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1、全自动生化分析仪上下位机USB通信的研究与设计全自动生化分析仪上下位机USB通信的研究与设计 【摘要】 主要阐述了全自动生化分析仪通信数据采集模块的硬件电路设计和软件的开发。通过用USB代替RS232，实现了快速的数据通信能力，大大提高了国产生化分析仪的执行速度。 【关键词】 全自动生化分析仪 C8051F340 USB 单片机驱动程序 上位机应用程序 生化检验是医生确认病人病情的重要手段之一，通过对人体体液的检验可以测定其中的各项生化指标，如血常规、转氨酶、血糖血脂、尿素氮、淀粉酶、免疫球蛋白等。当人体某些肌体组织发生病变时，病人体液中的生化指标将会出现差异，因此常规生化指标的分析成为当前医
2、疗检测的重要手段，对于肝、肾、心血管疾病及糖尿病的诊断尤为重要1。 全自动生化分析仪（Automatic Chemistry Analyzer）就是用自动生化分析技术以机械的方式模拟手工操作，完成取样、去蛋白、加试剂、孵育反应、检测、显色、比色、计算结果和打印报告等多个步骤，并按照分析程序，把这些步骤连接起来，使一个分析项目的整个过程按预定的程序自动完成，可对多个样品按同一方式连续处理或对一个样品同时进行多个项目检测2。其控制方案主要包括电子控制系统、通信数据采集单片机及PC机。 由于全自动生化分析仪的执行机构多，时序非常的复杂而且要求非常的严格。其电子控制系统包括主控模块、电机驱动模块、通讯
3、数据采集模块、光电信号模块、液位探测模块、交直流驱动模块以及辅助电源模块。通信数据采集模块用于采样测量和控制系统的各状态、温度、光度计信号，以及与上下位机的通信。传统上国产生化分析仪的通信数据采集单片机与PC机完成通信采用的是RS232/RS485的串口通信，现将其改为USB通信不仅可以使全自动生化分析仪方便的连入PC机，而且可以大大提高其数据通信能力，是加快其分析速度、数据传输的有效方法。 一、USB基本概念及特点 USB（Universal Serial BUS，通用串行总线）中文简称为通串线，是一个外部总线标准，用于规范电脑和外部设备的连接和通讯，是应用在PC领域的接口技术。USB是在1
4、994年底有英特尔、康柏、IBM、Micros等多家公司联合提出的。USB版本经历了多年的发展，到现在已经发展为3.0版本，成为目前电脑中的标准扩展接口。目前主板中主要是采用USB1.1和USB2.0，各USB版本间能很好的兼容3。具有以下特点： （1）Host控制器基于PCI，易于控制； （2）即插即用，无需手动设置地址、中断； （3）支持热插拔，系统不需要重启便可以继续工作； （4）易于扩展，理论上可以连接多大127个设备； （5）USB2.0以低成本实现了高达480Mbps的传输速率，速度的提高对于用户来说就是可以使用到更加高效的外部设备，而且具有多种速度的周边设备都可以连接到USB2.
5、0的线路上，无需担心数据传输时发生瓶颈效应； （6）接口标准统一，端口供电等。 二、上下位机通信电路的设计 在实现全自动生化分析仪的电子控制系统和上位机的数据通信时，通信数据采集模块采用了具有全速USB Flash 微控制器C8051F340。 C8051F340具有高速、流水线结构的8051兼容的微控制内核（可达48MIPS），使其与电子控制系统具有很好的兼容性，易于扩展。另外，具有模拟外设：10位的ADC、两个比较器、内部电压基准、上电复位/掉电检测器；它的USB控制器符合USB 2.0的规范，可以实现全速（12Mbps）和低速（1.5Mbps）的数据传送；集成时钟恢复电路，无需外部晶体；
6、支持8个端点；1Kb的USB缓存；集成的收发器，无需外部电阻；具有高速的微控制器内核；4kRAM，64kflash；丰富的数字外设，稳定的时钟源；可以实现片内调试，使用起来相当的方便4，5。 传统上通过RS232接口芯片MAX232实现的串行通信，为了确保通信的可靠，一般使用两片MAX232分别连在单片机端和PC机端，芯片之间的信号发送和接受采用光耦隔离，结构相对而言比较复杂。由于C8051F340本身集成众多硬件电路的特性，所以硬件接口设计变得非常简单，不需要再添加额外的电子元器件就能实现USB的数据传输。使得系统的硬件结构简单， 集成度高， 可靠性好。 三、软件的设计 3.1 下位机软件的
7、设计 为了能够实现C8051F340和上位机的通信，Slicon公司的USBXpress开发包提供了一系列的函数，使得用户可以不用了解USB协议以及设备的驱动，只需要掌握用户端和设备端的应用程序接口（Application Function Interface，API），便可以比较容易的实现数据传输。这些API函数以库文件的形式提供，在Keil C51工具链中被预编译。所以下位机软件的开发工具选用的是Keil uVision36。 C8051F340程序开发中所用的主要函数有USB_Clock_Start（），USB_Init（），Block_Read（），Blockj_Write（），USB
8、_Int_Enable（），Get_Interupt_Enable（），USB_Suspend（）等，值得注意的是，在调用下面所涉及的函数之前，必须包含USB_API.lib的头文件USB_API.h和SiLabs C8051F340的头文件c8051f340.h，这样程序才可以顺利通过编译。 这样，C8051F340就可以将电子控制系统采集的数据及时的交给PC机，并且将PC的控制命令传送给电子控制系统，操作全自动生化分析仪的运行。 3.2 上位机软件的设计 该系统采用的是Visual C+ 6.0作为上位机的开发环境。首先，新建一个MFC AppWizard（exe）类型的工程，在MFC A
9、ppWizard的第一步选择创建基于对话框（Dialog Based）的应用程序，然后单击【Finish】接受各步的默认设置，完成应用程序的创建。 与下位机开发相似，USBXpress也提供了一系列的API函数，用于上位机程序的开发。主机的API函数以Windows动态链接库（DLL）的形式提供。在Visual C+环境下，主机和C8051F340单片机之间的通讯用到的函数主要有：SI_GetNumDevices（），SI_GetProductString（），SI_Open（），SI_Write（），SI_Read（），SI_Close（）等，值得注意的是，为了能顺利通过程序的编译，需要在工
10、程源文件中添加SiUSBXp.h和SiUSBXp.dll 以及SiUSBXp.lib。 四、结束语 本文简要介绍了全自动生化分析仪和USB的基本概念，并详细全自动生化分析仪通信数据采集模块的设计，包括硬件电路的设计和软件的开发。用USB代替RS232可以大大提高全自动生化分析仪的数据传输能力，有利于提高数据处理的速度。在国产全自动生化分析仪中，值得推广。 参 考 文 献 1 吴海波. 全自动生化分析仪电子控制系统的设计与实现D. 东北大学. 2006 2 兰君. 生化分析仪信号检测与控制系统的设计与实现D. 南京航空航天大学. 2007 3 曹建平. 智能仪器原理及应用M. 西安：西安电子科技大学出版社. 2004，57-分享文档，传播知识，赠人以花，手自留香。
