数字微流控芯片高集成驱动电路设计

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1驱动电路设计要求

1．1系统简介

传统的数字微流控系统包括计算机、驱动电路和数字微流控芯片3个部分。计算机用于输入数字微流控芯片每个电极的电压指令，该过程可通过计算机上搭建的软件窗口实现；驱动电路接收计算机发送的每路输出电压和频率指令，并依照该指令输出相应幅度和频率的方波；数字微流芯片上电极分别与驱动电路的输出相连接，由于不同电极上所加电压不同，进而实现对液滴的操控。在研究项目“高通量微液电处理及光检测共形生化检测”中，通过增加光源和检测器，实现对微液滴位置及化学成分的实时检测。

1．2数字微流控芯片

本项目中使用的生化检测芯片以传统数字微流控芯片为基础，在电极间增加特定的光波导结构，当微液滴停滞光波导表面时，微液滴的质量和化学成分会改变波导内光的传输模式，通过对波导内传输光检测，可以获得微液滴位置与化学成分等信息。

1．3驱动电路

采用介电润湿机理操控微液滴技术，系统的功耗极低，因此微液滴操控电路的设计对电流无要求；但考虑电流过大会导致介电层被击穿发生电解以及加剧微液滴的蒸发，所以要求控制电路输出电流应尽量小。由Young－Lippman方程可知，微液滴接触角的余弦值与外加电压的平方成正比，为了使接触角大范围内连续变化，要求电压幅值大范围可调；另外，微液滴输运与分离所需电压幅值相差很大，也要求电压幅值大范围可调。根据项目需求，使用的数字微流控芯片包含128个驱动电极，每个电极最高承受电压为200V。因此，设计的驱动电路需要满足以下指标：

1）电路由单一5V2A直流电源供电，输出有128路，每路可独立输出方波。

2）每路输出电压幅值为0～200V，频率为10～1000Hz，电压幅值和频率均可调，并且输出电压精度为±0．5V。

3）人机界面采用计算机控制，并与驱动电路使用USB2．0接口通信，计算机向驱动电路发送各路输出电压幅值和频率信息。

2设计方案

2．1总体方案

根据系统要求，所设计的驱动电路应具有将5V电压升至200V的能力，实践中常采用拓扑结构为DC－DC升压变换器的电路以实现升压，但对于复杂的数字微流控系统采用该方式会导致驱动电路的体积过于庞大。为缩小电路体积以节省实验空间，提出了使用集成芯片搭建的高度集成化驱动电路.计算机通过由软件LabVIEW搭建的窗口界面向驱动电路中的单片机发送128路方波输出的电压幅度和频率信息，单片机对计算机发送的指令进行解析，然后以特定时间间隔向32通道D／A芯片发送相应的方波电压信息，进而实现指定频率和幅度的方波输出。

2．2单片机

设计的电路中所使用的单片机为PIC24H，该系列单片机是美国微芯科技公司推出的十六位精简指令集微控制器，具有高速度、低工作电压、低功耗等特点，以及较大的输出驱动能力和较强的计算能力。PIC24H的主要任务为：接收由计算机输入的电压幅值与频率信息，根据频率计算出方波周期，然后每半个周期时间向D／A芯片分别发送输出方波最大和最小电压幅值指令，进而实现特定电压幅值和频率的方波输出。电路连接时，将USB芯片输出端口D0～D7，以及RD、WR、TXE和RXF分别与单片机任意I／O口相连接，实现从USB芯片并行I／O接口的数据读取；将D／A芯片输入端口SCLK、DIN、SYNC分别与单片机其他空余I／O口相连接，实现单片机对D／A芯片输出的控制.驱动电路使用USB接口芯片可实现完成USB串行总线和8位并行FIFO接口之间的相互协议转换。其优点在于，对于开发者只需熟悉单片机编程及简单的VC编程，而无需考虑固件设计以及驱动程序的编写，从而能大大缩短USB外设产品的开发周期。

2．3USB接口芯片的设计

驱动电路中的USB接口芯片选用FT245R，该芯片是由FTDI公司推出的第二代USB接口芯片，与其他芯片相比，应用FT245R芯片进行USB外设开发，只需熟悉单片机编程及简单的VC编程，而无需考虑固件设计以及驱动程序的编写，从而能大大缩短USB外设产品的开发周期。此外，FT245R支持USB2．0规范，满足项目需求。FT245R芯片可实现USB接口与并行I／O接口之间数据的传输。USB收发器从计算机接受USB串行数据后，由串行接口引擎将数据转换成并行数据，储存在FIFO接收缓冲区，当读取信号为低时，就将接收缓冲区的数据送到并行输出数据线上。考虑电磁兼容性设计，在USB接口的电源端连接一个磁珠，以减少设备的噪声和USB电缆辐射对芯片产生的电磁干扰。

2．4D／A的配置及电源设计

电路中使用的32通道D／A芯片最高输出电压为200V，精度为14bit，满足每路输出电压幅值和精度的要求。电路的128通道输出可由4片A／D芯片实现。A／D芯片的输出电压由单片机控制，由于单片机PIC24H与A／D芯片都支持SPI协议，因此本电路使用SPI接口传输完成单片机和A／D之间的通信。A／D芯片要实现0～200V范围内的电压输出，需要配置－5V、4．096V、5V和200V，而电路只有5V直流供电，因此需将5V转换为－5V、4．096V和200V。设计的电路中分别选用相应的升压芯片完成电压的转换。

3电路制作

根据上述设计方案，选取合适的芯片，制作完成该驱动电路。向该电路输入相应的输出电压指令，测得在0～180V的范围内，实际输出电压和期望输入电压之间的误差基本小于0．1V，满足设计要求。实验中的数字微流控芯片需要实现对液滴的基本操作，其方法为对液滴移动路线上的电极依次通电，所加电压为交流电压。交流电压可以通过在指定时刻对D／A芯片输入相关输出电压信息，从而获得所需交流电压输出。

4结论

根据实际数字微流控芯片的需求，设计了具有128通道方波输出的高度集成化驱动电路，在最低限度占用空间的前提下，实现了每路都可以独立控制输出方波的频率和幅值，所设计的电路可以满足实际需求。提出的驱动电路设计思想可以应用于更为复杂的数字微流控芯片，在多电极数字微流控芯片驱动电路的制作方面具有借鉴意义。

作者：吴子牧 单位：北京航空航天大学