數字微流控芯片高集成驅動電路設計論文

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芯片３個部分。計算機用於輸入數字微流控芯片每個電極的電壓指令，該過程可通過計算機上搭建的軟件窗口實現；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；數字微流芯片上電極分別與驅動電路的輸出相連接，由於不同電極上所加電壓不同，進而實現對液滴的操控。在研究項目“高通量微液電處理及光檢測共形生化檢測”中，通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數字微流控芯片

本項目中使用的生化檢測芯片以傳統數字微流控芯片爲基礎，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，通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信息。

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，爲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。根據項目需求，使用的數字微流控芯片包含１２８個驅動電極，每個電極最高承受電壓爲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）每路輸出電壓幅值爲０～２００Ｖ，頻率爲１０～１０００Ｈｚ，電壓幅值和頻率均可調，並且輸出電壓精度爲±０．５Ｖ。

３）人機界面採用計算機控制，並與驅動電路使用ＵＳＢ２．０接口通信，計算機向驅動電路發送各路輸出電壓幅值和頻率信息。

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爲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。爲縮小電路體積以節省實驗空間，提出了使用集成芯片搭建的高度集成化驅動電路.計算機通過由軟件ＬａｂＶＩＥＷ搭建的窗口界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信息，單片機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芯片發送相應的方波電壓信息，進而實現指定頻率和幅度的方波輸出。

２．２單片機

設計的電路中所使用的單片機爲ＰＩＣ２４Ｈ，該系列單片機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的主要任務爲：接收由計算機輸入的電壓幅值與頻率信息，根據頻率計算出方波週期，然後每半個週期時間向Ｄ／Ａ芯片分別發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。電路連接時，將ＵＳＢ芯片輸出端口Ｄ０～Ｄ７，以及ＲＤ、ＷＲ、ＴＸＥ和ＲＸＦ分別與單片機任意Ｉ／Ｏ口相連接，實現從ＵＳＢ芯片並行Ｉ／Ｏ接口的數據讀取；將Ｄ／Ａ芯片輸入端口ＳＣＬＫ、ＤＩＮ、ＳＹＮＣ分別與單片機其他空餘Ｉ／Ｏ口相連接，實現單片機對Ｄ／Ａ芯片輸出的控制.驅動電路使用ＵＳＢ接口芯片可實現完成ＵＳＢ串行總線和８位並行ＦＩＦＯ接口之間的相互協議轉換。其優點在於，對於開發者只需熟悉單片機編程及簡單的ＶＣ編程，而無需考慮固件設計以及驅動程序的編寫，從而能大大縮短ＵＳＢ外設產品的開發週期。

２．３ＵＳＢ接口芯片的設計

驅動電路中的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，應用ＦＴ２４５Ｒ芯片進行ＵＳＢ外設開發，只需熟悉單片機編程及簡單的ＶＣ編程，而無需考慮固件設計以及驅動程序的'編寫，從而能大大縮短ＵＳＢ外設產品的開發週期。此外，ＦＴ２４５Ｒ支持ＵＳＢ２．０規範，滿足項目需求。ＦＴ２４５Ｒ芯片可實現ＵＳＢ接口與並行Ｉ／Ｏ接口之間數據的傳輸。ＵＳＢ收發器從計算機接受ＵＳＢ串行數據後，由串行接口引擎將數據轉換成並行數據，儲存在ＦＩＦＯ接收緩衝區，當讀取信號爲低時，就將接收緩衝區的數據送到並行輸出數據線上。考慮電磁兼容性設計，在ＵＳＢ接口的電源端連接一個磁珠，以減少設備的噪聲和ＵＳＢ電纜輻射對芯片產生的電磁干擾。

２．４Ｄ／Ａ的配置及電源設計

電路中使用的３２通道Ｄ／Ａ芯片最高輸出電壓爲２００Ｖ，精度爲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芯片實現。Ａ／Ｄ芯片的輸出電壓由單片機控制，由於單片機ＰＩＣ２４Ｈ與Ａ／Ｄ芯片都支持ＳＰＩ協議，因此本電路使用ＳＰＩ接口傳輸完成單片機和Ａ／Ｄ之間的通信。Ａ／Ｄ芯片要實現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轉換爲－５Ｖ、４．０９６Ｖ和２００Ｖ。設計的電路中分別選用相應的升壓芯片完成電壓的轉換。

３電路製作

根據上述設計方案，選取合適的芯片，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芯片需要實現對液滴的基本操作，其方法爲對液滴移動路線上的電極依次通電，所加電壓爲交流電壓。交流電壓可以通過在指定時刻對Ｄ／Ａ芯片輸入相關輸出電壓信息，從而獲得所需交流電壓輸出。

４結論

根據實際數字微流控芯片的需求，設計了具有１２８通道方波輸出的高度集成化驅動電路，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爲複雜的數字微流控芯片，在多電極數字微流控芯片驅動電路的製作方面具有借鑑意義。