基于cpld的usb接口膜片钳数据采集系统的研制

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1、华中科技大学硕士学位论文基于CPLD的USB接口膜片钳数据采集系统的研制姓名：李雯申请学位级别：硕士专业：生物医学工程指导教师：瞿安连20050506华中科技大学硕士学位论文*摘要膜片钳技术已成为现代细胞电生理研究的常规方法。随着膜片钳技术的推广与应用，膜片钳实验系统的自动化成为必然的发展趋势。膜片钳数据采集器是膜片钳实验系统的数据传输中枢，其现有的PCI数据传输接口已不能适应膜片钳实验系统的自动化发展，新一代膜片钳数据采集器的研究与开发迫在眉睫。本文的工作针对膜片钳实验系统自动化发展的需要，采用基于复杂可编程逻辑器件(ComplexProgrammableLogicDevice,CPLD

2、)的数字逻辑控制单元和USB1.1(UniversalSerialBus1.1)数据传输总线，研究并实现了一种新的数据采集系统——UDA-I数据采集器。为满足膜片钳实验低噪声测量的要求，设计中还采用了多种隔离技术，以避免数字信号对模拟信号的串扰。文中详细论述了数据采集器的硬件电路设计和软件系统中底层硬件程序的设计，并对设计中采用的电路隔离技术、PCB抗干扰设计及程序设计方法进行了讨论。最后，讨论了将本数据采集器应用于膜片钳实验系统的测试结果。测试证明，UDA-I数据采集器的数据采集和下传速率可同时达到200kB/s，输出信号噪声幅值Vp-p在±10mV范围内，能准确地实现数据传输，满足膜片

3、钳实验要求。关键词：膜片钳，数据采集，通用串行总线，复杂可编程逻辑器件，隔离技术*本工作由国家自然科学基金仪器专项资助(No.30327001)。IV华中科技大学硕士学位论文*AbstractNowadays,PatchClampTechniquehasalreadybecomeageneralmethodinthefieldofmodernelectrophysiologicalresearch.WiththeapplicationandpopularizationofPatchClampTechnique,thefull-autopatchclampsystemiscalledinto

4、being.Asthedatatransmissionandcontrolcenterinthepatchclampsystem,theexistingdataacquisitionsystemwiththePCIinterfaceisoutdated.Anewdataacquisitionsystemisneededimminently.Inordertomeetthedevelopmentofautomationinpatchclampsystem,wehavedevelopedanewdataacquisitionsystem—UDA-I(USBDataAcquisition,I)w

5、ithCPLD(ComplexProgrammableLogicDevice)andUSB1.1(UniversalSerialBus1.1)technology.Tosatisfytherequirementoflownoiseinpatch-clampexperiments,aquitefewofisolationtechnologieswereused.Inthisproject,thehardwaredesignofUDA-IwhichcontainscircuitdesignandfirmwaredesignandHDL(HardwareDescribeLanguage)desi

6、gnisdescribedindetail,furthermoretheisolationtechnology,PCBEMCdesignandprogrammingapproachusedinthisprojectarediscussed.Finally,thetestresultofapplyingtheUDA-Itopatch-clampsystemisgiventoverifythesystem’sfeasibility.IthasbeenexperimentallyprovedthatUDA-Icanmeetthedemandofhigh-speeddatatransmission

7、inpatch-clampsystemwithatotaldatatransmissionspeedof400kB/sandnoiselevelrangingbetween±10mV.KeyWords:PatchClamp,DataAcquisition,USB,CPLD,IsolationTechnology*ThisworkwassupportedbyNationalNaturalScienceFoundationo