全自動酶免分析儀中USB通信接口的設計與實現

王興+郭陽寬

摘要：本文設計了全自動酶免分析系統的USB通信接口，闡述了USB通信接口的總體設計并且給出了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通信的功能。

關鍵詞：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構成。上位機用于為用戶提供可視化界面，設置參數，數據處理和分析，記錄實驗結果，向下位機發送指令等工作；下位機根據上位機指令執行后續工作系統，向上位機發送相關信息和數據[1]?？梢?，可靠高速的數據通信是實現儀器高穩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點[3]。在設計全自動酶免分析系統的通信系統中，采用USB總線實現上位機和下位機的連接，作為全自動酶免分析系統與PC通信的總線接口。

1 總體結構

酶免分析儀主要由如圖1所示各部分構成。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總線接口硬件設計

USB控制器與PC間電路設計。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芯片差分數據線相連，實現PC與USB總線接口的通信。

USB控制器與DSP間電路設計。主控器芯片選用TMS320F 2812。TMS320F2812產生片選信號、端點選擇和讀寫信號，控制CY7C68013進行消息傳輸。CY7C68013經過16位雙向數據總線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端點緩沖區中的一個與XD總線連接[4]。FLAGA-C用于表示CY7C68013芯片內部數據緩沖區的狀態，其直接與DSP的IO引腳相連。

USB控制器與EEPROM間電路設計。Microchip公司生產的24LC64芯片采用IIC總線接口，抗干擾能力強，數據雙向傳送，功耗低，工作電壓范圍2.5V—5V，可以擦寫多次，斷電后數據可長時間保留，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芯片的雙向串行數據總線上和串行時鐘線上。

電源電路設計。USB總線接口外接電壓40V。設計采用LT1076-5芯片將外接電源轉換成USB控制器需要的5V，使用TPS767D318芯片將5V轉換成DSP需要的3.3V和1.8V。硬件電路如圖2所示。

3 USB總線接口的軟件設計

通過配置寄存器的IFCLKSRC位為1設定系統的時鐘頻率為48MHz。固件程序是指存儲在USB接口芯片內部，用于輔助設備完成預期的功能。該程序主要完成USB接口芯片內部的初始化，處理主機的設備請求，以及完成外圍電路的控制等。實現特定的功能，需要在TD_Init（）、TD_Poll（）等函數中配置需要使用的端點，選擇合適的傳輸方式，添加實現功能的代碼等。

系統上電后，固件程序首先初始化內部的狀態變量，然后調用初始化函數TD_Init（），當程序從此函數返回后，固件程序就會設置USB接口成為未配置的狀態并且使能中斷，接下來，在1s的間隔內重新列舉設備，并直到端點0接收到設置封包為止。一旦設置封包被檢測到，固件程序將開始交互的任務調度[6]。采用自動批量傳輸，將端點2設置為OUT型，負責傳輸PC的消息；將端點6設置為IN型，負責接收CAN總線上的消息。

USB驅動程序由3個部分組成：USB總線驅動程序、USB主控制驅動程序和USB設備驅動程序，其中，Windows操作系統提供了USB總線驅動程序和USB主控制驅動程序，用戶只需要開發USB設備驅動程序。本設計中，采用Cypress公司提供的通用驅動程序，該驅動程序提供標準的USB設備請求和數據通信的用戶接口模式，符合本系統傳輸數據的要求。

DSP采用中斷方式接收CY7C68013芯片中的數據。通過CY7C68013芯片產生中斷信號，該信號只在端點2滿的時候產生。根據CY7C68013芯片固件程序的配置，端點2中存放的是PC發送給DSP主控模塊的數據，端點6中存放的是DSP主控模塊發送給PC的數據。

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中。如圖3所示。

以復位指令為例進行說明。PC發送復位指令，經過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出；DSP將指令傳輸給系統的相應模塊，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送正確。圖4所示是調試通信接口時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果一致。經過多次試驗，PC界面顯示的信息與預期的結果均一致，從而可以說明設計的USB總線接口在全自動酶免分析系統中可以實現通信的功能。

5 結語

本文設計并制作了全自動酶免分析系統通信接口的硬件電路，編寫了相關的軟件程序，最后進行了調試。經過多次試驗，可以得知設計的USB總線接口可以實現通信的功能。

參考文獻

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[3]劉吉名，裘東興.基于CY7C68013的USB2.0數據傳輸模塊設計[J].電子測量技術，2008，（3）：94-96.

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

[5]孟浩等.基于EZ-USB FX2的CMOS圖像采集系統設計與實DSP現[J].儀器儀表學報，2007，4（28）：333-334.

[6]郭裕蘭，歐建平，陳付彬，張軍.USB2.0在DSP調試系統中的應用設計[J].國外電子測量技術，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