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标题: USB在PCR仪嵌入式系统中的应用 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-13 11:57
标题: USB在PCR仪嵌入式系统中的应用
0 引言

聚合酶链反应(Polymerase Chain Reaction，PCR)是20世纪80年代中期发展起来的体外核酸扩增技术。该技术是分子生物学发展史上的一个里程碑，它使得DNA分子可以在生物体外进行放大扩增。在短短的数年内，这项技术已广泛应用于生命科学的研究中，对基因克隆、DNA序列分析等现代分子生物学技术的发展起到了重要的作用。我国目前使用的PCR仪主要依赖于进口，为了在该技术领域追赶国际先进水平，与海尔集团联合对PCR仪进行了开发研究。
随着U盘的普遍使用和USB技术的嵌入式系统应用，方便用户进行程序修改和程序的存储，PCR设计中采用可以热插拔的USB接口，即在PCR硬件系统中加入了USB主控芯片，使其能够对U盘等存储设备进行读写操作，从而实现数据的存储和转移。

1 USB系统的硬件设计

在数据采集系统中，USB的应用大体可以采用两种方案：一是直接采用集成USB设备接口的嵌入式微控制器；二是采用单独的控制器和独立的USB设备接口芯片。

为增强系统应用的灵活性，该方案采用瑞萨单片机M30627FJPGP，加上USB设备接口芯片搭建硬件系统，具有低成本、易移植的特点。设计中，USB 设备接口芯片采用CH375，涉及框图如图1所示。CH375是一款符合USB 2．0协议的USB总线通用接口芯片，支持主机(HOST)方式和设备(SLAVE)方式，并可以动态地切换主机和设备方式。

CH375芯片提供了通用的被动并行接口，包括：8位双向数据总线D0～D7、读选通输入引脚RD、写选通输入引脚WR、片选输入引脚CS、中断输出引脚 INT以及地址输入引脚A0。CH375以总线方式挂接在单片机数据总线上，并且与多个外围器件共存。单片机通过RD，WR高位地址译码产生片选CS和地址线P68(接CH375的A0引脚)的综合控制，完成与CH375的通信。外扩USB电路如图2所示。

CH375芯片的RD和WR分别连接到单片机的读选通输出引脚和写选通输出引脚。CS由单片机的CS4选通。INT输出的中断请求是低电平有效，可以连接到单片机的外部中断上，单片机使用中断方式获知中断请求。

当CS375(即CS)为低电平时，单片机可以与CH375进行通信操作。此时，当WR为高电平，RD和P68都为低电平时，CH375中的数据通过 D0～D7输出；当RD为高电平且CS和WR及P68都为低电平时，D7～D0上的数据被写入CH375芯片中；当RD为高电平且CS和WR都为低电平而 A0为高电平时，D7～D0上的数据被作为命令码写入CH375芯片中。

CH375芯片的UD+和UD-引脚直接连接到USB总线上。CH375芯片内置了电源上电复位电路，并可以产生复位信号。为确保上电复位次序，系统设计中，单片机的复位信号是通过CH375产生的，并将单片机与CH375共同接到外部复位电路上。

CH375芯片正常工作时需要外部为其提供12 MHz的时钟信号，在XI和XO引脚之间连接一个标称频率为12 MHz的晶体，并且分别为XI和XO引脚对地连接一个容量为30 pF的高频振荡电容。

CH375芯片支持5 V电源电压或者3．3 V电源电压。该系统使用5 V工作电压，并且V3引脚处外接容量为O．01 μF的电源退耦电容。

CH375芯片的RD和WR分别连接到单片机的读选通输出引脚和写选通输出引脚。CS由单片机的CS4选通。INT输出的中断请求是低电平有效，可以连接到单片机的外部中断上，单片机使用中断方式获知中断请求。

当CS375(即CS)为低电平时，单片机可以与CH375进行通信操作。此时，当WR为高电平，RD和P68都为低电平时，CH375中的数据通过 D0～D7输出；当RD为高电平且CS和WR及P68都为低电平时，D7～D0上的数据被写入CH375芯片中；当RD为高电平且CS和WR都为低电平而 A0为高电平时，D7～D0上的数据被作为命令码写入CH375芯片中。

CH375芯片的UD+和UD-引脚直接连接到USB总线上。CH375芯片内置了电源上电复位电路，并可以产生复位信号。为确保上电复位次序，系统设计中，单片机的复位信号是通过CH375产生的，并将单片机与CH375共同接到外部复位电路上。

CH375芯片正常工作时需要外部为其提供12 MHz的时钟信号，在XI和XO引脚之间连接一个标称频率为12 MHz的晶体，并且分别为XI和XO引脚对地连接一个容量为30 pF的高频振荡电容。

CH375芯片支持5 V电源电压或者3．3 V电源电压。该系统使用5 V工作电压，并且V3引脚处外接容量为O．01 μF的电源退耦电容。

应用中的单片机读写U盘软件可分成两大部分：应用程序和固件程序。应用程序完成系统的数据采集、处理任务、外围控制等功能，固件程序处理底层的USB通信协议、文件系统，完成数据在USB总线上的可靠传输和在U盘上的存取操作。为方便在不同控制器或应用系统上进行移植，固件采取积木式结构，如图4所示。

2．4 USB读写操作

USB读写操作可根据不同的系统要求设定执行程序。在PCR仪系统设计中，M30627FJPGP将通过-A／D通道采集到的数据向U盘内指定的文件： ADC_DATA．TXT追加数据。开机后，单片机向CH375写入配置字，设定其进入主控(Host)模式，进人数据采集状态，等待USB总线事件发生。U盘追加数据流程如图5所示。

3 USB在PCR嵌入式系统中的难点及解决方案

传统的USB主控体系结构是PC应用的一种理想的解决方案，而在PCR嵌入式系统中很难实现，具体表现在：

(1)嵌入式系统具有的系统资源容量和能力有限；

(2)嵌入式应用一般要对实时事件做出及时的响应。把USB固件添加到系统中，就会增加复杂性，导致在实时应用的设计和调试中出现更多中断和实时事件；

(3)嵌入式市场具有种类繁多的处理器和实时操作系统。将USB固件开发和移植到任何特定处理器／实时操作系统平台的努力都将花费大量时间，而且需要工作人员在USB技术上具有很高的专业技能。

克服嵌入式装置中USB主控设计的复杂性问题，其方法之一是把与USB即插即用能力相关的智能揉入USB主端控制器本身之中。要做到这一点，所采取的办法是：

把USB主控栈和器件驱动的共用组件嵌入到USB控制器硬件中；

将USB主控功能压缩到语族与ANSI C兼容的API中，而这些API被系统用来获取USB主控制器中的USB主控功能。

这种设计方法可以带来一个无需系统处理器干预，就能处理USB主控活动的USB主控制器。它不仅让系统资源的消耗降至最低，而且也将通过系统总线的USB 数据流减至最小。API的设计将简单易行，并且独立于处理器和实时操作系统，从而有效地降低了API集移植和集成的难度。

4 结语

PCR仪系统的设计，实现USB总线在嵌入式系统中的基本应用模式。PCR仪中USB主机的实现方法，体现了USB存储设备的灵活性和方便性，USB系统嵌入到PCR仪中方便了用户的操作，提高了PCR仪的工作效率和仪器的可用性。

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