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

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