基于fpga技术的新型膜片钳数字接口逻辑设计new

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1、万方数据基于FPGA技术的新型膜片钳数字接口逻辑设计罗虎张利芬瞿安连(华中科技大学生物物理与生物化学研究所武汉430074)E—mail：huhoxf@删．coin摘要为了满足膜片钳实验的需求，本课题设计了一种多通道的数据采集系统。它利用FPGA控制技术实现同步工作模式，即要求输入输出数据点与点在时间上对准；采样率在lkHz到350kHz范围内可调；8路ADC和4路DAC通道之间相互独立，并可以同时工作；本文将着重介绍FPGA控制逻辑部分的设计。关键词全自动膜片钳；FPGA；同步中图分类号TN4TheLogicDesigninDigitalInte

2、rfaceBasedonFPGAforaNovelPatch—ClampLuoHu，ZhangLifen，QuAnlian(InstituteofBiophysicsandBiochemistry，HuazhongUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430074，China)AbstractAmulti-—channeldataacquisitionandsignaloutputsystemisdesignedtofulfilltherequirementofthepatchclampsystem．Thesy

3、nchronizationofdataacquisitionandsignaloutputisaccomplishedbyusingtheFPGA．Thesystemcomprises8analoginputchannelsand4analogoutputchannels，whichCaninnsimultaneouslyandindependentlyandthesamplingfrequencyischangeableintherangeoflkHzto350kHz．Herethedesignofthesystemispresented，wit

4、hthefocusonthedesignconsiderationoftheFPGAcontrolunit．KeywordsAutomaticPatch——Clamp；FPGA；synchronization1引言膜片钳技术现已成为细胞电生理研究的重要手段之一。作为膜片钳系统中的一个重要组成部分，数据采集系统连接着膜片钳放大器和计算机系统，实现了它们之间的信息交互，是检测系统的数据中转枢纽‘1

5、。膜片钳系统的总体结构如图1所示。字咂膜片主机∞FX2料隔n钳离一放器大件d。A器采集系统图1膜片钳系统框图根据细胞电生理实验的要求，数据采集系统应当具备以

6、下几个技术参数和性能：1)ADC与DAC至少有12bit的转换精度。2)能够在同步工作模式下工作，确保DAC发送的输出数据与ADC采集的数据点与点在时间上对准。3)不低于200kHz的DAC的数据输出速率和ADC采样速率。4)至少有一路DAC通道作为刺激信号输出和两路ADC通道分别采集细胞膜电流和膜电位信号。5)预留控制c：+浓度检测系统和加药系统等外围设备的接口。根据上述要求，本课题设计的数据采集系统具有如下特点：通过USB2．0接口与上位机(PC)连接，其中USB2．0的接口芯片选用Cypress公司的CY7C68013(也称FX2)；采样速率

7、在lkHz到350kHz范围内可调；可以工作在输入输出同步、纯输出、纯采集三种模式下；8路ADC和4路DAC通道之间相互独立，并且每一个DAC通道都可以设定与任意一个ADC通道实现点对点的同步。由于通道之间相互独立，所以单位时间内数据的吞吐量比较大；同时还要满足各个通道能在不同的工作模式下切换并正常运行。综合考虑，选择FPGA来设计数据采集系统的控制逻辑。芯片选用ALTERA公司Cyclone系列的EPlC6T144C6，它是一款中等规模的可编程逻辑器件。收稿日期：2006—04—18基金资助：国家自然科学基金资助项目(No：30327001)。作

8、者简介：罗虎(1981一)，硕士研究生，主要从事生物医学仪器的开发与研究。34ModemScientificInstruments20073万方数据2FPGA的设计方案和内部模块的结构FPGA的开发，一般先利用硬件描述语言(Hard—wareDescriptionLanguage，HDL)，采用自上而下的设计方法，将目标系统划分为多个子模块实现后，再综合成具体的门级网表并下载到FPGA内部的RAM或者外围的配置芯片‘2。。图2FPGA内部模块结构根据数据采集系统的功能需求，我们把系统划分成系统配置、接口逻辑、FIFO、ADC／DAC的控制和数据收发

9、等几个模块，如图2所示。它们之间相互协调、配合完成所有控制功能。其中：●系统配置模块主要对上位机下达的各种操作指令进行译码