全自動酶免分析儀中USB通信接口的設(shè)計與實現(xiàn)

王興+郭陽寬

摘要：本文設(shè)計了全自動酶免分析系統(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。USB總線接口與PC采用差分方式進行通信，與DSP采用SLAVE FIFO方式進行通信。在全自動酶免分析系統(tǒng)中進行了通信測試的實驗，多次實驗表明：該通信接口可以實現(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：TP23；TP336 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）11-0125-02

一般綜合性儀器由上位機和下位機等系統(tǒng)構(gòu)成。上位機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，記錄實驗結(jié)果，向下位機發(fā)送指令等工作；下位機根據(jù)上位機指令執(zhí)行后續(xù)工作系統(tǒng)，向上位機發(fā)送相關(guān)信息和數(shù)據(jù)[1]?？梢姡煽扛咚俚臄?shù)據(jù)通信是實現(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、無需外接電源和連接簡單等優(yōu)點[3]。在設(shè)計全自動酶免分析系統(tǒng)的通信系統(tǒng)中，采用USB總線實現(xiàn)上位機和下位機的連接，作為全自動酶免分析系統(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

USB控制器與PC間電路設(shè)計。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芯片差分數(shù)據(jù)線相連，實現(xiàn)PC與USB總線接口的通信。

USB控制器與DSP間電路設(shè)計。主控器芯片選用TMS320F 2812。TMS320F2812產(chǎn)生片選信號、端點選擇和讀寫信號，控制CY7C68013進行消息傳輸。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FIFO端點緩沖區(qū)中的一個與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。Microchip公司生產(chǎn)的24LC64芯片采用IIC總線接口，抗干擾能力強，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)可長時間保留，選其存儲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22K的上拉電阻連接到3.3V，同時接到CY7C68013芯片的雙向串行數(shù)據(jù)總線上和串行時鐘線上。

電源電路設(shè)計。USB總線接口外接電壓40V。設(shè)計采用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

通過配置寄存器的IFCLKSRC位為1設(shè)定系統(tǒng)的時鐘頻率為48MHz。固件程序是指存儲在USB接口芯片內(nèi)部，用于輔助設(shè)備完成預期的功能。該程序主要完成USB接口芯片內(nèi)部的初始化，處理主機的設(shè)備請求，以及完成外圍電路的控制等。實現(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，選擇合適的傳輸方式，添加實現(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（），當程序從此函數(shù)返回后，固件程序就會設(shè)置USB接口成為未配置的狀態(tài)并且使能中斷，接下來，在1s的間隔內(nèi)重新列舉設(shè)備，并直到端點0接收到設(shè)置封包為止。一旦設(shè)置封包被檢測到，固件程序?qū)㈤_始交互的任務(wù)調(diào)度[6]。采用自動批量傳輸，將端點2設(shè)置為OUT型，負責傳輸PC的消息；將端點6設(shè)置為IN型，負責接收CAN總線上的消息。

USB驅(qū)動程序由3個部分組成：USB總線驅(qū)動程序、USB主控制驅(qū)動程序和USB設(shè)備驅(qū)動程序，其中，Windows操作系統(tǒng)提供了USB總線驅(qū)動程序和USB主控制驅(qū)動程序，用戶只需要開發(fā)USB設(shè)備驅(qū)動程序。本設(shè)計中，采用Cypress公司提供的通用驅(qū)動程序，該驅(qū)動程序提供標準的USB設(shè)備請求和數(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，該信號只在端點2滿的時候產(chǎn)生。根據(jù)CY7C68013芯片固件程序的配置，端點2中存放的是PC發(fā)送給DSP主控模塊的數(shù)據(jù)，端點6中存放的是DSP主控模塊發(fā)送給PC的數(shù)據(jù)。

4 通信測試

將USB總線接口電路板安裝在全自動酶免分系統(tǒng)中。如圖3所示。

以復位指令為例進行說明。PC發(fā)送復位指令，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界面將會顯示復位命令發(fā)送正確。圖4所示是調(diào)試通信接口時PC顯示的界面。

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

5 結(jié)語

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

參考文獻

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[3]劉吉名，裘東興.基于CY7C68013的USB2.0數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計[J].電子測量技術(shù)，2008，（3）：94-96.

[4]田擁軍，曾建平，趙光強. 智能限電電表的開發(fā)研究[J].機械與電子，2006（7）：74.

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[6]郭裕蘭，歐建平，陳付彬，張軍.USB2.0在DSP調(diào)試系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù)，2008，27（9）：52-54.

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