全自動生化分析儀上下位機USB通信的研究與設(shè)計

【摘要】 主要闡述了全自動生化分析儀通信數(shù)據(jù)采集模塊的硬件電路設(shè)計和軟件的開發(fā)。通過用USB代替RS232，實現(xiàn)了快速的數(shù)據(jù)通信能力，大大提高了國產(chǎn)生化分析儀的執(zhí)行速度。

【關(guān)鍵詞】 全自動生化分析儀 C8051F340 USB 單片機驅(qū)動程序 上位機應(yīng)用程序

生化檢驗是醫(yī)生確認(rèn)病人病情的重要手段之一，通過對人體體液的檢驗可以測定其中的各項生化指標(biāo)，如血常規(guī)、轉(zhuǎn)氨酶、血糖血脂、尿素氮、淀粉酶、免疫球蛋白等。當(dāng)人體某些肌體組織發(fā)生病變時，病人體液中的生化指標(biāo)將會出現(xiàn)差異，因此常規(guī)生化指標(biāo)的分析成為當(dāng)前醫(yī)療檢測的重要手段，對于肝、腎、心血管疾病及糖尿病的診斷尤為重要[1]。

全自動生化分析儀（Automatic Chemistry Analyzer）就是用自動生化分析技術(shù)以機械的方式模擬手工操作，完成取樣、去蛋白、加試劑、孵育反應(yīng)、檢測、顯色、比色、計算結(jié)果和打印報告等多個步驟，并按照分析程序，把這些步驟連接起來，使一個分析項目的整個過程按預(yù)定的程序自動完成，可對多個樣品按同一方式連續(xù)處理或?qū)σ粋€樣品同時進行多個項目檢測[2]。其控制方案主要包括電子控制系統(tǒng)、通信數(shù)據(jù)采集單片機及PC機。

由于全自動生化分析儀的執(zhí)行機構(gòu)多，時序非常的復(fù)雜而且要求非常的嚴(yán)格。其電子控制系統(tǒng)包括主控模塊、電機驅(qū)動模塊、通訊數(shù)據(jù)采集模塊、光電信號模塊、液位探測模塊、交直流驅(qū)動模塊以及輔助電源模塊。通信數(shù)據(jù)采集模塊用于采樣測量和控制系統(tǒng)的各狀態(tài)、溫度、光度計信號，以及與上下位機的通信。傳統(tǒng)上國產(chǎn)生化分析儀的通信數(shù)據(jù)采集單片機與PC機完成通信采用的是RS232/RS485的串口通信，現(xiàn)將其改為USB通信不僅可以使全自動生化分析儀方便的連入PC機，而且可以大大提高其數(shù)據(jù)通信能力，是加快其分析速度、數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行Х椒ā?/p>

一、USB基本概念及特點

USB（Universal Serial BUS，通用串行總線）中文簡稱為通串線，是一個外部總線標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范電腦和外部設(shè)備的連接和通訊，是應(yīng)用在PC領(lǐng)域的接口技術(shù)。USB是在1994年底有英特爾、康柏、IBM、Micros等多家公司聯(lián)合提出的。USB版本經(jīng)歷了多年的發(fā)展，到現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展為3.0版本，成為目前電腦中的標(biāo)準(zhǔn)擴展接口。目前主板中主要是采用USB1.1和USB2.0，各USB版本間能很好的兼容[3]。具有以下特點：

（1）Host控制器基于PCI，易于控制；

（2）即插即用，無需手動設(shè)置地址、中斷；

（3）支持熱插拔，系統(tǒng)不需要重啟便可以繼續(xù)工作；

（4）易于擴展，理論上可以連接多大127個設(shè)備；

（5）USB2.0以低成本實現(xiàn)了高達(dá)480Mbps的傳輸速率，速度的提高對于用戶來說就是可以使用到更加高效的外部設(shè)備，而且具有多種速度的周邊設(shè)備都可以連接到USB2.0的線路上，無需擔(dān)心數(shù)據(jù)傳輸時發(fā)生瓶頸效應(yīng)；

（6）接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，端口供電等。

二、上下位機通信電路的設(shè)計

在實現(xiàn)全自動生化分析儀的電子控制系統(tǒng)和上位機的數(shù)據(jù)通信時，通信數(shù)據(jù)采集模塊采用了具有全速USB Flash 微控制器C8051F340。

C8051F340具有高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的微控制內(nèi)核（可達(dá)48MIPS），使其與電子控制系統(tǒng)具有很好的兼容性，易于擴展。另外，具有模擬外設(shè)：10位的ADC、兩個比較器、內(nèi)部電壓基準(zhǔn)、上電復(fù)位/掉電檢測器；它的USB控制器符合USB 2.0的規(guī)范，可以實現(xiàn)全速（12Mbps）和低速（1.5Mbps）的數(shù)據(jù)傳送；集成時鐘恢復(fù)電路，無需外部晶體；支持8個端點；1Kb的USB緩存；集成的收發(fā)器，無需外部電阻；具有高速的微控制器內(nèi)核；4kRAM，64kflash；豐富的數(shù)字外設(shè)，穩(wěn)定的時鐘源；可以實現(xiàn)片內(nèi)調(diào)試，使用起來相當(dāng)?shù)姆奖鉡4，5]。

傳統(tǒng)上通過RS232接口芯片MAX232實現(xiàn)的串行通信，為了確保通信的可靠，一般使用兩片MAX232分別連在單片機端和PC機端，芯片之間的信號發(fā)送和接受采用光耦隔離，結(jié)構(gòu)相對而言比較復(fù)雜。由于C8051F340本身集成眾多硬件電路的特性，所以硬件接口設(shè)計變得非常簡單，不需要再添加額外的電子元器件就能實現(xiàn)USB的數(shù)據(jù)傳輸。使得系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)簡單， 集成度高， 可靠性好。

三、軟件的設(shè)計

3.1 下位機軟件的設(shè)計

為了能夠?qū)崿F(xiàn)C8051F340和上位機的通信，Slicon公司的USBXpress開發(fā)包提供了一系列的函數(shù)，使得用戶可以不用了解USB協(xié)議以及設(shè)備的驅(qū)動，只需要掌握用戶端和設(shè)備端的應(yīng)用程序接口（Application Function Interface，API），便可以比較容易的實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。這些API函數(shù)以庫文件的形式提供，在Keil C51工具鏈中被預(yù)編譯。所以下位機軟件的開發(fā)工具選用的是Keil uVision3[6]。

C8051F340程序開發(fā)中所用的主要函數(shù)有USB_Clock_Start（），USB_Init（），Block_Read（），Blockj_Write（），USB_Int_Enable（），Get_Interupt_Enable（），USB_Suspend（）等，值得注意的是，在調(diào)用下面所涉及的函數(shù)之前，必須包含USB_API.lib的頭文件USB_API.h和SiLabs C8051F340的頭文件c8051f340.h，這樣程序才可以順利通過編譯。

這樣，C8051F340就可以將電子控制系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)及時的交給PC機，并且將PC的控制命令傳送給電子控制系統(tǒng)，操作全自動生化分析儀的運行。

3.2 上位機軟件的設(shè)計

該系統(tǒng)采用的是Visual C++ 6.0作為上位機的開發(fā)環(huán)境。首先，新建一個MFC AppWizard（exe）類型的工程，在MFC AppWizard的第一步選擇創(chuàng)建基于對話框（Dialog Based）的應(yīng)用程序，然后單擊【Finish】接受各步的默認(rèn)設(shè)置，完成應(yīng)用程序的創(chuàng)建。

與下位機開發(fā)相似，USBXpress也提供了一系列的API函數(shù)，用于上位機程序的開發(fā)。主機的API函數(shù)以Windows動態(tài)鏈接庫（DLL）的形式提供。在Visual C++環(huán)境下，主機和C8051F340單片機之間的通訊用到的函數(shù)主要有：SI_GetNumDevices（），SI_GetProductString（），SI_Open（），SI_Write（），SI_Read（），SI_Close（）等，值得注意的是，為了能順利通過程序的編譯，需要在工程源文件中添加SiUSBXp.h和SiUSBXp.dll 以及SiUSBXp.lib。

四、結(jié)束語

本文簡要介紹了全自動生化分析儀和USB的基本概念，并詳細(xì)全自動生化分析儀通信數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計，包括硬件電路的設(shè)計和軟件的開發(fā)。用USB代替RS232可以大大提高全自動生化分析儀的數(shù)據(jù)傳輸能力，有利于提高數(shù)據(jù)處理的速度。在國產(chǎn)全自動生化分析儀中，值得推廣。

參 考 文 獻

[1] 吳海波. 全自動生化分析儀電子控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 東北大學(xué). 2006

[2] 蘭君. 生化分析儀信號檢測與控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 南京航空航天大學(xué). 2007

[3] 曹建平. 智能儀器原理及應(yīng)用[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社. 2004，57