數字微流控芯片高集成驅動電路設計

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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。計算機用于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，并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，由于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，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

采用介電潤濕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盡量小。由Young－Lippman方程可知，微液滴接觸角的余弦值與外加電壓的平方成正比，為了使接觸角大范圍內連續變化，要求電壓幅值大范圍可調；另外，微液滴輸運與分離所需電壓幅值相差很大，也要求電壓幅值大范圍可調。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，并且輸出電壓精度為±0．5V。

3）人機界面采用計算機控制，并與驅動電路使用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，實踐中常采用拓撲結構為DC－DC升壓變換器的電路以實現升壓，但對于復雜的數字微流控系統采用該方式會導致驅動電路的體積過于龐大。為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，然后以特定時間間隔向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為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的主要任務為：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周期，然后每半個周期時間向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芯片并行I／O接口的數據讀?。粚／A芯片輸入端口SCLK、DIN、SYNC分別與單片機其他空余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位并行FIFO接口之間的相互協議轉換。其優點在于，對于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外設產品的開發周期。

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外設產品的開發周期。此外，FT245R支持USB2．0規范，滿足項目需求。FT245R芯片可實現USB接口與并行I／O接口之間數據的傳輸。USB收發器從計算機接受USB串行數據后，由串行接口引擎將數據轉換成并行數據，儲存在FIFO接收緩沖區，當讀取信號為低時，就將接收緩沖區的數據送到并行輸出數據線上?？紤]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芯片實現。A／D芯片的輸出電壓由單片機控制，由于單片機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范圍內的電壓輸出，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芯片完成電壓的轉換。

3電路制作

根據上述設計方案，選取合適的芯片，制作完成該驅動電路。向該電路輸入相應的輸出電壓指令，測得在0～180V的范圍內，實際輸出電壓和期望輸入電壓之間的誤差基本小于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，在最低限度占用空間的前提下，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于更為復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制作方面具有借鑒意義。

作者：吳子牧 單位：北京航空航天大學