USB在PCR儀嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要：針對PCR儀嵌入式系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲的特點(diǎn)，提出用USB設(shè)備作為接口的方案。詳細(xì)討論以 M30627FJPGP為控制器，以CH375電路為USB設(shè)備接口的硬件系統(tǒng)設(shè)計，并給出系統(tǒng)的軟件設(shè)計方案。給出USB在PCR儀嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中遇到的難點(diǎn)和解決方案。實際應(yīng)用證明，USB系統(tǒng)嵌入到PCR儀中方便了用戶的操作，提高了PCR儀的工作效率和儀器的可用性。
關(guān)鍵詞：PCR儀；嵌入式系統(tǒng)；M30627FJPGP; USB設(shè)備；數(shù)據(jù)存儲

0 引 言
聚合酶鏈反應(yīng)(Polymerase Chain Reaction，PCR)是20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來的體外核酸擴(kuò)增技術(shù)。該技術(shù)是分子生物學(xué)發(fā)展史上的一個里程碑，它使得DNA分子可以在生物體外進(jìn)行放大擴(kuò)增。在短短的數(shù)年內(nèi)，這項技術(shù)已廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)的研究中，對基因克隆、DNA序列分析等現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展起到了重要的作用。我國目前使用的PCR儀主要依賴于進(jìn)口，為了在該技術(shù)領(lǐng)域追趕國際先進(jìn)水平，與海爾集團(tuán)聯(lián)合對PCR儀進(jìn)行了開發(fā)研究。
隨著U盤的普遍使用和USB技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，方便用戶進(jìn)行程序修改和程序的存儲，PCR設(shè)計中采用可以熱插拔的USB接口，即在PCR硬件系統(tǒng)中加入了USB主控芯片，使其能夠?qū)盤等存儲設(shè)備進(jìn)行讀寫操作，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和轉(zhuǎn)移。

1 USB系統(tǒng)的硬件設(shè)計
在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，USB的應(yīng)用大體可以采用兩種方案：一是直接采用集成USB設(shè)備接口的嵌入式微控制器；二是采用單獨(dú)的控制器和獨(dú)立的USB設(shè)備接口芯片。
為增強(qiáng)系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性，該方案采用瑞薩單片機(jī)M30627FJPGP，加上USB設(shè)備接口芯片搭建硬件系統(tǒng)，具有低成本、易移植的特點(diǎn)。設(shè)計中，USB 設(shè)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(xié)議的USB總線通用接口芯片，支持主機(jī)(HOST)方式和設(shè)備(SLAVE)方式，并可以動態(tài)地切換主機(jī)和設(shè)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(shù)據(jù)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(jī)數(shù)據(jù)總線上，并且與多個外圍器件共存。單片機(jī)通過RD，WR高位地址譯碼產(chǎn)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(kuò)USB電路如圖2所示。

CH375芯片的RD和WR分別連接到單片機(jī)的讀選通輸出引腳和寫選通輸出引腳。CS由單片機(jī)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(jī)的外部中斷上，單片機(jī)使用中斷方式獲知中斷請求。
當(dāng)CS375(即CS)為低電平時，單片機(jī)可以與CH375進(jìn)行通信操作。此時，當(dāng)WR為高電平，RD和P68都為低電平時，CH375中的數(shù)據(jù)通過 D0～D7輸出；當(dāng)RD為高電平且CS和WR及P68都為低電平時，D7～D0上的數(shù)據(jù)被寫入CH375芯片中；當(dāng)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(shù)據(jù)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(nèi)置了電源上電復(fù)位電路，并可以產(chǎn)生復(fù)位信號。為確保上電復(fù)位次序，系統(tǒng)設(shè)計中，單片機(jī)的復(fù)位信號是通過CH375產(chǎn)生的，并將單片機(jī)與CH375共同接到外部復(fù)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(biāo)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(tǒng)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。