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，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和解決方案。實際應用證明，USB系統嵌入到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年代中期發展起來的體外核酸擴增技術。該技術是分子生物學發展史上的一個里程碑，它使得DNA分子可以在生物體外進行放大擴增。在短短的數年內，這項技術已廣泛應用于生命科學的研究中，對基因克隆、DNA序列分析等現代分子生物學技術的發展起到了重要的作用。我國目前使用的PCR儀主要依賴于進口，為了在該技術領域追趕國際先進水平，與海爾集團聯合對PCR儀進行了開發研究。
隨著U盤的普遍使用和USB技術的嵌入式系統應用，方便用戶進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盤等存儲設備進行讀寫操作，從而實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。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協議的USB總線通用接口芯片，支持主機(HOST)方式和設備(SLAVE)方式，并可以動態地切換主機和設備方式。

CH375芯片提供了通用的被動并行接口，包括：8位雙向數據總線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數據總線上，并且與多個外圍器件共存。單片機通過RD，WR高位地址譯碼產生片選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，單片機可以與CH375進行通信操作。此時，當WR為高電平，RD和P68都為低電平時，CH375中的數據通過 D0～D7輸出；當RD為高電平且CS和WR及P68都為低電平時，D7～D0上的數據被寫入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，D7～D0上的數據被作為命令碼寫入CH375芯片中。
CH375芯片的UD+和UD-引腳直接連接到USB總線上。CH375芯片內置了電源上電復位電路，并可以產生復位信號。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CH375產生的，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。