（生物医学工程专业论文）基于usb总线技术的全自动膜片钳系统数据采集控制接口的研制.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e p a t c hc l a m pt e c h n i q u eh a sb e c o m e t h em a i nm e t h o df o r t h em o l e c u l ea n dc e l l r e s e a r c h i n g t h ed a t aa c q u i s i t i o na n dc o n t r o li n t e r f a c ei nt h ee l e c t r o n i cc o m p o n e n t s ， w h i c hi so n eo ft h e p a r t s o ft h ep a t c h c l a m ps y s t e m ，r e a l i z e st h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e nt h ed a t aa n dt h ec o n t r o lc o m m a n d s b yc o n n e c t i n g t h ef r o n to f t h e p a t c h - c l a m p s y s t e ma n dt h ec o m p u t e rs y s t e m an e w t y p ed a t aa c q u i s i t i o na n d c o n t r o li n t e r f a c eb a s e do nt h eu s b t e c h n o l o g y i s d i $ c u s s e di nt h i st h e s i s i tc a r s u b s t i t u t et h et r a d i t i o n a li s ac a r do rp c ic a r da n dh a sa l o to fa d v a n t a g e s ，s u c ha s h i g hs p e e d ，p l u ga n dp l a y ( p n p ) ，f i e l di n s t a l l ，c o n v e n i e n t u p d a t e ，n o n o c c u p y i n ga n yc o m p u t e rr e s o u r c e sa n da u t o c o n t r o le t c i ti sa r li d e a lb u s t e c h n o l o g yf o rd a t aa c q u i s i t i o na n dc o n t r o li n t e r f a c ea p p l i e di n t ot h en e wg e n e r a t i o n p a t c hc l a m ps y s t e m t h ed e s i g no ft h eh a r d w a r e ，t h es o 盎w a r ea n dt h es y s t e ma r c h i t e c t a r eo f t h ed a t a a c q u i s i t i o na n dc o n t r o li n t e r f a c eb a s e d o i lt h eu s bb u st e c h n o l o g y ，w h i c hi sa p p l i e d i n t ot h ef u l l a u t o p a t c hc l a m ps y s t e m ，i sd i s c u s s e di n d e t a i l i nt h i st h e s i s a f t e r d e s c r i b i n gt h ec o n s t i t u t e sa n dd e s i g np l a n so fe a c hp a r t ，m o r ea t t e n t i o ni sp u to nt h e d e s i g nm e t h o d sa n dt h et e c h n i q u ed e t a i l so ft h eh a r d w a r e ，t h es o f t w a r ea n dt h e a r c h i t e c t u r e m u c hw o r kh a sb e e nd o n et oo p t i m i z et h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r e d e s i g ni no r d e rt or e a l i z et h eh i g h s p e e dt r a n s m i s s i o nt og e tt h em o s tu s eo ft h es y s t e m b a n d w i d t ha n du s et h ei n t e l l i g e n ts o f t w a r em e t h o di n s t e a do f t h eu s u a lm a nw o r k 。 k e y w o r d s ： u s bc p l d p a t c h c l a m p d r i v e rf i r m w a r e d a t a a c q u i s i t i o n a n dc o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的 研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：滞t - - 月厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和倍阗。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密口，在 本论文属于不保密 ( 请在以上方框内打“”) 年解密后适用本授权书。 艚教一：鹏翌 日期：df - 年r 月可日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 前言 1 绪论 1 9 7 6 年s a k m a n n 和n e h e r 建立了膜片钳技术。这是一种以记录通过离子通道 的离子电流来反映细胞膜上单一( 或多个) 离子通道分子活动的技术。他们将玻 璃管微电极与仅含几个离子通道、面积约几平方微米的去神经肌膜形成高阻封接， 记录了皮安级的己酰胆碱受体通道电流，记录的结果反映了细胞膜上离子通道的 分子活动。1 9 8 1 年，n e h e r 和h a m _ i l l 又对膜片钳技术进行了较大改进，大大提高 了它的灵敏度，可以检测到l p a 的灵敏度、lui n 的分辨率和1 0 us 的时间分辨 率，为从分子水平研究生物膜离子通道的开启和关闭、动力学、选择性等膜信息 提供了直接手段。以后为了适应不同的研究需要，人们又建立了全细胞模式等许 多记录方法。现在，膜片钳技术与许多其它技术的有机结合，使其应用更加广泛， 在研究细胞第二信使、细胞分泌等方面发挥了重要的作用，还为生物膜离子通道 的鉴定、性质分析以及研究信号转导链的中间过程提供了直接手段。膜片钳技术 点燃了细胞和分子水平生理学研究的革命之火，它和基因克隆技术并驾齐驱，给 生命科学研究带来了巨大的前进动力【h 】。 长期以来，科学工作者不断的对膜片钳技术进行着改进【4 删，以期能获得更好 的性能和更简便的操作。计算机技术和超大规模集成电路技术的飞速发展为这种 改进提供了存在的条件。未来，人们希望能在计算机上用简单的几个按键步骤就 可以完成多个膜片钳试验系统的并行工作并实现数据自动共享。全自动膜片钳系 统技术就是要带来这样的一种革新。 目前做膜片钳商业推广和应用的两大公司，美国的a x o n 和德国的h e k a 公司，联合多个研究所，不断改进膜片钳技术，使得新一代的膜片钳在探测精度、 速度以及自动操作上有了很大的进步。国内，限于工艺和研究资源的限制，还没 有看到有超过上述两家公司性能的产品出现，所做的工作大部分集中在模仿以及 华中科技大学硕士学位论文 核心算法的研究。依托华中科技大学的仪博生命科学仪器公司经过多年对膜片钳 系统的研究和实验的积累，推出了自主产权的膜片钳系统 6 1 。 膜片钳系统和计算机技术结合紧密。膜片钳系统前端放大器获取的数据经过 a d c 转换进入计算机进行软件的分析、描绘，而控制部分的命令以及算法数据需 要经由d a c 下传到前端各个控制单元。这样一个交互的模块在现有的系统里面 是由一个插在计算机内部插槽上的采集控制板卡来完成的。在设备安装时，需要 关闭计算机、打开机箱，不仅手续繁琐、占用系统插槽资源，而且容易出错，给 现场调试和系统升级带来很大麻烦，对于计算机基础比较薄弱的生理学研究人员 则更加困难。 分析现有总线技术，比较新的u s b 总线技术，能够实现把数据采集控制板卡 转移到p c 机箱外面来，真正的做到即插即用、独立供电，操作方便，是新一代 全自动膜片钳系统数据采集控制接口比较理想的总线控制技术。 从a x o n 和h e k a 公司目前发布的产品以及本人能查询到的国内外公开发 表相关论文中，均没有发现有关使用u s b 总线技术作为新一代全自动膜片钳数据 采集控制部分应用的产品和论文，当前的膜片钳系统使用的仍然是基于p c i 总线 的插卡产品。 1 2 计算机外围总线技术发展 计算机技术发展日新月异，外围设备也是层出不穷，速度越来越高，消耗资 源越来越大。为了适应快速变化的外围设备的需要，计算机外围设备总线也经历 了几次革新，总体来说经历了i s a 、p c i 两个大的阶段发展到现在的u s b 、1 3 9 4 等并存的局面。 比较老的膜片钳系统采集控制插卡使用的是i s a 总线。其总线宽度为8 1 6 b i t ， 最大传输速率为8 m b s ，但允许多个c p u 共享系统资源。由于兼容性好，它在 上个世纪8 0 年代是最广泛采用的系统总线，不过它的弱点也是显而易见的，比如 传输速率过低、c p u 占用率高、占用硬件中断资源等，因而已被p c 系统淘汰。 华中科技大学硕士学位论文 当前国外以及国内使用和生产的膜片钳系统都是使用的p c i 总线控制的数据 采集控制卡。p c i 总线是独立于c p u 的系统总线，采用了独特的中间缓冲器设 计，可将显示卡、声卡、网卡、硬盘控制器等高速的外围设备直接挂在c p u 总 线上，打破了瓶颈，使得c p u 的性能得到充分的发挥。遗憾的是，使用p c i 总 线的设备需要占据主板插槽，支持设备数量有限，存在中断请求( i n t e r r u p t r e q u e s t ，i r q ) 共享冲突，不支持热插拔，安装、调试和现场升级比较困难， 并且由于放在计算机内部容易受到其他插卡的干扰。 u s b 总线技术和i e e e1 3 9 4 火线总线技术。这两种新的总线技术同属于串行 总线，都具有即插即用和热插拔的特性，使用了这两种总线技术的设备可以通过 接口连线实现自供电，接口简单，设备安装时不需要打开机箱。u s b 总线主要是 用来连结低速的外围设备如键盘、扫瞄仪、与磁盘机等，速度分两个版本，分别 为最大1 5m b y t e s 和最大6 0m b y t e s 。其可以实现操作系统自动识别新插入设备 并做自动配置，接口价格低廉且容易连结，目前已经成为了标准的p c 接口。1 3 9 4 总线技术主要设计用于高速传输的应用场合，目前的速度是5 0 m b y t e s ，新版本 的传输速率将增加至4 0 0 m b y t e s 。1 3 9 4 接口未置于英特尔的p c 集成芯片，英特 尔的p c 使用者必须外接1 3 9 4 控制器，且接口复杂，使得使用1 3 9 4 总线接口的 设备开发成本大大增加。 1 3 u s b 总线技术 u s b 总线是由个人电脑协会和电讯工业厂家联盟( 包括c o m p a q 、i b m 、i n t e l 、 m i c r o s o f t 、n e c 等) 共同开发的，目前已经成为了p c 和外设互连的标准接口。u s b 接口使用4 芯导线、n r z , i ( 反向非规零) 编码传输，其总线协议规定使用该技术 的设备相对于p c 机来说是被动( s l a v e ) 设备，不主动占据系统任何的内存空间 和插卡资源，也不会主动向系统申请操作资源，是一个非常“干净”的设备。由 于使用了四芯导线，设备具有自供电的能力，即插即用，设备可以做成便携式， 携带和使用都非常方便。u s b 协议是基于p c i 总线协议的，协议本身因为功能的 华中科技大学硕士学位论文 原因比较复杂，但是现在的主流操作系统，m i c r o s o f tw i n d o w s 、l i n u x 、m a co s 等都在系统底层提供了u s b 总线协议细节的支持，使得用户开发新的设备变得异 常容易。此外，u s b 协议是一个完整而连续的协议，这就意味着对于同一种类型 的设各，驱动资源存在共享的完全可能( 如人机接口设备) ，一般的开发用户可以 脱离复杂的驱动程序直接进入用户应用程序设计，大大的缩短产品开发和上市的 周期。 1 3 1u s b 总线接口硬件模型 u s b 总线技术定义了u s b 设备是一个星形的扩展忉。扩展的最上层是主控制 器，连接在主机的总线上，并和其下的根集线器连接，提供所有u s b 设备唯一的 一个连接点，也是p c 机和设备数据交互的接点。在根集线器的下面可以连接设 备，也可以连接另外的集线器扩展可用的u s b 端口。整个u s b 总线接口硬件模 型如图1 f 1 所示。 图1 1u s b 总线接口硬件模型 设 备 4 华中科技大学硕士学位论文 主控制器负责所有主机端u s b 事务的处理，把软件设置的设备地址、传输方 向、传输类型以及缓冲区数据等组成u s b 事务转变成串行数据流发送到根集线 器。根集线器和一般的集线器主要区别在于所处位置不同以及面向的不同的服务 对象。它们都包含了两个基本的组件：转发器和管理器【7 一。每一个集线器都提供 一个和上层集线器相连接的全速端点。转发器负责把这个端点上所有下行的数据 转发到各个活动端口，同是也把所有需要返回到主机的数据流发送到上一层集线 器。这个过程中，全速设备的数据包不会发送到慢速设备，因为u s b 协议规定一 个慢速设备只能得到后接前导包的u s b 事务，集线器检测到该前导包后将临时转 换到慢速传输模式，把随后的u s b 事务数据流发送到慢速设备端口。集线器管理 器负责主机和集线器转发器之间的通信，辅助主机枚举设备。设备中一般都有 u s b 接口引擎和端点，前者负责u s b 事务处理，后者提供设备和主机通信的硬 件缓冲。 1 3 2u s b 总线接口编程模型 每一个u s b 设备都有端点( e n d p o i n t ) ，用来实现设备和主机的通信。端点 由缓冲区和端点控制寄存器组成。端点的缓冲区通过逻辑抽象成管道( p i p e ) 实 现设备资源到主机驱动程序缓冲区的映射，从而使得在主机上读取管道如同存取 设备的端点。端点有其配置属性，类型和方向是其中之一。u s b 协议规定，除了 0 端点以外，其余的端点都是单向的。端点的类型对应u s b 协议规定的四种传输 类型中的一种，这四种传输类型分别是：控制传输、中断传输、批量传输和同步 传输。 u s b 协议规定所有的u s b 设备必须支持使用缺省的端点o 实现双向的控制 传输方式，用于设备插入主机，主机还没有得到设备容量的情况下识别、配置设 备。中断传输方式仅仅使用于设备向主机定期传输数据，允许设定一个固定的时 间间隔主机查询设备有无数据传输请求。批量传输和同步传输都是用于大块数据 传输的场合，不同的是前者的数据传输紧迫度没有后者强。批量传输有错误校验 华中科技大学硕士学位论文 和重传机制，充分保证数据的正确性，但其在传输带宽方面不能得到有效保证， 因而不适合实时的数据传送。同步传输方式将把可能的u s b 带宽全部利用起来， 尽量保证当时产生的数据流当时传送到主机，因为要保证数据的实时性，没有数 据校验和错误恢复机制。 端点的配置还包括端点缓冲区最大包、轮询间隔( 中断方式和同步方式) 等 属性。多个端点的配置形成一个接口，指出软件应该怎样的访问硬件。多个接口 形成一个设备配置。u s b 设备般包含一个或者多个配置，用于适应不同操作系 统的需要。 1 4 本论文的主要工作 本论文将首先介绍膜片钳技术及系统的工作原理，分析当前应用于膜片钳系统 中基于p c i 总线技术采集控制卡的工作模式，进而详细介绍基于u s b 总线技术的 采集控制接口的硬件设计和软件设计，以及整个系统的实现，在每一个部分中还 会就相关的技术细节做一定的讨论，最后对全文做总结并展望。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 膜片钳技术简介 2 膜片钳技术及系统 膜片钳技术是将适当参数的玻璃管微电极吸附于细胞表面形成高阻封接 ( g i g a s e a l ，1 0 g f ) ) 后，使与电极尖端开口处相接的细胞膜的细小区域与其周围膜 片在电学上分离，然后将电位保持在钳制电位w h ) 上，或从钳制电位跳跃到一个 特定的方波电位上，来监测记录细胞膜上微小通道电流的变化。在形成高阻欧姆 封接时，电阻值如此之高( g n ) ，故基本上可以看成绝缘，其上的电流可看成为零， 形成高阻封接的力主要有氢键、范德华力、盐键等。此封接不仅电学上近乎为零， 在机械上也极其牢固。又由于玻璃电极尖端管直径很小，其下的膜面积仅为1 2 p m 2 。在这么小的膜面积上离子通道数量很少，一般只有个或几个，经它们流 出的离子量也很少，相对于整个细胞来说可以忽略。那么，只要保持电极内电位 值不变，则其下的- - d 片细胞膜两侧的电位差就不变，从而可以实现电位的固定。 膜片钳技术就是通过负反馈电子线路向电极内注入一与离子电流幅度相等极性相 反的电流，保持电极内电位值不变，而达到电压钳制的目的f 悱1 1 l 。 2 2 膜片钳系统结构 图2 1 所示为典型膜片钳电生理试验系统结构】。 由图中可以看出，膜片钳系统主要由三个部件组成，即光学部件、电子学部 件以及机械部件。机械部件主要是支撑仪器的工作台、仪器架等。光学部件包括 显微镜、监视器以及单色光系统，前者用于细胞和玻璃电极对接观察，监视器用 于监视这一过程，后者主要用于荧光测量。电子学部件主要包括前端的放大器、 刺激器，中间的数据采集控制器以及用于系统控制和数据采集分析的计算机系统。 除以上所述物理部件外，膜片钳系统还包括复杂的软件系统，实现系统的功能。 在膜片钳整个系统中，电子部件中的数据采集控制接口连接膜片钳和计算机 华中科技大学硕士学位论文 系统，负责通信和数据交换。对于目前的膜片钳系统，该部分是唯一需要安插到 用户计算机系统中的硬件，也是本文讨论的需要替代的设备。 图2 1 典型膜片钳电生理试验系统 2 3 膜片钳系统中常用的数据接口技术 膜片钳系统中常用的数据接口技术包括i s a 总线技术的插卡和p c i 总线技术 的插卡。i s a 总线技术因为速度和资源占用率的缘故，已经被p c 系统淘汰，使 用这种技术的膜片钳数据采集控制接口也基本上消失。现有膜片钳系统中使用的 是基于p c i 总线的数据采集控制系统。 应用于膜片钳系统的p c i 总线技术的数据采集控制卡上，设计有a d c 、d a c 及计数器等资源。计数器被用来设置作为数据传输间隔的中断触发源。膜片钳系 统正常工作时，运行于上位机的系统软件通过设置不同的工作模式达到控制卡操 作时序的目的。这里有三种不同的工作模式：e p i s o d i c 、s e a t e s t 和g a p f r e e 。系 统工作于e p i s o d i c 模式时，通过设置计数器设定采样的间隔，计数器计数完成后， 会触发硬件产生中断，被驱动程序捕获转换成读写请求，用户程序根据这个读写 请求获取数据或者下传命令字，如此往复循环。s e a t e s t 模式和e p i s o d i c 模式的 不同在于数据的读写不是连续的，即读写块数据后停止采集和控制，然后用曲线 描绘数据。g a p f r e e 模式是只读不写模式，一次读取大块数据，然后作曲线描绘。 华中科技大学硕士学位论文 2 4 本接口系统设计的目标 从膜片钳系统和p c i 卡的分析中可以看出，设计新的基于u s b 总线的采集控 制接1 2 1 ，需要在兼容原有系统软件和前端硬件工作的需要上，兼顾新的全自动膜 片钳系统在软件智能操作上的传输要求。具体到本次设计，需要有上下传输数据 通道并且支持多种读写方式，即连续读写、只读不写和单点读写交互；需要有独 立的串口提供系统初始化时对前端电路系统的配置；需使用光隔器件以减少计算 机系统为首的数字部分对于前端模拟电路的干扰；需要实现模拟信号和数字信号 的相互转换。在系统的性能上，需实现单个通道1 0 0 k b y t e s s 以上的数据转换速率 以及整个系统5 0 0 k b y t e s s 以上的数据交换速度。 9 华中科技大学硕士学位论文 3 接口系统硬件设计 接口系统硬件设计的任务是根据本系统设计要求给出物理上的实现。本章将 首先讨论硬件系统设计整体原理框图，然后对主要的硬件单元工作原理做出分析， 最后讨论硬件设计中的几个细节问题。 3 1 整体设计 图3 1 所示是基于u s b 总线技术数据采集控制接口的硬件系统整体原理图。 图3 1 基于u s b 总线技术数据采集控制接口硬件系统原理图 从图中可以看出，整个硬件系统主要由五个部分组成：电源、主控制、逻辑 控制、数据缓存、光电隔离与数据转换以及各自的外围支撑电路。 主控制器主要实现上位p c 机和数据接口的数据上传和下载，并在系统初始 化时提供一个串口供用户对膜片钳前端电路系统的部分单元进行初始化操作。由 于在软件中采用了批量读写的方式来提高主控制器和上位机数据交换的速率，系 统硬件设计中使用了两片先进先出存储器( f i r s ti nf i r s to u t ，f i f o ) 作为前端a d c 和d a c 器件的数据缓冲。逻辑控制器主要用来完成f i f o 和a d c 与d a c 接口时 1 0 华中科技大学硕士学位论文 数据格式的变换，并根据a d c 与d a c 器件的工作时序自动控制其操作。在系统 调试阶段，它还起着系统复位以及在线调试所需时序的产生等功能。整个膜片钳 系统前端模拟部分对噪声和干扰极其敏感，计算机系统以及接口上的数字电路部 分有可能会带来负面的影响，所以在硬件上使用了光电隔离芯片【l2 1 ，把模拟电路 部分和数字电路部分通过光信号的形式隔离开。电源部分为了适应这种需要，使 用了d c d c 隔离芯片，对模拟部分和数字部分单独供电。数据转换部分主要是 a d c 和d a c 器件，完成膜片钳采集到的信号的数字量化以及用户数据或者命令 字的数字形式转换成模拟电压传输到膜片钳前端电路系统单元进行用户控制。 本系统中，d c 仍c 电源选用广卅i 金升阳公司的i a 0 5 1 5 p 以及i b 0 5 0 5 l s ，分 别为5 v 转1 5 v 、5 v 转5 v 器件；主控制器选用c y p r e s s 公司的a n 2 1 3 1 q c ，一 个带5 l 内核和u s b 接口的单片机；逻辑控制器选用a l t e r a 公司的e p m 3 2 5 6 a ， 等效约5 0 0 0 个可用门的复杂可编程逻辑器件( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i c a l d e v i c e ，c p l d ) ；数据缓存选用i d t 公司7 2 v 0 4 ，4 1 4 带半满标志的f i f o 存储器； 光电隔离器件选用h i 公司的6 n 1 3 7 ，速度高达6 1 0 m b p s 的数字光电隔离器； 数据转换部分的a d c 选用公司的a d s 7 8 4 4 ，d a c 选用a n a l o g 公司的a d 5 3 2 2 。 3 2 主要工作单元 3 2 1 主控制器 a n 2 1 3 1 q c 是c y p r e s s 公司生产的与u s b 协议1 1 版完全兼容的微控制器， 其基本结构如图3 2 所示【1 4 】。a n 2 1 3 i q c 内部有两个主要组成部分，分别为u s b 接口和5 1 单片机内核。 u s b 接口部分包括u s b 收发器、串行接口器( s e r i a l i n t e r f a c e e n g i n e ，s i e ) 。 u s b 收发嚣是u s b 总线接口的电气连接。u s b 协议1 1 版本定义了两种不同的 设备类型，即慢速设备和全速设备，对应的数据传输速率分别为1 5 m b p s 和 1 2 m b p s 。设备类型的识别依靠设备插入u s b 总线接口时差分线上的电平变化。 华中科技大学硕士学位论文 主机端两条差分线上都对地连接了1 5 k f f 2 的电阻，使得其上的电平近似为“0 ”， 设备端需要在两条差分线中的一条上设置上拉电阻，其值为1 5 q ，设备插入接口 时，由于电阻分压的关系，数据线上将出现一个高电平，u s b 协议规定，如果该 高电平持续时间在2 5ps 以上并且是出现在“d + ”传输线上【1 4 】，则认为设备已 经插入并且识别为全速设备，否则就是没有设备或者是慢速设备。 图3 2a n 2 1 3 1 q c 内部结构 s i e 连接在u s b 收发器上，监视u s b 收发器上的电平变化，收集数据包并做 解码，使用包的c r c 码作错误校验然后分发数据到设备。当s i e 发现数据包传输 出现错误时，会自动的不作应答等待主机端超时重新传输数据包。当设备跟不上 主机速度时，s i e 还会自动发送n a k ，提示主机等待通信。对于设备来说，发送 给主机的数据无需事先编码，因为s i e 会自动的把设备数据编码成可以在u s b 总 线上传输的格式并且插入c r c 校验码。s i e 的所有操作对于终端用户以及设备本 身都是透明的，这就意味着用户可以彻底的脱离u s b 协议复杂的物理层和电气 层，直接进入应用层。 a n 2 1 3 1 q c 内部的8 0 5 1 内核单片机和传统的并不相同，是一个改进型的内 核。这种改进体现在以下几个方面： 1 ) 指令执行周期。传统的5 1 系列单片机一个指令执行周期为1 2 个时钟周期， 而a n 2 1 3 1 q c 的减少到四个时钟周期； 华中科技大学硕士学位论文 2 ) 系统时钟。传统5 1 系列单片机系统时钟一般为1 2 m t t z ，a n 2 1 3 1 q c 外部 时钟1 2 m h z ，在内部通过倍频到4 8 m - i z ，然后两倍分频供内核使用； 3 ) 其他外部资源。a n 2 1 3 1 q c 相较与普通韵5 l 单片杌多配置了个数据指 针、一个串行接口、一个1 6 位时钟、一个高速非复用1 6 位地址总线存储 器接口、8 个额外的中断源以及为了配合快速或者慢速外存储器读取的可 变的“m o v x ”指令周期； 4 ) 功耗。a n 2 1 3 1 q c 使用3 3 v 电源供电，具有更低的功耗。 在u s b 数据传输方面，该8 0 5 1 核通过自动指针资源、快速传输模式提供快 速的外存储器数据访问，还提供自动中断矢基资源加快中断响应。 a n 2 1 3 1 q c 片内有2 5 6 字节的内部r a m ，8 k 字节程序数据r a m ，三个可 编程i o1 2 1 以及一个f c 控制器。1 2 c 器件可以用作普通存储器，也可以作为整个 系统的启动器。 3 2 2 逻辑控制器 为了减小系统规模和功耗，数据转换部分选择了串行接口的器件，面f i f o 是 并行的数据输入偷出，两者之间接口时需要做数据格式的转换；系统正常工作时， u s b 数据的传输将占据整个9 0 5 1 核的c p u 时间，不希望有额外的操作；数据转 换器件的命令字以及f i f o 的读写操作需要能实现自动控制。如果使用传统数字 电路的设计方法，将在硬件系统设计中使用大量的触发器、反相器、t e 较器等数 字芯片，扩大了系统规模，更会增加系统功耗、带来诸如热噪声、电磁兼容性 ( e l e c t r om a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ，e m c ) 等方面的干扰。在系统中应用片c p l d 就可以解决上述问题【i ”。 c p l d 内部包含大量可编程逻辑宏单元、门阵列以及高速互连线。由于采用 了新工艺，集成度高，功耗低，内部延时小。c p l d 支持在系统可编程( ks y s t e m p r o g r a m m a b i l i t y ，i s p ) 技术，可以方便的实现现场编程下载以及升级。 本次设计中使用的逻辑控制芯片是a l t e l a 公司的e p m 3 2 5 6 a 1 0 ，该芯片的内 华中科技大学硕士学位论文 部基本单元如图3 3 所示【1 6 1 。e p m 3 2 5 6 a 由以下几个部分组成 图3 3e p m 3 2 5 6 a 内部结构 2 6 个i o 引脚 1 ) 宏单元。由逻辑与阵列、乘积项选择矩阵和可编程寄存器组成，能单独配 置成时序逻辑或者组合逻辑的工作方式。 2 ) 可编程连线阵列( p r o g r a m m a b l e i n t e r c o n n e c ta r m y ，p i a ) 。整个芯片的布 线连接由p i a 来完成。采用这种布线方法，延时是固定的，因而设计完成 时，就可以预测到可能的工作速度。 3 ) 逻辑阵列块( l o g i c a la r r a yb l o c k ，l a b ) 。由1 - - 1 6 个宏单元组成，多 个l a b 通过p i a 和全局总线连接在一起，接收专用输入、1 7 0 引脚以及 宏单元的信号。 4 ) 扩展乘积项。当逻辑足够复杂，宏单元中的乘积项不够用时，可通过共享 和并联扩展乘积项，作为附加的乘积项直接输送到本l a b 的任一宏单元， 华中科技大学硕士学位论文 从而保证逻辑综合时，用尽可能少的逻辑资源得到尽可能快的工作速度。 5 ) i o 控制模块。e p m 3 2 5 6 a 的每一个i o 都有一个三态缓冲器，可以配置 成输入、输出或者双向工作模式中的任一种。 e p m 3 2 5 6 a 等效为5 0 0 0 个可用门资源，其内部包含2 5 6 个宏单元，1 4 4 个可 变程1 0 引脚，内部时钟可达9 5 m h z 。i o 引脚分成4 组，可以分别定义为不同的 输出电平满足不同接口的需要，对于输入，兼容2 5 v 、3 3 v 以及5 v 的电平逻辑。 e p m 3 2 5 6 a 支持i e e e l l 4 9 和i e e e l 5 3 2 协议，前者定义了单片快速编程，后 者定义了多个不同设备次同时编程。 3 2 3 数据缓存 单机上软件运行本质都是串行的，而数据转换部分的a d c 和d a c 都是并行 工作的。在软件运行切换时会产生数据；u s b 总线使用1 m s 数据帧，为了提高数 据交换的速度，需要往这个帧中尽量填充数据，数据必须事先准备好。这里使用 数据缓存器，来解决这个问题。 t d t7 2 v 0 4 l 1 5 j 是4 k 字节、1 5 n s 的异步f i f o 存贮器。该器件不需要额外的 时钟，读写在硬件逻辑上完全分开，因而可以实现并行操作。f i f o 的数据宽度是 9 b i t ，a n 2 1 3 1 q c 的数据宽度为8 b i t ，数据缓冲器可以使用这个多余的位做简单的 数据校验。该器件除提供空标志和满标志位外，还额外提供一个半满标志位，在 存储器写入内容过半时产生一个脉冲。系统设计中，可以使用这个标志位做半满 传输通知。 3 2 4 光电隔离 h c p l 0 6 3 0 是应用比较广泛的高速数字光隔离器件，速度可以达到6 1 0 m b p s 。该器件的驱动方法如图3 4 所示。由于器件的输入端需要电流较大，故 采用o c 门驱动内部的发光二级管。输出端是集电极开路，直接输出的波形不太 理想，所以后接一个反相器对波形进行整理。 华中科技大学硕士学位论文 3 2 5 数据转换 图3 4 光隔离器件驱动电路图 数据转换包括模数转换和数模转换，分别使用a d s 7 8 4 4 和a d 5 3 2 2 ，均为串 行器件。 a d s 7 8 4 4 为1 2 b i t 、8 通道、2 0 0 k h z 转换速度、0 5 v 输入的低功耗a d c ， 支持单通道输入和两个通道差分输入。a d s 7 8 4 4 还支持三种操作速度，即每一个 转换周期可以为2 4 个时钟周期、1 6 个时钟周期或1 5 个时钟周期。该芯片正常工 作在5 v 供电下功耗为3 m w ，而在省电模式下功耗仅为luw 。 a d 5 3 2 2 是1 2 b i t 、2 通道的低功耗d a c 。芯片内由同步逻辑，可以实现输出 两个通道的同步更新，从而达到同步控制的目的。a d 5 3 2 2 具有轨对轨( r a i l t o m i l ) 输出的特性，输出值可以达到参考电压。另外，a d 5 3 2 2 正常工作在5 v 供电下功耗为1 5 m w ，省电模式时功耗为1 弘w 。 3 2 5 电源 为了隔离开模拟和数字部分，使用了d c d c 变换电源。d c d c 是一种开关 型的电源，效率可达8 0 以上，其固有缺点是纹波和噪声不是很理想。系统中使 用的芯片i a 0 5 1 5 p 、i b 0 5 0 5 l s ，其输出部分都自带了稳压块。对其做负载测试， 华中科技大学硕士学位论文 纹波和噪声不理想。对于i b 0 5 0 5 l s ，为数字光隔离芯片供电，这些干扰可以接受。 但i a 0 5 1 5 p 为模拟部分供电，干扰的大小将直接影响输入、输出信号的精度，故 在其输出端后接线性稳压器来改善输出电压的性能。整个硬件系统的输入端是 5 v ，数字部分需要3 3 v 供电，因而引用了一片n 的线性电源t p s 7 7 6 3 3 做线形 电压变换【1 7 】。前端数据交换部分的参考电源由l m 3 3 6 5 产生。 3 3 设计中的若干细节问题 3 3 1 电平兼容 数字电路发展至今已经形成了多种逻辑电平共存的局面。市面上所售芯片普 遍存在c m o s 和r r l 两种互不兼容的逻辑电平。芯片供电也出现了5 v 、3 3 v 、 2 5 v 以及1 , 8 v 等多种。因而不同工艺、输入电压的芯片，其参考输入、输出参 考电平是不同的。常见几个电源以及工艺的芯片参考电平如表3 1 所剥1 8 1 。 表3 2 几种不同工艺和电源芯片的逻辑电平 输入电压和工艺v o l ( v )v o h ( v )v m ( v )v m ( v ) 5 v c m o s0 54 41 53 、5 3 3 vt t l 、l v c 、a l v t0 42 40 82 5 v 1 n 。0 42 4082 从表中可以看出，使用3 3 v 器件驱动5 vt t l 器件不会存在电平接口问题。 如果使用5 vt t l ( 或c m o s ) 驱动3 3 vt t l 或者3 3 vt t l 驱动c m o s 就会发 生电平不兼容问题 19 】。这里有两个解决方法：使用专用转换芯片和使用电阻。专 用转换芯片使用不同的输入电源( 或者同时使用两种输入电源) 实现不同电平之 间的转换，速度快，但是需要额外增加一块i c 。使用电阻的方法，实质是分压和 上拉，即把5 v 器件输出电平通过电阻分压后形成3 3 v 器件可以接受的电压值输 送到器件，或者在3 3 v 器件驱动5 v 器件高电平值匹配时，连接电源提高该输出 7 华中科技大学硕士学位论文 电压值。使用该种方法，简单且容易实现，但是由于分布电容的存在，不能实现 很高的速度。 本系统中，主控制器、逻辑控制器、f i f o 等都使用了3 3 v 供电、光电隔器、 数据转换器等是5 v 供电的，数据在这种不同逻辑之间的交换是双向并存的，因 而有逻辑电平接口问题。从输入的角度来说，系统中需要和5 v 逻辑接口的器件 其输入端都做了硬件保护，允许高于自身电源的逻辑电平输入，因而可以直接连 接5 v 器件。而相对于输出，控制器输出电平不能满足光电隔离器件的要求，而 且输出端驱动电流较大，因而需要增加驱动器。用作电平转换的是7 4 l s 0 6 ，丌l 兼容输入的集电极开路反相器。分析其输出端，实际上等效为电阻一三极管结构， 在速度上有瓶颈。 3 3 2 功耗 d c d c 电源最大功耗为2 w ，需要供给模拟部分以及相应的光电隔离器件。 光电隔离器件正常工作的驱动电流( 7 m a ) 较大，硬件设计上需要考虑尽量使得 其打开的次数减少以防止d c d c 变换器件过载，同时也可以减小该器件的发热 量。分析光电隔离器件内部结构，可以发现当输入端驱动的二级管关闭，即输入 信号保持为低电平时，可以得到比较小的功耗。从相连接a d c 、d a c 器件信号 来看，a d c 的“d o u r ”、“b u s y ”信号正常工作时处于逻辑电平“0 ”的状态的概 率要大于其处于逻辑电平“1 ”状态，也就是导致光隔离器件处于打开的状态比较 多，因而硬件电路设计时对这两个信号输出分别作了多连接一个反相器的冗余设 计。 华中科技大学硕士学位论文 4 接口系统软件设计 接口系统软件设计的任务主要是完成基于u s b 总线数据采集控制接口的功 能、硬件逻辑的实现、操作系统接口以及最终的用户应用程序接口。系统软件设 计涉及物理层的硬件、操作系统底层驱动以及上层算法抽象，多个编程语言和工 具，调试方法也有多个，故而体系比较复杂。本章将首先对系统软件按照功能和 所处位置进行分层，然后对每一层软件设计方法和理论进行详细分析，最后就系 统软件设计中的若干问题进行讨论。 4 1 系统软件概述 系统软件按照完成的功能和所处的位置，从底而上分别为硬件描述语言 ( h a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，h d l ) 层、固件层、驱动层以及应用程序层。 系统软件的原理框图如图4 1 所示。 图4 1 系统软件框图 华中科技大学硕士学位论文 最底层的h d l 层程序主要是通过软件算法让硬件实现系统所需逻辑功能：固 件层程序完成f i f o 数据的读写以及通过u s b 总线实现和p c 机之间数据的快速 交换；驱动层程序是面向w i n d o w s 操作系统的，满足w i n d o w s 操作系统对外设 的统一管理，实现操作系统对设备诸如读写、配置等功能；应用层程序接口面向 用户应用程序，提供数据接口系统和应用程序的对接。各层软件设计工作都是为 了使膜片钳系统数据采集控制接口操作对于终端用户来说透明，即用户不需要关 心操作系统或者是该接口的任何细节，从设备连接上p c 机开始，所有的配置、 下载、安装以及用户数据的交互都是自动实现的。 4 2i t d l 层程序设计 c p l d 内部大量的可编程逻辑资源和互连线需要通过某种软件算法连接在一 起形成一个完整的逻辑功能。由于逻辑关系和互连线非常复杂，纯粹依靠人工实 现的方法，正如，在一般的情况下使用机器码编写程序一样，不论是维护、调试 还是效率上都是难以想象的。于是，电子设计自动化( e l e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t i o n ，e d a ) 技术应运而生。 4 2 1e d a 技术和c p l d 程序设计 e d a 技术以计算机为工具，代替人完成数字系统的逻辑综合、设计仿真和布 局布线等工作，使得设计人员只需要完成系统功能的描述，就可以由计算机软件 处理得到设计结果，这样，对硬件设计的修改如同软件一样的方便，极大的增强 了传统硬件设计的灵活性，提高了设计效率。 使用e d a 技术对c p l d 进行设计的一般流程如图4 2 所示【2 0 】。它包括设计输 入、功能仿真、设计处理、时序仿真、器件编程以及物理验证等几个步骤。 设计输入是设计人员对系统功能的算法抽象，主要包括三种手段，分别为原 理图输入、硬件描述语言输入以及波形输入。原理图输入是利用软件提供的元器 件库直接设计芯片内部逻辑结构，其优点是直观且容易实现仿真，对信号的观察 华中科技大学硕士学位论文 和电路调整比较方便，但是效率低、不容易维护且对于开发人员要求较高。硬件 描述语言的输入方式实际上是使用抽象的软件算法来实现硬件功能的建模，该种 方法可以使设计人员脱离相关硬件平台，利于共享和重复利用，并且在系统设计、 逻辑验证阶段就可以确定方案的可行性。波形输入主要是建立和编辑波形以及输 入仿真向量和功能测试向量。 图4 2 c p l d 设计流程 功能仿真是在用户输入完毕后没有做综合、没有插入延时关系前对系统的逻 辑功能的验证，也州前仿真。设计处理包括对功能仿真正确的设计输入进行逻辑 化简，综合优化成布线器可以识别的网表文件，用该文件布局布线同时得到设计 的寄存器级延时。把寄存器级延时表插入设计输入进行时序仿真，分析芯片