全文地址 摘要：简述了生物传感器尤其是微生物传感器近年来在发酵工业及环境监测领域中的研究与应用，对其发展前景及市场化作了预测及展望。生物电极是以固定化生物体组成作为分子识别元件的敏感材料，与氧电极、膜电极和燃料电极等构成生物传感器，在发酵工业、环境监测、食品监测、临床医学等方面得到广泛的应用。生物传感器专一性好、易操作、设备简单、测量快速准确、适用范围广。随着固定化技术的发展，生物传感器在市场上具有极强的竞争力。关键词：生物传感器；发酵工业；环境监测。一、 引言从1962年，Clark和Lyons最先提出生物传感器的设想距今已有40 年。生物传感器在发酵工艺、环境监测、食品工程、临床医学、军事及军事医学等方面得到了深度重视和广泛应用。在最初15年里，生物传感器主要是以研制酶电极制作的生物传感器为主，但是由于酶的价格昂贵并不够稳定，因此以酶作为敏感材料的传感器，其应用受到一定的限制。近些年来，微生物固定化技术的不断发展，产生了微生物电极。微生物电极以微生物活体作为分子识别元件，与酶电极相比有其独到之处。它可以克服价格昂贵、提取困难及不稳定等弱点。此外，还可以同时利用微生物体内的辅酶处理复杂反应。而目前，光纤生物传感器的应用也越来越广泛。而且随着聚合酶链式反应技术（PCR）的发展，应用PCR的DNA生物传感器也越来越多。二、 研究现状及主要应用领域1、 发酵工业各种生物传感器中，微生物传感器最适合发酵工业的测定。因为发酵过程中常存在对酶的干扰物质，并且发酵液往往不是清澈透明的，不适用于光谱等方法测定。而应用微生物传感器则极有可能消除干扰，并且不受发酵液混浊程度的限制。同时，由于发酵工业是大规模的生产，微生物传感器其成本低设备简单的特点使其具有极大的优势。(1). 原材料及代谢产物的测定微生物传感器可用于原材料如糖蜜、乙酸等的测定，代谢产物如头孢霉素、谷氨酸、甲酸、甲烷、醇类、青霉素、乳酸等的测定。测量的原理基本上都是用适合的微生物电极与氧电极组成，利用微生物的同化作用耗氧，通过测量氧电极电流的变化量来测量氧气的减少量，从而达到测量底物浓度的目的。在各种原材料中葡萄糖的测定对过程控制尤其重要，用荧光假单胞菌（Psoudomonas fluorescens）代谢消耗葡萄糖的作用，通过氧电极进行检测，可以估计葡萄糖的浓度。这种微生物电极和葡萄糖酶电极型相比，测定结果是类似的，而微生物电极灵敏度高，重复实用性好，而且不必使用昂贵的葡萄糖酶。当乙酸用作碳源进行微生物培养时，乙酸含量高于某一浓度会抑制微生物的生长，因此需要在线测定。用固定化酵母（Trichosporon brassicae），透气膜和氧电极组成的微生物传感器可以测定乙酸的浓度。此外，还有用大肠杆菌（）组合二氧化碳气敏电极，可以构成测定谷氨酸的微生物传感器，将柠檬酸杆菌完整细胞固定化在胶原蛋白膜内，由细菌—胶原蛋白膜反应器和组合式玻璃电极构成的微生物传感器可应用于发酵液中头孢酶素的测定等等。(2). 微生物细胞总数的测定在发酵控制方面，一直需要直接测定细胞数目的简单而连续的方法。人们发现在阳极表面，细菌可以直接被氧化并产生电流。这种电化学系统已应用于细胞数目的测定，其结果与传统的菌斑计数法测细胞数是相同的[1]。(3). 代谢试验的鉴定传统的微生物代谢类型的鉴定都是根据微生物在某种培养基上的生长情况进行的。这些实验方法需要较长的培养时间和专门的技术。微生物对底物的同化作用可以通过其呼吸活性进行测定。用氧电极可以直接测量微生物的呼吸活性。因此，可以用微生物传感器来测定微生物的代谢特征。这个系统已用于微生物的简单鉴定、微生物培养基的选择、微生物酶活性的测定、废水中可被生物降解的物质估计、用于废水处理的微生物选择、活性污泥的同化作用试验、生物降解物的确定、微生物的保存方法选择等[2]。2、 环境监测(1). 生化需氧量的测定生化需氧量（biochemical oxygen demand –BOD）的测定是监测水体被有机物污染状况的最常用指标。常规的BOD测定需要5天的培养期，操作复杂、重复性差、耗时耗力、干扰性大，不宜现场监测，所以迫切需要一种操作简单、快速准确、自动化程度高、适用广的新方法来测定。目前，有研究人员分离了两种新的酵母菌种SPT1和SPT2，并将其固定在玻璃碳极上以构成微生物传感器用于测量BOD，其重复性在±10%以内。将该传感器用于测量纸浆厂污水中BOD的测定，其测量最小值可达2 mg/l，所用时间为5min[3]。还有一种新的微生物传感器，用耐高渗透压的酵母菌种作为敏感材料，在高渗透压下可以正常工作。并且其菌株可长期干燥保存，浸泡后即恢复活性，为海水中BOD的测定提供了快捷简便的方法[4]。除了微生物传感器，还有一种光纤生物传感器已经研制出来用于测定河水中较低的BOD值。该传感器的反应时间是15min，最适工作条件为30°C，pH=7。这个传感器系统几乎不受氯离子的影响（在1000mg/l范围内），并且不被重金属（Fe3+、Cu2+、Mn2+、Cr3+、Zn2+）所影响。该传感器已经应用于河水BOD的测定，并且获得了较好的结果[4]。现在有一种将BOD生物传感器经过光处理（即以TiO2作为半导体，用6 W灯照射约4min）后，灵敏度大大提高，很适用于河水中较低BOD的测量[5]。同时，一种紧凑的光学生物传感器已经发展出来用于同时测量多重样品的BOD值。它使用三对发光二极管和硅光电二极管，假单胞细菌（Pseudomonas fluorescens）用光致交联的树脂固定在反应器的底层，该测量方法既迅速又简便，在4℃下可使用六周，已经用于工厂废水处理的过程中[5]。(2). 各种污染物的测定常用的重要污染指标有氨、亚硝酸盐、硫化物、磷酸盐、致癌物质与致变物质、重金属离子、酚类化合物、表面活性剂等物质的浓度。目前已经研制出了多种测量各类污染物的生物传感器并已投入实际应用中了。测量氨和硝酸盐的微生物传感器，多是用从废水处理装置中分离出来的硝化细菌和氧电极组合构成。目前有一种微生物传感器可以在黑暗和有光的条件下测量硝酸盐和亚硝酸盐(NOx-)，它在盐环境下的测量使得它可以不受其他种类的氮的氧化物的影响。用它对河口的NOx-进行了测量，其效果较好[6]。硫化物的测定是用从硫铁矿附近酸性土壤中分离筛选得到的专性、自养、好氧性氧化硫硫杆菌制成的微生物传感器。在pH=、31℃时一周测量200余次，活性保持不变，两周后活性降低20%。传感器寿命为7天，其设备简单，成本低，操作方便。目前还有用一种光微生物电极测硫化物含量，所用细菌是，与氢电极连接构成[7]。最近科学家们在污染区分离出一种能够发荧光的细菌，此种细菌含有荧光基因，在污染源的刺激下能够产生荧光蛋白，从而发出荧光。可以通过遗传工程的方法将这种基因导入合适的细菌内，制成微生物传感器，用于环境监测。现在已经将荧光素酶导入大肠杆菌（）中，用来检测砷的有毒化合物[8]。水体中酚类和表面活性剂的浓度测定已经有了很大的发展。目前，有9种革兰氏阴性细菌从西西伯利亚石油盆地的土壤中分离出来，以酚作为唯一的碳源和能源。这些菌种可以提高生物传感器的感受器部分的灵敏度。它对酚的监测极限为5 ´10-9mol。该传感器工作的最适条件为：pH=、35℃，连续工作时间为30h[9]。还有一种假单胞菌属（Pseudomonas rathonis）制成的测量表面活性剂浓度的电流型生物传感器，将微生物细胞固定在凝胶（琼脂、琼脂糖和海藻酸钙盐）和聚乙醇膜上，可以用层析试纸GF/A，或者是谷氨酸醛引起的微生物细胞在凝胶中的交联，长距离的保持它们在高浓度表面活性剂检测中的活性和生长力。该传感器能在测量结束后很快的恢复敏感元件的活性[10]。还有一种电流式生物传感器，用于测定有机磷杀虫剂，使用的是人造酶。利用有机磷杀虫剂水解酶，对硝基酚和二乙基酚的测量极限为100´10-9mol，在40℃只要4min[11]。还有一种新发展起来的磷酸盐生物传感器，使用丙酮酸氧化酶G，与自动系统CL-FIA台式电脑结合，可以检测(32~96)´10-9mol的磷酸盐，在25°C下可以使用两周以上，重复性高[12]。最近，有一种新型的微生物传感器，用细菌细胞作为生物组成部分，测定地表水中壬基酚（nonyl-phenol etoxylate --NP-80E）的含量。用一个电流型氧电极作传感器，微生物细胞固定在氧电极上的透析膜上，其测量原理是测量毛孢子菌属（Trichosporum grablata）细胞的呼吸活性。该生物传感器的反应时间为15~20min，寿命为7~10天（用于连续测定时）。在浓度范围内，电信号与NP-80E浓度呈线性关系，很适合于污染的地表水中分子表面活性剂的检测[13]。除此之外，污水中重金属离子浓度的测定也是不容忽视的。目前已经成功设计了一个完整的，基于固定化微生物和生物体发光测量技术上的重金属离子生物有效性测定的监测和分析系统。将弧菌属细菌（Vibrio fischeri）体内的一个操纵子在一个铜诱导启动子的控制下导入产碱杆菌属细菌（Alcaligenes eutrophus (AE1239)）中，细菌在铜离子的诱导下发光，发光程度与离子浓度成正比。将微生物和光纤一起包埋在聚合物基质中，可以获得灵敏度高、选择性好、测量范围广、储藏稳定性强的生物传感器。目前，这种微生物传感器可以达到最低测量浓度1´10-9mol[14]。还有一种专门测量铜离子的电流型微生物传感器。它用酒酿酵母（Saccharomyces cerevisiae）重组菌株作为生物元件，这些菌株带有酒酿酵母CUP1基因上的铜离子诱导启动子与大肠杆菌lacZ基因的融合体。其工作原理，首先是CUP1启动子被Cu2+诱导，随后乳糖被用作底物进行测量。如果Cu2+存在于溶液中，这些重组体细菌就可以利用乳糖作为碳源，这将导致这些好氧细胞需氧量的改变。该生物传感器可以在浓度范围()´10-3mol范围内测定CuSO4溶液。目前已经将各类金属离子诱导启动子转入大肠杆菌中，使得大肠杆菌会在含有各种金属离子的的溶液中出现发光反应。根据它发光的强度可以测定重金属离子的浓度，其测量范围可以从纳摩尔到微摩尔，所需时间为60~100min[15][16]。用于测量污水中锌浓度的生物传感器也已经研制成功，使用嗜碱性细菌Alcaligenes cutrophus，并用于对污水中锌的浓度和生物有效性进行测量，其结果令人满意[17]。估测河口出水流污染情况的海藻传感器是由一种螺旋藻属蓝细菌（ cyanobacterium Spirlina subsalsa）和一个气敏电极构成的。通过监测光合作用被抑制的程度来估测由于环境污染物的存在而引起水的毒性变化。以标准天然水为介质，对三种主要污染物（重金属、除草剂、氨基甲酸盐杀虫剂）的不同浓度进行了测定，均可监测到它们的有毒反应，重复性和再生性都很高[18]。近来由于聚合酶链式反应技术（PCR）的迅猛发展及其在环境监测方面的广泛应用，不少科学家开始着手于将它与生物传感器技术结合应用。有一种应用PCR技术的DNA压电生物传感器，可以测定一种特殊的细菌毒素。将生物素酰化的探针固定在装有链酶抗生素铂金表面的石英晶体上，用1´10-6mol的盐酸可以使循环式测量在同一晶体表面进行。用细菌中提取的DNA样品进行同样的杂交反应并由PCR放大，产物为气单胞菌属（Aeromonas hydrophila）的一种特殊基因片断。这种压电生物传感器可以鉴别样品中是否含有这种基因，这为从水样中检测是否含带有这种病原的各种气单胞菌提供了可能[19]。还有一种通道生物传感器可以检测浮游植物和水母等生物体产生的腰鞭毛虫神经毒素等毒性物质，目前已经能够测量在一个浮游生物细胞内含有的极微量的PSP毒素[20]。DNA传感器也在迅速的得到应用，目前有一种小型化DNA生物传感器，能将DNA识别信号转换为电信号，用于测量水样中隐孢子和其他水源传染体。该传感器着重于改进核酸的识别作用和加强该传感器的特异性和灵敏性，并寻求将杂交信号转化为有用信号的新方法，目前研究工作为识别装置和转换装置的一体化[21]。
简单的就定义开头呗，写写电化学在现实生活中的应用情况，简单介绍介绍。仅供参考哈
实在没有创新点的话，你完全可以去看看化学类的学术期刊，就比如分析化学进展，有机化学研究等，自己先多做些工作，做足准备了，后面实在没思路的话再去联系导师，这样导师也回理解你的
毕业论文用WPS或Word都可以，可以依据对软件的熟悉程度来选择。
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Word的简介：
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1.采用VHDL语言设计系统具有哪些特点 VHDL系统设计的基本点：（1）与其他硬件描述语言相比，VHDL具有以下特点： （2）功能强大、设计灵活。 （3）强大的系统硬件描述能力。 （4）易于共享和复用。2.举例说明FPGA是如何通过查找表实现其逻辑功能的？参考答案：在计算机科学中，查找表是用简单的查询操作替换运行时计算的数组或者 associative array 这样的数据结构。由于从内存中提取数值经常要比复杂的计算速度快很多，所以这样得到的速度提升是很显著的。 一个经典的例子就是三角表。每次计算所需的正弦值在一些应用中可能会慢得无法忍受，为了避免这种情况，应用程序可以在刚开始的一段时间计算一定数量的角度的正弦值，譬如计算每个整数角度的正弦值，在后面的程序需要正弦值的时候，使用查找表从内存中提取临近角度的正弦值而不是使用数学公式进行计算。 在计算机出现之前，人们使用类似的表格来加快手工计算的速度。非常流行的表格有三角、对数、统计 density 函数。另外一种用来加快手工计算的工具是滑动计算尺。 一些折衷的方法是同时使用查找表和插值这样需要少许计算量的方法，这种方法对于两个预计算的值之间的部分能够提供更高的精度，这样稍微地增加了计算量但是大幅度地提高了应用程序所需的精度。根据预先计算的数值，这种方法在保持同样精度的前提下也减小了查找表的尺寸/ 在图像处理中，查找表经常称为LUT，它们将索引号与输出值建立联系。颜色表作为一种普通的 LUT 是用来确定特定图像所要显示的颜色和强度。 另外需要注意的一个问题是，尽管查找表经常效率很高，但是如果所替换的计算相当简单的话就会得不偿失，这不仅仅因为从内存中提取结果需要更多的时间，而且因为它增大了所需的内存并且破坏了高速缓存。如果查找表太大，那么几乎每次访问查找表都回倒置 cache miss，这在处理器速度超过内存速度的时候愈发成为一个问题。在编译器优化的 rematerialization 过程中也会出现类似的问题。在一些环境如Java 编程语言中，由于强制性的边界检查带来的每次查找的附加比较和分支过程，所以查找表可能开销更大。 何时构建查找表有两个基本的约束条件，一个是可用内存的数量；不能构建一个超过能用内存空间的表格，尽管可以构建一个以查找速度为代价的基于磁盘的查找表。另外一个约束条件是初始计算查找表的时间——尽管这项工作不需要经常做，但是如果耗费的时间不可接受，那么也不适合使用查找表。[编辑本段]例子 [编辑本段]计算正弦值 许多计算机只能执行基本的算术运算，而不能直接计算给定值的正弦值，它们使用如下面泰勒级数（en:Taylor series）这样的复杂公式计算相当高精度的正弦值： (x 接近 0) 然而，这样的计算费用可能是非常大的，尤其是在低速的处理器上。有许多的应用程序，尤其是传统的计算机图形每秒需要几千次的正弦值计算。一个常用的解决方案就是在刚开始计算许多均匀分布数值的正弦值，然后在表中查找最接近所需 x 的正弦值，这个值非常接近于正确的数值，这是因为正弦函数是一个有限变化率的连续函数。例如： real array sine_table[-1000..1000] for x from -1000 to 1000 sine_table[x] := sine(x/1000/pi) function lookup_sine(x) return sine_table[round(x/1000/pi)] Image:Interpolation example 部分正弦函数的线性插值不幸的是，查找表需要一定的空间：如果使用 IEEE 双精度浮点数的话，将会需要 16,000 字节。如果使用较少的采样点，那么精度将会大幅度地下降。一个较好的解决方案是线性插值，在表中待计算点左右两侧两个点的值之间连直线，这个点对应的直线上的值就是所计算点的正弦值。这种方法计算速度也很快，对于如正弦函数这样的平滑函数来说也有更高的精度。这里是使用线性插值的一个例子： function lookup_sine(x) x1 := floor(x/1000/pi) y1 := sine_table[x1] y2 := sine_table[x1+1] return y1 + (y2-y1)*(x/1000/pi-x1) 当使用插值的时候，可以得益于不均匀采样，也就是说在接近直线的地方，使用较少的采样点，在变化较快的地方使用较多的采样点以最大限度地接近实际的曲线。更多的信息请参考插值。[编辑本段]计算 1 的位数 population function。例如，数字 37 的二进制形式是 100101，所以它包含有三个设置成 1 的位。一个计算 32 位整数中 1 的位数的简单c语言程序是： int count_ones(unsigned int x) { int i, result = 0; for(i=0; i<32; i++) { result += x & 1; x = x >> 1; } return result; } 不幸的是，这个简单的算法在现代的架构上将需要数以百计的时钟周期才能完成，这是因为它造成了许多分支和循环，而分支的速度是很慢的。这可以使用 loop unrolling 和其它一些聪明的技巧进行改进，但是最简单快捷的解决方案是查找表：简单地构建一个 包含每个字节可能值包含的 1 的个数的256 个条目的表。然后使用这个表查找整数中每个字节包含的 1 的个数，并且将结果相加。没有分支、四次内存访问、几乎没有算术运算，这样与上面的算法相比就可以大幅度地提升速度。 int count_ones(unsigned int x) { return bits_set[x & 255] + bits_set[(x >> 8) & 255] + bits_set[(x >> 16) & 255] + bits_set[(x >> 24) & 255]; }[编辑本段]硬件查找表 在数字逻辑中，n位查找表可以使用多路复用器来实现，它的选择线是 LUT 的输入，它的输入是常数。n 位 LUT 通过将布尔逻辑函数建模为真值表从而可以编码任意 n 位输入，这是编码布尔逻辑函数的一个有效途径，4 位 LUT 实际上是现代 FPGAs 的主要元件。
第1章 概 述 21世纪人类将全面进入信息化社会，对微电子信息技术和微电子VLSI基础技术将不断提出更高的发展要求，微电子技术仍将继续是21世纪若干年代中最为重要的和最有活力的高科技领域之一。而集成电路(IC)技术在微电子领域占有重要的地位。伴随着IC技术的发展，电子设计自动化(Electronic Design Automation EDA)己经逐渐成为重要设计手段，其广泛应用于模拟与数字电路系统等许多领域。 VHDL是广泛使用的设计输人硬件语言，可用于数字电路与系统的描述、模拟和自动设计.CPLD/FPGA（复杂可编程逻辑器件/现场可编程门阵列）为数字系统的设计带灵活性，兼有串!并行工作方式和高集成度!高速!高可靠性等明显的特点，CPLD/FPGA的时钟延迟可达纳秒级，结合其并行工作方式，在超高速领域和实时测控方面有非常广泛的应用。 本次设计的目的是使用可编程逻辑器件设计一个专用的A/D转换器的控制器，取代常用的微控制器，用于数据采集。本文讲述对A/D进行数据采样控制。设计要求用一片CPLD/FPGA，模数转换控制器ADC和LED显示器构成一个数据采集系统，用CPLD/FPGA实现数据采集中对A/D 转换，数据运算，及有关数据的显示控制。课题除了学习相应的硬件知识外，还要学习如何使用VHDL语言设计可编程逻辑器件。 未来的EDA技术向广度和深度两个方向发展. (1)在广度上，EDA技术会日益普及.在过去，由于EDA软件价格昂贵，对硬件环境要求高，其运行环境是工作站和UNIX操作系统.最近几年，EDA软件平台化进展迅速，这些PC平台上的EDA软件具有整套的逻辑设计、仿真和综合工具.随着PC机性能的提高，PC平台上的软件功能将会更加完善. (2)在深度上，EDA技术发展的下一步是ESDA伍electronic System Design Automation电子系统设计自动化)和CE (Concurrent Engineering并行设计工程).目前的各种EDA工具，如系统仿真，PCB布线、逻辑综合、DSP设计工具是彼此独立的.随着技术的发展，要求所有的系统工具在统一的数据库及管理框架下工作，由此提出了ESDA和CE概念。 第2章 EDA的发展历程及其应用 电子设计自动化(EDA)发展概述 什么是电子设计自动化(EDA ) 在电子设计技术领域，可编程逻辑器件(如PLD, GAL)的应用，已有了很好的普及。这些器件为数字系统的设计带来极大的灵活性。由于这类器件可以通过软件编程而对其硬件的结构和工作方式进行重构，使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程、乃至设计观念。 电子设计自动化(EDA)是一种实现电子系统或电子产品自动化设计的技术，它与电子技术、微电子技术的发展密切相关，吸收了计算机科学领域的大多数最新研究成果，以高性能的计算机作为工作平台，是20世纪90年代初从CAD(计算机辅助设计)、CAM(计算机辅助制造)、CAT(计算机辅助测试)和CAE(计算机辅助工程)的概念发展而来的。EDA技术就是以计算机为工具，在EDA软件平台上，根据硬件描述语言HDL完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合及优化、布局线、仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。设计者的工作仅限于利用软件的方式来完成对系统硬件功能的描述，在EDA工具的帮助下和应用相应的FPGA/CPLD器件，就可以得到最后的设计结果。尽管目标系统是硬件，但整个设计和修改过程如同完成软件设计一样方便和高效。当然，这里的所谓EDA主要是指数字系统的自动化设计，因为这一领域的软硬件方面的技术已比较成熟，应用的普及程度也已比较大。而模拟电子系统的EDA正在进入实用，其初期的EDA工具不一定需要硬件描述语言。此外，从应用的广度和深度来说，由于电子信息领域的全面数字化，基于EDA的数字系统的设计技术具有更大的应用市场和更紧迫的需求性。 EDA的发展历史 EDA技术的发展始于70年代，至今经历了三个阶段。电子线路的CAD(计算机辅助设计)是EDA发展的初级阶段，是高级EDA系统的重要组成部分。它利用计算机的图形编辑、分析和存储等能力，协助工程师设计电子系统的电路图、印制电路板和集成电路板图;采用二维图形编辑与分析，主要解决电子线路设计后期的大量重复性工作，可以减少设计人员的繁琐重复劳动，但自动化程度低，需要人工干预整个设计过程。这类专用软件大多以微机为工作平台，易于学用，设计中小规模电子系统可靠有效，现仍有很多这类专用软件被广泛应用于工程设计。80年代初期，EDA技术开始技术设计过程的分析，推出了以仿真(逻辑模拟、定时分析和故障仿真)和自动布局与布线为核心的EDA产品，这一阶段的EDA已把三维图形技术、窗口技术、计算机操作系统、网络数据交换、数据库与进程管理等一系列计算机学科的最新成果引入电子设计，形成了CAE—计算机辅助工程。也就是所谓的EDA技术中级阶段。其主要特征是具备了自动布局布线和电路的计算机仿真、分析和验证功能。其作用已不仅仅是辅助设计，而且可以代替人进行某种思维。CAE这种以原理图为基础的EDA系统，虽然直观，且易于理解，但对复杂的电子设计很难达到要求，也不宜于设计的优化。 所以，90年代出现了以自动综合器和硬件描述语言为基础，全面支持电子设计自动化的ESDA(电子系统设计自动化)，即EDA阶段、也就是目前常说的EDA.过去传统的电子系统电子产品的设计方法是采用自底而上(Bottom_ Up)的程式，设计者先对系统结构分块，直接进行电路级的设计。这种设计方式使设计者不能预测下一阶段的问题，而且每一阶段是否存在问题，往往在系统整机调试时才确定，也很难通过局部电路的调整使整个系统达到既定的功能和指标，不能保证设计一举成功。EDA技术高级阶段采用一种新的设计概念:自顶而下(Top_ Down)的设计程式和并行工程(Concurrent engineering)的设计方法，设计者的精力主要集中在所要电子产品的准确定义上，EDA系统去完成电子产品的系统级至物理级的设计。此阶段EDA技术的主要特征是支持高级语言对系统进行描述，高层次综合(High Level Synthesis)理论得到了巨大的发展，可进行系统级的仿真和综合。图2-1给出了上述三个阶段的示意图。 图2-1 EDA发展阶段示意图 EDA的应用 随着大规模集成电路技术和计算机技术的不断发展，在涉及通信、国防、航天、医学、工业自动化、计算机应用、仪器仪表等领域的电子系统设计工作中，EDA技术的含量正以惊人的速度上升;电子类的高新技术项目的开发也依赖于EDA技术的应用。即使是普通的电子产品的开发，EDA技术常常使一些原来的技术瓶颈得以轻松突破，从而使产品的开发周期大为缩短、性能价格比大幅提高。不言而喻，EDA技术将迅速成为电子设计领域中的极其重要的组成部分。 电子设计专家认为，单片机时代已经结束，未来将是EDA的时代，这是极具深刻洞察力之言。随着微电子技术的飞速进步，电子学进入了一个崭新的时代。其特征是电子技术的应用以空前规模和速度渗透到各行各业。各行业对自己专用集成电路(ASIC)的设计要求日趋迫切，现场可编程器件的广泛应用，为各行业的电子系统设计工程师自行开发本行业专用的ASIC提供了技术和物质条件。与单片机系统开发相比，利用EDA技术对FPGA/CPLD的开发,通常是一种借助于软件方式的纯硬件开发，可以通过这种途径进行专用ASIC开发，而最终的ASIC芯片，可以是FPGA/CPLD，也可以是专制的门阵列掩模芯片，FPGA/ CPLD起到了硬件仿真ASIC芯片的作用。 基于EDA的FPGA/ CPLD开发 我国的电子设计技术发展到今天，将面临一次更大意义的突破，即FPGA/CPLD (Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列/Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)在EDA基础上的广泛应用。从某种意义上说，新的电子系统运转的物理机制又将回到原来的纯数字电路结构，但却是一种更高层次的循环，它在更高层次上容纳了过去数字技术的优秀部分，对(Micro Chip Unit) MCU系统是一种扬弃，在电子设计的技术操作和系统构成的整体上发生了质的飞跃。如果说MCU在逻辑的实现上是无限的话，那么FPGA/CPLD不但包括了MCU这一特点，而且可以触及硅片电路的物理极限，并兼有串、并行工作方式，高速、高可靠性以及宽口径适用性等诸多方面的特点。不但如此，随着EDA技术的发展和FPGA/CPLD在深亚微米领域的进军，它们与MCU, MPU, DSP, A/D, D/A, RAM和ROM等独立器件间的物理与功能界限已日趋模糊。特别是软/硬IP芯片(知识产权芯片;intelligence Property Core，一种已注册产权的电路设计)产业的迅猛发展，嵌入式通用及标准FPGA器件的呼之欲出，片上系统(SOC)已经近在咫尺。FPGA/CPLD以其不可替代的地位及伴随而来的极具知识经济特征的IP芯片产业的崛起，正越来越受到业内人士的密切关注。 FPGA/CPLD简介 FPGA和CPLD都是高密度现场可编程逻辑芯片，都能够将大量的逻辑功能集成于一个单片集成电路中，其集成度已发展到现在的几百万门。复杂可编程逻辑器件CPLD是由PAL (Programmable Array Logic，可编程阵列逻辑)或GAL (Generic Array Logic，通用阵列逻辑)发展而来的。它采用全局金属互连导线，因而具有较大的延时可预测性，易于控制时序逻辑;但功耗比较大。现场可编程门阵列(FPGA)是由可编程门阵列(MPGA)和可编程逻辑器件二者演变而来的，并将它们的特性结合在一起，因此FPGA既有门阵列的高逻辑密度和通用性，又有可编程逻辑器件的用户可编程特性。FPGA通常由布线资源分隔的可编程逻辑单元(或宏单元)构成阵列，又由可编程Ir0单元围绕阵列构成整个芯片。其内部资源是分段互联的，因而延时不可预测，只有编程完毕后才能实际测量。 CPLD和FPGA建立内部可编程逻辑连接关系的编程技术有三种:基于反熔丝技术的器件只允许对器件编程一次，编程后不能修改。其优点是集成度、工作频率和可靠性都很高，适用于电磁辐射干扰较强的恶劣环境。基于EEPROM存储器技术的可编程逻辑芯片能够重复编程100次以上，系统掉电后编程信息也不会丢失。编程方法分为在编程器上编程和用下载电缆编程。用下载电缆编程的器件，只要先将器件装焊在印刷电路板上，通过PC, SUN工作站、ATE(自动测试仪)或嵌入式微处理器系统，就能产生编程所用的标准5V, 或逻辑电平信号，也称为ISP (In System Programmable)方式编程，其调试和维修也很方便。基于SRAM技术的器件编程数据存储于器件的RAM区中，使之具有用户设计的功能。在系统不加电时，编程数据存储在EPROM、硬盘、或软盘中。系统加电时将这些编程数据即时写入可编程器件，从而实现板级或系统级的动态配置。 基于EDA工具的FPGA/CPLD开发流程 FPGA/CPLD的开发流程:设计开始首先利用EDA工具的文本或图形编辑器将设计者的设计意图用文本方式(如VHDL, Verilog-HDL程序)或图形方式(原理图、状态图等)表达出来。完成设计描述后即可通过编译器进行排错编译，变成特定的文本格式，为下一步的综合准备。在此，对于多数EDA软件来说，最初的设计究竟采用哪一种输入形式是可选的，也可混合使用。一般原理图输入方式比较容易掌握，直观方便，所画的电路原理图(请注意，这种原理图与利用PROTEL画的原理图有本质的区别)与传统的器件连接方式完全一样，很容易为人接受，而且编辑器中有许多现成的单元器件可资利用，自己也可以根据需要设计元件(元件的功能可用HDL表达，也可仍用原理图表达)。当然最一般化、最普适性的输入方法是HDL程序的文本方式。这种方式最为通用。如果编译后形成的文件是标准VHDL文件，在综合前即可以对所描述的内容进行仿真，称为行为仿真。即将设计源程序直接送到VHDL仿真器中仿真。因为此时的仿真只是根据VHDL的语义进行的，与具体电路没有关系。在仿真中，可以充分发挥VHDL中的适用于仿真控制的语句，对于大型电路系统的设计，这一仿真过程是十分必要的，但一般情况下，可以略去这一步骤. 图2-2 FPGA / CPLD开发流程 设计的第三步是综合，将软件设计与硬件的可实现性挂钩，这是将软件转化为硬件电路的关键步骤。综合器对源文件的综合是针对某一FPGA/CPLD供应商的产品系列的，因此，综合后的结果具有硬件可实现性。在综合后，HDL综合器一般可生成EDIF, XNF或VHDL等格式的网表文件，从门级来描述了最基本的门电路结构。有的EDA软件，具有为设计者将网表文件画成不同层次的电路图的功能。综合后，可利用产生的网表文件进行功能仿真，以便了解设计描述与设计意图的一致性。功能仿真仅对设计描述的逻辑功能进行测试模拟，以了解其实现的功能是否满足原设计的要求，仿真过程不涉及具体器件的硬件特性，如延迟特性。一般的设计，这一层次的仿真也可略去。综合通过后必须利用FPGA/CPLD布局/布线适配器将综合后的网表式文件针对某一具体的目标器件进行逻辑映射操作，其中包括底层器件配置、逻辑分割、逻辑优化、布局布线。适配完成后，EDA软件将产生针对此项设计的多项结果:1适配报告:内容包括芯片内资源分配与利用、引脚锁定、设计的布尔方程描述情况等;2时序仿真用网表文件;3下载文件，如JED或POF文件;4适配错误报告等。时序仿真是接近真实器件运行的仿真，仿真过程中己将器件硬件特性考虑进去了，因此仿真精度要高得多。时序仿真的网表式文件中包含了较为精确的延迟信息。如果以上的所有过程，包括编译、综合、布线/适配和行为仿真、功能仿真、时序仿真都没有发现问题，即满足原设计的要求，就可以将适配器产生的配置/下载文件通过FPGA/CPLD编程器或下载电缆载入目标芯片FPGA或CPLD中，然后进入如图1-2所示的最后一个步骤:硬件仿真或测试,以便在更真实的环境中检验设计的运行情况。这里所谓的硬件仿真，是针对ASIC设计而言的。在ASIC设计中，比较常用的方法是利用FPGA对系统的设计进行功能检测，通过后再将其VHDL设计以ASIC形式实现;而硬件测试则是针对FPGA或CPLD直接用于电路系统的检测而言的。 用FPGA/CPLD进行开发的优缺点 我们认为，基于EDA技术的FPGA/CPLD器件的开发应用可以从根本上解决MCU所遇到的问题。与MCU相比，FPGA/CPLD的优势是多方面的和根本性的: 1.编程方式简便、先进。FPGA/CPLD产品越来越多地采用了先进的IEEE 边界扫描测试(BST)技术(由联合测试行动小组，JTAG开发)和ISP(在系统配置编程方式)。在+5V工作电平下可随时对正在工作的系统上的FPGA/CPLD进行全部或部分地在系统编程，并可进行所谓菊花链式多芯片串行编程，对于SRAM结构的FPGA，其下载编程次数几乎没有限制(如Altera公司的FLEXI 10K系列)。这种编程方式可轻易地实现红外编程、超声编程或无线编程，或通过电话线远程在线编程。这些功能在工控、智能仪器仪表、通讯和军事上有特殊用途。 2.高速。FPGA/CPLD的时钟延迟可达纳秒级，结合其并行工作方式，在超高速应用领域和实时测控方面有非常广阔的应用前景。 3.高可靠性。在高可靠应用领域，MCU的缺憾为FPGA/CPLD的应用留下了很大的用武之地。除了不存在MCU所特有的复位不可靠与PC可能跑飞等固有缺陷外，FPGA/CPLD的高可靠性还表现在几乎可将整个系统下载于同一芯片中，从而大大缩小了体积，易于管理和屏蔽。 4.开发工具和设计语言标准化，开发周期短。由于FPGA/CPLD的集成规模非常大，集成度可达数百万门。因此，FPGA/ CPLD的设计开发必须利用功能强大的EDA工具，通过符合国际标准的硬件描述语言(如VHDL或Verilog-HDL)来进行电子系统设计和产品开发。由于开发工具的通用性、设计语言的标准化以及设计过程几乎与所用的FPGA/ CPLD器件的硬件结构没有关系. 所以设计成功的各类逻辑功能块软件有很好的兼容性和可移植性，它几乎可用于任何型号的FPGA/ CPLD中，由此还可以知识产权的方式得到确认，并被注册成为所谓的IP芯片，从而使得片上系统的产品设计效率大幅度提高。由于相应的EDA软件功能完善而强大，仿真方式便捷而实时，开发过程形象而直观，兼之硬件因素涉及甚少，因此可以在很短时间内完成十分复杂的系统设计，这正是产品快速进入市场的最宝贵的特征。美国TI公司认为，一个ASIC 80%的功能可用IP芯片等现成逻辑合成。EDA专家预言，未来的大系统的FPGA/CPLD设计仅仅是各类再应用逻辑与IP芯片的拼装，其设计周期最少仅数分钟。 5.功能强大，应用广阔。目前，FPGA/ CPLD可供选择范围很大，可根据不同的应用选用不同容量的芯片。利用它们可实现几乎任何形式的数字电路或数字系统的设计。随着这类器件的广泛应用和成本的大幅度下降，FPGA/CPLD在系统中的直接应用率正直逼ASIC的开发。同时，FPGA/CPLD设计方法也有其局限性。这主要体现在以下几点: (1).FPGA/CPLD设计软件一般需要对电路进行逻辑综合优化((Logic段Synthesis & Optimization)，以得到易于实现的结果，因此，最终设计和原始设计之间在逻辑实现和时延方面具有一定的差异。从而使传统设计方法中经常采用的一些电路形式(特别是一些异步时序电路)在FPGA/CPLD设计方法中并不适用。这就要求设计人员更加了解FPGA/CPLD设计软件的特点，才能得到优化的设计; (2).FPGA一般采用查找表(LUT)结构(Xilinx), AND-OR结构(Altera)或多路选择器结构(Actel)，这些结构的优点是可编程性，缺点是时延过大，造成原始设计中同步信号之间发生时序偏移。同时，如果电路较大，需要经过划分才能实现，由于引出端的延迟时间，更加大了延迟时间和时序偏移。时延问题是ASIC设计当中常见的问题。要精确地控制电路的时延是非常困难的，特别是在像FPGA/CPLD这样的可编程逻辑当中。 (3). FPGA/CPLD的容量和I/O数目都是有限的，因此，一个较大的电路，需经逻辑划分((Logic Partition)才能用多个FPGA/CPLD芯片实现，划分算法的优劣直接影响设计的性能; (4).由于目标系统的PCB板的修改代价很高，用户一般希望能够在固定的引 分配的前提下对电路进行修改。但在芯片利用率提高，或者芯片I/O引出端很多的情况下，微小的修改往往会降低芯片的流通率; (5).早期的FPGA芯片不能实现存储器、模拟电路等一些特殊形式的电路。最新的一些FPGA产品集成了通用的RAM结构。但这种结构要么利用率不高，要么不完全符合设计者的需要。这种矛盾来自于FPGA本身的结构局限性，短期内很难得到很好的解决。 6.尽管FPGA实现了ASIC设计的硬件仿真，但是由于FPGA和门阵列、标准单元等传统ASIC形式的延时特性不尽相同，在将FPGA设计转向其他ASIC设计时，仍然存在由于延时不匹配造成设计失败的可能性。针对这个问题，国际上出现了用FPGA阵列对ASIC进行硬件仿真的系统(如Quicktum公司的硬件仿真系统)。这种专用的硬件仿真系统利用软硬件结合的方法，用FPGA阵列实现了ASIC快速原型，接入系统进行测试。该系统可以接受指定的测试点，在FPGA阵列中可以直接观测(就像软件模拟中一样)，所以大大提高了仿真的准确性和效率。 硬件描述语言(HDL) 硬件描述语言(HDL)是相对于一般的计算机软件语言如C, Pascal而言的。HDL是用于设计硬件电子系统的计算机语言，它描述电子系统的逻辑功能、电路结构和连接方式。设计者可以利用HDL程序来描述所希望的电路系统，规定其结构特征和电路的行为方式;然后利用综合器和适配器将此程序变成能控制FPGA和CPLD内部结构、并实现相应逻辑功能的门级或更底层的结构网表文件和下载文件。硬件描述语言具有以下几个优点:a.设计技术齐全，方法灵活，支持广泛。b.加快了硬件电路的设计周期，降低了硬件电路的设计难度。c.采用系统早期仿真，在系统设计早期就可发现并排除存在的问题。d.语言设计可与工艺技术无关。e.语言标准，规范，易与共享和复用。就FPGA/CPLD开发来说，VHDL语言是最常用和流行的硬件描述语言之一。本次设计选用的就是VHDL语言，下面将主要对VHDL语言进行介绍。 VHDL语言简介 VHDL是超高速集成电路硬件描述语言的英文字头缩写简称，其英文全名 是Very-High -Speed Integrated Circuit Hardware Description Language。它是在70- 80年代中由美国国防部资助的VHSIC(超高速集成电路)项目开发的产品，诞生于1982年。1987年底，VHDL被IEEE(The Institute of Electrical and产Electronics Engineers)确认为标准硬件描述语言。自IEEE公布了VHDL的标准版本((IEEE std 1076-1987标准)之后，各EDA公司相继推出了自己的VHDL设计环境。此后，VHDL在电子设计领域受到了广泛的接受，并逐步取代了原有的非标准HDL。1993年，IEEE对VHDL进行了修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展VHDL的内容，公布了新版本的VHDL，即ANSI/IEEE std1076，1993版本。1996年IEEE 成为VHDL综合标准。 VHDL主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口，非常适用于可编程逻辑芯片的应用设计。与其它的HDL相比，VHDL具有更强的行为描述能力，从而决定了它成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。强大的行为描述能力是避开具体的器件结构，从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。就目前流行的EDA工具和VHDL综合器而言，将基于抽象的行为描述风格的VHDL程序综合成为具体的FPGA和CPLD等目标器件的网表文件己不成问题。 VHDL语言在硬件设计领域的作用将与C和C++在软件设计领域的作用一样，在大规模数字系统的设计中，它将逐步取代如逻辑状态表和逻辑电路图等级别较低的繁琐的硬件描述方法，而成为主要的硬件描述工具，它将成为数字系统设计领域中所有技术人员必须掌握的一种语言。VHDL和可编程逻辑器件的结合作为一种强有力的设计方式，将为设计者的产品上市带来创纪录的速度 VHDL语言设计步骤 利用VHDL语言进行设计可分为以下几个步骤: 1.设计要求的定义。在从事设计进行编写VHDL代码之前，必须先对你的设计目的和要求有一个明确的认识。例如，你要设计的功能是什么?对所需的信号建立时间、时钟/输出时间、最大系统工作频率、关键的路径等这些要求，要有一个明确的定义，这将有助于你的设计，然后再选择适当的设计方式和相应的器件结构，进行设计的综合。 2.用VHDL语言进行设计描述。 (1)应决定设计方式，设计方式一般说来有三种:自顶向下设计，自底向上设计，平坦式设计。 前两种方式包括设计阶层的生成，而后一种方式将描述的电路当作单模块电路来进行的。自顶向下的处理方式要求将你的设计划分成不同的功能元件，每个元件具有专门定义的输入和输出，并执行专门的逻辑功能。首先生成一个由各功能元件相互连接形成的顶层模块来做成一个网表，然后再设计其中的各个元件。而自底向上的处理方法正好相反。平坦式设计则是指所有功能元件均在同一层和同一图中详细进行的。 (2)编写设计代码。编写VHDL语言的代码与编写其它计算机程序语言的代码有很大的不同，你必须清醒地认识到你正在设计硬件，编写的VHDL代码必须能够综合到采用可编程逻辑器件来实现的数字逻辑之中。懂得EDA工具中仿真软件和综合软件的大致工作过程，将有助于编写出优秀的代码。 3.用VHDL仿真器对VHDL原代码进行功能仿真。对于大型设计，采用VHDL仿真软件对其进行仿真可以节省时间，可以在设计的早期阶段检测到设计中的错误，从而进行修正，以便尽可能地减少对设计日程计划的影响。因为对于大型设计，其综合优化、配置往往要花费好几个小时，在综合之前对原代码仿真，就可以大大减少设计重复和修正错误的次数和时间。但对于小型设计，则往往不需要先对VHDL原代码进行仿真，即使做了，意义也不大。因为对于小型设计，其综合优化、配置花费的时间不多，而且在综合优化之后，你往往会发现为了实现性能目标，将需要修改你的设计。在这种情况下，用户事先在原代码仿真时所花费的时间是毫无意义的，因为一旦改变设计，还必须重新再做仿真。 4.利用VHDL综合优化软件对VHDL原代码进行综合优化处理。选择目标器件、输入约束条件后，VHDL综合优化软件工具将对VHDL原代码进行处理，产生一个优化了的网络表，并可以进行粗略的时序仿真。综合优化软件工具大致的处理过程如下:首先检测语法和语意错误;然后进行综合处理，对CPLD器件而言，将得到一组工艺专用逻辑方程，对FPGA器件而言，将得到一个工艺专用网表;最后进行优化处理，对CPLD的优化通常包括将逻辑化简为乘积项的最小和式，降低任何给定的表达式所需的逻辑块输入数，这些方程进一步通过器件专用优化来实现资源配置。对FPGA的优化通常也需要用乘积项的和式来表达逻辑，方程系统可基于器件专用资源和驱动优化目标指引来实现因式分解，分解的因子可用来对实现的有效性进行评估，其准则可用来决定是对方程序系统进行不同的因式分解还是保持现有的因子。准则通常是指分享共同因子的能力，即可以被暂存，以便于和任何新生成的因子相比较。 5.配置。将综合优化处理后得到的优化了的网络表，安放到前面选定的CPLD或FPGA目标器件之中，这一过程称为配置。在优化
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不是必须的 但是论文中有实验的话就会提高论文的档次以及科学性
环保创新下物理化学实验，生化分析仪在化学检验实验，谈锌精矿化学检测方法与实践。这几个实验都可以写在论文里面，具有一定的难度符合要求。
不一定,化学论文可以是说明一些现象的本质,或者论述这些现象的利弊,结合实验的话,可以起到说明的作用,提高你这篇文章的准度