中固件将EP1OUT端点配置为BULK传输方式,可接受主机数据,数据经8051的串行通讯口转发至CPLD,此功能通过调用函数SendDataToAmplifier实现,固件程序流程如图3。