數字微流控晶片高整合驅動電路設計論文
１驅動電路設計要求
１．１系統簡介
傳統的數字微流控系統包括計算機、驅動電路和數字微流控晶片３個部分。計算機用於輸入數字微流控晶片每個電極的電壓指令，該過程可透過計算機上搭建的軟體視窗實現；驅動電路接收計算機發送的每路輸出電壓和頻率指令，並依照該指令輸出相應幅度和頻率的方波；數字微流晶片上電極分別與驅動電路的輸出相連線，由於不同電極上所加電壓不同，進而實現對液滴的操控。在研究專案“高通量微液電處理及光檢測共形生化檢測”中，透過增加光源和檢測器，實現對微液滴位置及化學成分的實時檢測。
１．２數字微流控晶片
本專案中使用的生化檢測晶片以傳統數字微流控晶片為基礎，在電極間增加特定的光波導結構，當微液滴停滯光波導表面時，微液滴的質量和化學成分會改變波導內光的傳輸模式，透過對波導內傳輸光檢測，可以獲得微液滴位置與化學成分等資訊。
１．３驅動電路
採用介電潤溼機理操控微液滴技術，系統的功耗極低，因此微液滴操控電路的設計對電流無要求；但考慮電流過大會導致介電層被擊穿發生電解以及加劇微液滴的蒸發，所以要求控制電路輸出電流應儘量小。由Ｙｏｕｎｇ－Ｌｉｐｐｍａｎ方程可知，微液滴接觸角的餘弦值與外加電壓的平方成正比，為了使接觸角大範圍內連續變化，要求電壓幅值大範圍可調；另外，微液滴輸運與分離所需電壓幅值相差很大，也要求電壓幅值大範圍可調。根據專案需求，使用的數字微流控晶片包含１２８個驅動電極，每個電極最高承受電壓為２００Ｖ。因此，設計的驅動電路需要滿足以下指標：
１）電路由單一５Ｖ２Ａ直流電源供電，輸出有１２８路，每路可獨立輸出方波。
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，並且輸出電壓精度為±０．５Ｖ。
３）人機介面採用計算機控制，並與驅動電路使用ＵＳＢ２．０介面通訊，計算機向驅動電路傳送各路輸出電壓幅值和頻率資訊。
２設計方案
２．１總體方案
根據系統要求，所設計的驅動電路應具有將５Ｖ電壓升至２００Ｖ的能力，實踐中常採用拓撲結構為ＤＣ－ＤＣ升壓變換器的電路以實現升壓，但對於複雜的數字微流控系統採用該方式會導致驅動電路的體積過於龐大。為縮小電路體積以節省實驗空間，提出了使用整合晶片搭建的高度整合化驅動電路.計算機透過由軟體ＬａｂＶＩＥＷ搭建的視窗介面向驅動電路中的單片機發送１２８路方波輸出的電壓幅度和頻率資訊，微控制器對計算機發送的指令進行解析，然後以特定時間間隔向３２通道Ｄ／Ａ晶片傳送相應的方波電壓資訊，進而實現指定頻率和幅度的方波輸出。
２．２微控制器
設計的電路中所使用的微控制器為ＰＩＣ２４Ｈ，該系列微控制器是美國微芯科技公司推出的十六位精簡指令集微控制器，具有高速度、低工作電壓、低功耗等特點，以及較大的輸出驅動能力和較強的計算能力。ＰＩＣ２４Ｈ的主要任務為：接收由計算機輸入的電壓幅值與頻率資訊，根據頻率計算出方波週期，然後每半個週期時間向Ｄ／Ａ晶片分別傳送輸出方波最大和最小電壓幅值指令，進而實現特定電壓幅值和頻率的方波輸出。電路連線時，將ＵＳＢ晶片輸出埠Ｄ０～Ｄ７，以及ＲＤ、ＷＲ、ＴＸＥ和ＲＸＦ分別與微控制器任意Ｉ／Ｏ口相連線，實現從ＵＳＢ晶片並行Ｉ／Ｏ介面的資料讀取；將Ｄ／Ａ晶片輸入埠ＳＣＬＫ、ＤＩＮ、ＳＹＮＣ分別與微控制器其他空餘Ｉ／Ｏ口相連線，實現微控制器對Ｄ／Ａ晶片輸出的控制.驅動電路使用ＵＳＢ介面晶片可實現完成ＵＳＢ序列匯流排和８位並行ＦＩＦＯ介面之間的相互協議轉換。其優點在於，對於開發者只需熟悉微控制器程式設計及簡單的ＶＣ程式設計，而無需考慮韌體設計以及驅動程式的編寫，從而能大大縮短ＵＳＢ外設產品的開發週期。
２．３ＵＳＢ介面晶片的設計
驅動電路中的ＵＳＢ介面晶片選用ＦＴ２４５Ｒ，該晶片是由ＦＴＤＩ公司推出的第二代ＵＳＢ介面晶片，與其他晶片相比，應用ＦＴ２４５Ｒ晶片進行ＵＳＢ外設開發，只需熟悉微控制器程式設計及簡單的ＶＣ程式設計，而無需考慮韌體設計以及驅動程式的`編寫，從而能大大縮短ＵＳＢ外設產品的開發週期。此外，ＦＴ２４５Ｒ支援ＵＳＢ２．０規範，滿足專案需求。ＦＴ２４５Ｒ晶片可實現ＵＳＢ介面與並行Ｉ／Ｏ介面之間資料的傳輸。ＵＳＢ收發器從計算機接受ＵＳＢ序列資料後，由序列介面引擎將資料轉換成並行資料，儲存在ＦＩＦＯ接收緩衝區，當讀取訊號為低時，就將接收緩衝區的資料送到並行輸出資料線上。考慮電磁相容性設計，在ＵＳＢ介面的電源端連線一個磁珠，以減少裝置的噪聲和ＵＳＢ電纜輻射對晶片產生的電磁干擾。
２．４Ｄ／Ａ的配置及電源設計
電路中使用的３２通道Ｄ／Ａ晶片最高輸出電壓為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晶片實現。Ａ／Ｄ晶片的輸出電壓由微控制器控制，由於微控制器ＰＩＣ２４Ｈ與Ａ／Ｄ晶片都支援ＳＰＩ協議，因此本電路使用ＳＰＩ介面傳輸完成微控制器和Ａ／Ｄ之間的通訊。Ａ／Ｄ晶片要實現０～２００Ｖ範圍內的電壓輸出，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轉換為－５Ｖ、４．０９６Ｖ和２００Ｖ。設計的電路中分別選用相應的升壓晶片完成電壓的轉換。
３電路製作
根據上述設計方案，選取合適的晶片，製作完成該驅動電路。向該電路輸入相應的輸出電壓指令，測得在０～１８０Ｖ的範圍內，實際輸出電壓和期望輸入電壓之間的誤差基本小於０．１Ｖ，滿足設計要求。實驗中的數字微流控晶片需要實現對液滴的基本操作，其方法為對液滴移動路線上的電極依次通電，所加電壓為交流電壓。交流電壓可以透過在指定時刻對Ｄ／Ａ晶片輸入相關輸出電壓資訊，從而獲得所需交流電壓輸出。
４結論
根據實際數字微流控晶片的需求，設計了具有１２８通道方波輸出的高度整合化驅動電路，在最低限度佔用空間的前提下，實現了每路都可以獨立控制輸出方波的頻率和幅值，所設計的電路可以滿足實際需求。提出的驅動電路設計思想可以應用於更為複雜的數字微流控晶片，在多電極數字微流控晶片驅動電路的製作方面具有借鑑意義。
【數字微流控晶片高整合驅動電路設計論文】相關文章：