新型膜片钳数据采集器的控制逻辑和软件设计

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1、华中科技大学硕士学位论文摘要*数据采集与控制器是细胞光电联合检测系统中一个重要的组成部分，实现了上位PC机与全自动膜片钳放大器、加药系统、钙离子浓度检测系统之间的数据实时交换，完成光电联合检测中主机对外围设备的控制和数据采集。为了实现膜片钳系统自动化控制和满足细胞光电联合检测实验的特定要求，让用户能够通过友好的主机软件界面完成对设备的实时控制和数据采集，摆脱操作人员对膜片钳放大器补偿调节经验的限制，降低对操作人员的技术要求，我们设计了一款多通道数据采集与控制器，它利用USB2.0(UniversalSerialBus2

2、.0)总线技术实现了高达17.8MByte/s的数据传输速率，与传统的基于ISA和PCI总线接口的数据采集与控制器相比，设备的安装使用更加方便，避免机箱内主板和扩展卡之间的电磁干扰。另外设计中还利用大规模可编程逻辑器件实现的控制逻辑完成输入输出数据同步工作模式，即输入输出数据点与点在时间上对齐；采样率在1kHz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；通过在大规模可编程逻辑器件内集成两块双时钟FIFO存储器，简化了系统的硬件设计和工作稳定性，是比较理想的新一代膜片钳系统数据采集与控

3、制系统。随后的章节将从介绍数据采集系统的总体结构入手，针对系统涉及到的USB接口、FPGA的逻辑设计、MFC程序设计等各项技术关键进行分析。并对数据采集系统的MCU固件程序的编写、FPGA内部控制逻辑设计改进、采集系统的测试程序和操作类的实现分别进行讨论。关键字：全自动膜片钳;固件;-18操作类通用串行总线;现场可编程逻辑器件;控制逻辑;*本论文由国家自然科学基金资助（单细胞离子光电联合测量系统，批准号：30327001）I华中科技大学硕士学位论文Abstract*Thedataacquisitionandcont

4、rolinterface,byconnectingthepatch-clampsystem,perfusionsystem,orthe[Ca2+]detectingsystemwiththecomputersystem,realizesthecommunicationofthedataandthecontrolcommands.It’sanimportantpartofthepatch-clampsystem.Tofulfilltherequirementofthecellelectrophysiologyresearc

5、handtomakethepatch-clampsystemeasilytouse,amulti-channeldataacquisitionandcontrolinterfacebasedontheUSB2.0(UniversalSerialBus2.0)andFPGAtechnologyarediscussedinthisthesis.ItcansubstitutethetraditionalISAcardandPCIcardwithalotofadvantages,suchasfixingeasilyandhasa

6、stronganti-jammingability.Thetransmissionspeedofthisdataacquisitionandcontrolinterfacecanachieve17.8MByte/s.Furthermore,byusingtheFPGAtechnology,thisdataacquisitionsystemhasaccomplishedthesynchronizationofdataacquisitionandsignaloutput,anditcomprises8analoginputc

7、hannelsand4analogoutputchannels,whichcanrunsimultaneouslyandindependently.Thesamplingfrequencyischangeableintherangeof1kHzto350kHz.Inaddition,twoFIFOmemorywitchhasdoubleclockdomainsareintegratedbyusingtheblockRAMresourceoftheFPGA,improvingthestabilityandintegrati

8、onofthissystem.Itisanadvanceddataacquisitionandcontrolinterfaceforthenewgenerationautomaticpatchclampsystem.Herethearchitectureandthekeytechnologyofthisdataacq