全自動(dòng)酶免分析儀中USB通信接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王興+郭陽(yáng)寬

摘要：本文設(shè)計(jì)了全自動(dòng)酶免分析系統(tǒng)的USB通信接口，闡述了USB通信接口的總體設(shè)計(jì)并且給出了USB通信接口組成部分的硬件電路及軟件的設(shè)計(jì)。USB總線接口與PC采用差分方式進(jìn)行通信，與DSP采用SLAVE FIFO方式進(jìn)行通信。在全自動(dòng)酶免分析系統(tǒng)中進(jìn)行了通信測(cè)試的實(shí)驗(yàn)，多次實(shí)驗(yàn)表明：該通信接口可以實(shí)現(xiàn)通信的功能。

關(guān)鍵詞：USB通信接口；差分方式；SLAVE FIFO方式

中圖分類號(hào)：TP23；TP336 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）11-0125-02

一般綜合性儀器由上位機(jī)和下位機(jī)等系統(tǒng)構(gòu)成。上位機(jī)用于為用戶提供可視化界面，設(shè)置參數(shù)，數(shù)據(jù)處理和分析，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，向下位機(jī)發(fā)送指令等工作；下位機(jī)根據(jù)上位機(jī)指令執(zhí)行后續(xù)工作系統(tǒng)，向上位機(jī)發(fā)送相關(guān)信息和數(shù)據(jù)[1]。可見，可靠高速的數(shù)據(jù)通信是實(shí)現(xiàn)儀器高穩(wěn)定性高性能的必要條件。

USB總線采用串口方式[2]，具有集成化程度高、支持熱插拔、即插即用、無(wú)需外接電源和連接簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[3]。在設(shè)計(jì)全自動(dòng)酶免分析系統(tǒng)的通信系統(tǒng)中，采用USB總線實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的連接，作為全自動(dòng)酶免分析系統(tǒng)與PC通信的總線接口。

1 總體結(jié)構(gòu)

酶免分析儀主要由如圖1所示各部分構(gòu)成。USB通信接口由PC的USB接口，存儲(chǔ)程序的EEPROM，USB的控制器，DSP和電源等組成。

2 USB總線接口硬件設(shè)計(jì)

USB控制器與PC間電路設(shè)計(jì)。USB插座與CY7C68013芯片之間連接兩條傳輸線，即插座的D+、D-引腳分別和CY7C68013芯片差分?jǐn)?shù)據(jù)線相連，實(shí)現(xiàn)PC與USB總線接口的通信。

USB控制器與DSP間電路設(shè)計(jì)。主控器芯片選用TMS320F 2812。TMS320F2812產(chǎn)生片選信號(hào)、端點(diǎn)選擇和讀寫信號(hào)，控制CY7C68013進(jìn)行消息傳輸。CY7C68013經(jīng)過16位雙向數(shù)據(jù)總線FD連接至TMS320F2812，通過SLOE引腳控制輸出。FIFOADR[1：0]引腳用于選擇4個(gè)FIFO端點(diǎn)緩沖區(qū)中的一個(gè)與XD總線連接[4]。FLAGA-C用于表示CY7C68013芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的狀態(tài)，其直接與DSP的IO引腳相連。

USB控制器與EEPROM間電路設(shè)計(jì)。Microchip公司生產(chǎn)的24LC64芯片采用IIC總線接口，抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)雙向傳送，功耗低，工作電壓范圍2.5V—5V，可以擦寫多次，斷電后數(shù)據(jù)可長(zhǎng)時(shí)間保留，選其存儲(chǔ)CY7C68013芯片的固件程序[5]。24LC64芯片的SDA和SCL管腳為IIC總線，為了降低噪聲干擾分別經(jīng)一個(gè)22K的上拉電阻連接到3.3V，同時(shí)接到CY7C68013芯片的雙向串行數(shù)據(jù)總線上和串行時(shí)鐘線上。

電源電路設(shè)計(jì)。USB總線接口外接電壓40V。設(shè)計(jì)采用LT1076-5芯片將外接電源轉(zhuǎn)換成USB控制器需要的5V，使用TPS767D318芯片將5V轉(zhuǎn)換成DSP需要的3.3V和1.8V。硬件電路如圖2所示。

3 USB總線接口的軟件設(shè)計(jì)

通過配置寄存器的IFCLKSRC位為1設(shè)定系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率為48MHz。固件程序是指存儲(chǔ)在USB接口芯片內(nèi)部，用于輔助設(shè)備完成預(yù)期的功能。該程序主要完成USB接口芯片內(nèi)部的初始化，處理主機(jī)的設(shè)備請(qǐng)求，以及完成外圍電路的控制等。實(shí)現(xiàn)特定的功能，需要在TD_Init（）、TD_Poll（）等函數(shù)中配置需要使用的端點(diǎn)，選擇合適的傳輸方式，添加實(shí)現(xiàn)功能的代碼等。

系統(tǒng)上電后，固件程序首先初始化內(nèi)部的狀態(tài)變量，然后調(diào)用初始化函數(shù)TD_Init（），當(dāng)程序從此函數(shù)返回后，固件程序就會(huì)設(shè)置USB接口成為未配置的狀態(tài)并且使能中斷，接下來(lái)，在1s的間隔內(nèi)重新列舉設(shè)備，并直到端點(diǎn)0接收到設(shè)置封包為止。一旦設(shè)置封包被檢測(cè)到，固件程序?qū)㈤_始交互的任務(wù)調(diào)度[6]。采用自動(dòng)批量傳輸，將端點(diǎn)2設(shè)置為OUT型，負(fù)責(zé)傳輸PC的消息；將端點(diǎn)6設(shè)置為IN型，負(fù)責(zé)接收CAN總線上的消息。

USB驅(qū)動(dòng)程序由3個(gè)部分組成：USB總線驅(qū)動(dòng)程序、USB主控制驅(qū)動(dòng)程序和USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，其中，Windows操作系統(tǒng)提供了USB總線驅(qū)動(dòng)程序和USB主控制驅(qū)動(dòng)程序，用戶只需要開發(fā)USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。本設(shè)計(jì)中，采用Cypress公司提供的通用驅(qū)動(dòng)程序，該驅(qū)動(dòng)程序提供標(biāo)準(zhǔn)的USB設(shè)備請(qǐng)求和數(shù)據(jù)通信的用戶接口模式，符合本系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的要求。

DSP采用中斷方式接收CY7C68013芯片中的數(shù)據(jù)。通過CY7C68013芯片產(chǎn)生中斷信號(hào)，該信號(hào)只在端點(diǎn)2滿的時(shí)候產(chǎn)生。根據(jù)CY7C68013芯片固件程序的配置，端點(diǎn)2中存放的是PC發(fā)送給DSP主控模塊的數(shù)據(jù)，端點(diǎn)6中存放的是DSP主控模塊發(fā)送給PC的數(shù)據(jù)。

4 通信測(cè)試

將USB總線接口電路板安裝在全自動(dòng)酶免分系統(tǒng)中。如圖3所示。

以復(fù)位指令為例進(jìn)行說(shuō)明。PC發(fā)送復(fù)位指令，經(jīng)過USB總線接口傳輸給DSP，DSP收到指令后，將指令返給PC，PC界面將顯示復(fù)位指令已發(fā)出；DSP將指令傳輸給系統(tǒng)的相應(yīng)模塊，模塊收到指令之后，會(huì)返回收到指令的信息給DSP，DSP通過USB總線接口將信息傳輸給PC，PC界面將會(huì)顯示復(fù)位命令發(fā)送正確。圖4所示是調(diào)試通信接口時(shí)PC顯示的界面。

從圖中可以看出，PC界面顯示的信息與預(yù)期的結(jié)果一致。經(jīng)過多次試驗(yàn)，PC界面顯示的信息與預(yù)期的結(jié)果均一致，從而可以說(shuō)明設(shè)計(jì)的USB總線接口在全自動(dòng)酶免分析系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)通信的功能。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并制作了全自動(dòng)酶免分析系統(tǒng)通信接口的硬件電路，編寫了相關(guān)的軟件程序，最后進(jìn)行了調(diào)試。經(jīng)過多次試驗(yàn)，可以得知設(shè)計(jì)的USB總線接口可以實(shí)現(xiàn)通信的功能。

參考文獻(xiàn)

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Abstract：This paper builds a USB communication interface based the full-automatic ELISA system，expounds the overall design of the USB communication interface and gives the hardware circuit design and software of the interface. The USB communication interface uses a differential way communication with PC and SLAVE FIFO communication with DSP. After many experiments in the full-automatic ELISA system ， the USB communication interface can fulfill the data communication.

Key Words：USB communication interface；Differentially；SLAVE FIFO mode 0endprint