USB在PCR儀嵌入式系統中的應用

摘 要：針對PCR儀嵌入式系統數據存儲的特點(diǎn)，提出用USB設備作為接口的方案。詳細討論以 M30627FJPGP為控制器，以CH375電路為USB設備接口的硬件系統設計，并給出系統的軟件設計方案。給出USB在PCR儀嵌入式系統應用中遇到的難點(diǎn)和解決方案。實(shí)際應用證明，USB系統嵌入到PCR儀中方便了用戶(hù)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；M30627FJPGP; USB設備；數據存儲

0 引 言
聚合酶鏈反應(Polymerase Chain Reaction，PCR)是20世紀80年代中期發(fā)展起來(lái)的體外核酸擴增技術(shù)。該技術(shù)是分子生物學(xué)發(fā)展史上的一個(gè)里程碑，它使得DNA分子可以在生物體外進(jìn)行放大擴增。在短短的數年內，這項技術(shù)已廣泛應用于生命科學(xué)的研究中，對基因克隆、DNA序列分析等現代分子生物學(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(lài)于進(jìn)口，為了在該技術(shù)領(lǐng)域追趕國際先進(jìn)水平，與海爾集團聯(lián)合對PCR儀進(jìn)行了開(kāi)發(fā)研究。
隨著(zhù)U盤(pán)的普遍使用和USB技術(shù)的嵌入式系統應用，方便用戶(hù)進(jìn)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(pán)等存儲設備進(jìn)行讀寫(xiě)操作，從而實(shí)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(diǎn)。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(xié)議的USB總線(xiàn)通用接口芯片，支持主機(HOST)方式和設備(SLAVE)方式，并可以動(dòng)態(tài)地切換主機和設備方式。

CH375芯片提供了通用的被動(dòng)并行接口，包括：8位雙向數據總線(xiàn)D0～D7、讀選通輸入引腳RD、寫(xiě)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(xiàn)方式掛接在單片機數據總線(xiàn)上，并且與多個(gè)外圍器件共存。單片機通過(guò)RD，WR高位地址譯碼產(chǎn)生片選CS和地址線(xiàn)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(xiě)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(shí)，單片機可以與CH375進(jìn)行通信操作。此時(shí)，當WR為高電平，RD和P68都為低電平時(shí)，CH375中的數據通過(guò) D0～D7輸出；當RD為高電平且CS和WR及P68都為低電平時(shí)，D7～D0上的數據被寫(xiě)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(shí)，D7～D0上的數據被作為命令碼寫(xiě)入CH375芯片中。
CH375芯片的UD+和UD-引腳直接連接到USB總線(xiàn)上。CH375芯片內置了電源上電復位電路，并可以產(chǎn)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(guò)CH375產(chǎn)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(shí)需要外部為其提供12 MHz的時(shí)鐘信號，在XI和XO引腳之間連接一個(gè)標稱(chēng)頻率為12 MHz的晶體，并且分別為XI和XO引腳對地連接一個(gè)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。