USB在PCR儀嵌入式系統中的應用

引言

　　聚合酶鏈反應(Polymerase Chain Reac tion，PCR)是20世紀80年代中期發展起來的體外核酸擴增技術。該技術是分子生物學發展史上的一個里程碑，它使得DNA分子可以在生物體外進行放大擴增。在短短的數年內，這項技術已廣泛應用于生命科學的研究中，對基因克隆、DNA序列分析等現代分子生物學技術的發展起到了重要的作用。我國目前使用的PCR儀主要依賴于進口，為了在該技術領域追趕國際先進水平，與海爾集團聯合對PCR儀進行了開發研究。

　　隨著U盤的普遍使用和USB技術的嵌入式系統應用，方便用戶進行程序修改和程序的存儲，PCR設計中采用可以熱插拔的USB接口，即在PCR硬件系統中加入了USB主控芯片，使其能夠對U盤等存儲設備進行讀寫操作，從而實現數據的存儲和轉移。

　　1 USB系統的硬件設計

　　在數據采集系統中，USB的應用大體可以采用兩種方案：一是直接采用集成USB設備接口的嵌入式微控制器；二是采用單獨的控制器和獨立的USB設備接口芯片。

　　為增強系統應用的靈活性，該方案采用瑞薩單片機M30627FJPGP，加上USB設備接口芯片搭建硬件系統，具有低成本、易移植的特點。設計中，USB 設備接口芯片采用CH375，涉及框圖如圖1所示。CH375是一款符合USB 2．0協議的USB總線通用接口芯片，支持主機(HOST)方式和設備(SLAVE)方式，并可以動態地切換主機和設備方式。

　　CH375芯片提供了通用的被動并行接口，包括：8位雙向數據總線D0～D7、讀選通輸入引腳RD、寫選通輸入引腳WR、片選輸入引腳CS、中斷輸出引腳 INT以及地址輸入引腳A0。CH375以總線方式掛接在單片機數據總線上，并且與多個外圍器件共存。單片機通過RD，WR高位地址譯碼產生片選CS和地址線P68(接CH375的A0引腳)的綜合控制，完成與CH375的通信。外擴USB電路如圖2所示。

　　CH375芯片的RD和WR分別連接到單片機的讀選通輸出引腳和寫選通輸出引腳。CS由單片機的CS4選通。INT輸出的中斷請求是低電平有效，可以連接到單片機的外部中斷上，單片機使用中斷方式獲知中斷請求。

　　當CS375(即CS)為低電平時，單片機可以與CH375進行通信操作。此時，當WR為高電平，RD和P68都為低電平時，CH375中的數據通過 D0～D7輸出；當RD為高電平且CS和WR及P68都為低電平時，D7～D0上的數據被寫入CH375芯片中；當RD為高電平且CS和WR都為低電平而 A0為高電平時，D7～D0上的數據被作為命令碼寫入CH375芯片中。

　　CH375芯片的UD+和UD-引腳直接連接到USB總線上。CH375芯片內置了電源上電復位電路，并可以產生復位信號。為確保上電復位次序，系統設計中，單片機的復位信號是通過CH375產生的，并將單片機與CH375共同接到外部復位電路上。

　　CH375芯片正常工作時需要外部為其提供12 MHz的時鐘信號，在XI和XO引腳之間連接一個標稱頻率為12 MHz的晶體，并且分別為XI和XO引腳對地連接一個容量為30 pF的高頻振蕩電容。

　　CH375芯片支持5 V電源電壓或者3．3 V電源電壓。該系統使用5 V工作電壓，并且V3引腳處外接容量為O．01 μF的電源退耦電容。

　　2 USB系統的軟件設計

　　根據USB 2．O協議，在一個USB系統中，任何一次通信都是由USB主機發起的。USB設備根據主機發來的命令給予響應，執行相應的操作。在USB系統中，其軟件包括以下幾個部分：主機應用程序、設備驅動程序和設備固件程序。主機用于程序為用戶提供設備應用的操作平臺和交互界面，完成數據的處理和轉換，向設備發出控制命令等。設備驅動程序是USB設備正常工作的基礎，它提供了設備接人系統時要用到的引導文件、設備信息文件等。

　2．1 動態鏈接庫

　　系統應用中CH375提供了設備方式下標準驅動CH375WDM．INF和動態鏈接庫 CH375DL L．DLL，通過加載驅動信息可以在應用程序中直接調用動態鏈接庫。CH375在計算機端提供應用層接口。應用層接口是由CH375動態鏈接庫DLL提供的面向功能應用的API，所有API在調用后都有操作狀態返回，但不一定有應答數據。CH375動態鏈接庫提供的API包括：設備管理API、數據傳輸 API、中斷處理API。

　　設計中采用C語言作為計算機端應用軟件的開發平臺，首先需要將CH375的動態鏈接庫、驅動程序添加到到編譯環境中。動態鏈接庫的使用，簡化了USB設備開發的步驟，降低了開發難度，為系統調試節省了時間。

　　2．2 應用程序與設備間的通信

　　通過動態鏈接庫的數據傳輸函數，CH375在與M30627FJPGP之間提供了端對端的連接。應用程序與設備固件間的通信采用請求加應答方式，該通信方式具有較好的交互性和可控性。請求加應答方式使用一個下傳的主動請求和一個上傳的被動應答進行交互式的雙向數據通信，下傳與上傳一一對應，相互關聯。所有的通信都由客戶應用程序發起，然后以接收到M30627FJPGP的應答結束。

　　2．3 固件程序設計

　　CH375與M30627FJPGP之間設計成完全的中斷驅動。當單片機處理前臺任務時，USB的傳輸可在后臺進行，這就確保了最佳的傳輸速率和更好的軟件結構，同時簡化了編程和調試。

　　后臺ISR(中斷服務程序)和前臺主程序循環之間的數據交換可以通過事件標志和數據緩沖區來完成，其實現原理如圖3所示。

　　應用中的單片機讀寫U盤軟件可分成兩大部分：應用程序和固件程序。應用程序完成系統的數據采集、處理任務、外圍控制等功能，固件程序處理底層的USB通信協議、文件系統，完成數據在USB總線上的可靠傳輸和在U盤上的存取操作。為方便在不同控制器或應用系統上進行移植，固件采取積木式結構，如圖4所示。

　　2．4 USB讀寫操作

　　USB讀寫操作可根據不同的系統要求設定執行程序。在PCR儀系統設計中，M30627FJPGP將通過-A／D通道采集到的數據向U盤內指定的文件： ADC_DATA．TXT追加數據。開機后，單片機向CH375寫入配置字，設定其進入主控(Host)模式，進人數據采集狀態，等待USB總線事件發生。U盤追加數據流程如圖5所示。