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基因擴(kuò)增儀與PC機(jī)串口通信的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)論文
基因擴(kuò)增儀（PCR儀）是根據(jù)DNA半保留復(fù)制原理，通過(guò)控制溫度變化來(lái)自動(dòng)完成聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的儀器[1]。PCR儀是生命科學(xué)研究領(lǐng)域中使用極為廣泛的一種設(shè)備，主要應(yīng)用于基因克隆和醫(yī)學(xué)診斷、遺傳工程等領(lǐng)域。目前，隨著社會(huì)水平的不斷提高，人們?yōu)楸ＷC自己以及家人的生活質(zhì)量，對(duì)醫(yī)療衛(wèi)生要求極為嚴(yán)格。因此為了滿足人們的需求，各國(guó)都開(kāi)始在醫(yī)療行業(yè)上大量投入資金以及人力，鼓勵(lì)發(fā)展醫(yī)療行業(yè)，從而保證人們的健康與安全。而這種趨勢(shì)也催動(dòng)了生命科學(xué)儀器的發(fā)展，基因擴(kuò)增儀作為生命科學(xué)重要儀器之一，其處理器也從開(kāi)始的單片機(jī)發(fā)展為ARM型。但是僅能單機(jī)操作的基因擴(kuò)增儀并不能滿足當(dāng)前需求，從而與其他儀器設(shè)備的通信也成為目前主要研究方向之一。
本文重在利用OK6410開(kāi)發(fā)板串口通信模塊和Qtcreator環(huán)境下使用的第三方串行通信控件qextserialport，自定義通信協(xié)議，研究與實(shí)現(xiàn)ARM型基因擴(kuò)增儀與PC機(jī)的串行通信，以完成相應(yīng)的功能要求，滿足社會(huì)需求。
1相關(guān)技術(shù)研究
1.1串口通信
串口通信是指外設(shè)和計(jì)算機(jī)間，通過(guò)數(shù)據(jù)信號(hào)線、地線、控制線等，按位進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)的一種通訊方式。這種通信方式使用的數(shù)據(jù)線少，在遠(yuǎn)距離通信中可以節(jié)約通信成本，但其傳輸速度比并行傳輸?shù)蚚2]。
本文用的是RS-232串行通信，其接口標(biāo)準(zhǔn)：EIA公布的RS-232C是用得最多的一種串行口通訊標(biāo)準(zhǔn)。事實(shí)上的RS-232C串口標(biāo)準(zhǔn)配置為”D”型9針插頭，其引腳定義如圖1。
1.2QT圖形界面系統(tǒng)
Qt是一個(gè)跨平臺(tái)的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架。它提供給應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者建立藝術(shù)級(jí)的圖形用戶界面所需的所用功能。Qt是完全面向?qū)ο蟮�，非常容易擴(kuò)展，并允許真正地組件編程。本設(shè)計(jì)中上位機(jī)和下位機(jī)程序均利用QT開(kāi)發(fā)，通過(guò)選擇不同的編譯器，即可生成X86版本和ARM版本的應(yīng)用程序[3]。通過(guò)上位機(jī)的界面上的按鈕可以實(shí)現(xiàn)對(duì)基因擴(kuò)增儀各種參數(shù)的設(shè)置，也可讀取PCR狀態(tài)信息。使用QT開(kāi)發(fā)程序具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1）優(yōu)良的跨平臺(tái)特性；2）面向?qū)ο螅?）豐富的API及類庫(kù)；4）運(yùn)行速度快；5）大量的開(kāi)發(fā)文檔及實(shí)用的開(kāi)發(fā)工具。
2基因擴(kuò)增儀與PC機(jī)的通信硬件連接
本設(shè)計(jì)中基因擴(kuò)增儀采用飛凌公司出品的開(kāi)發(fā)板OK6410來(lái)實(shí)現(xiàn)。該開(kāi)發(fā)板搭載了三星公司ARM11的處理器S3C6410。底板上提供了1個(gè)五線RS232電平串口（UART0）和3個(gè)三線TTL電平串口（UART1～UART3）。在開(kāi)發(fā)階段，需要兩根串口線與PC機(jī)連接，其中UART0默認(rèn)為調(diào)試串口，它的作用是可以與電腦直接相連，進(jìn)而監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)試信息，另外一個(gè)串口需要使用MAX232將TTL電平轉(zhuǎn)化為RS-232電平才可以和電腦相連，該串口線用于數(shù)據(jù)和指令的發(fā)送[4]。
本文采用三線制接法，ARM板上的RXD、TXD、GND分別與PC機(jī)的TXD、RXD、GND相連。如圖2。
3基因擴(kuò)增儀與PC機(jī)的通信軟件的設(shè)計(jì)
通信程序中下位機(jī)使用Qtcreator編寫(xiě)。通信時(shí)各參數(shù)設(shè)置情況如下：波特率為9600bit/s，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位和無(wú)奇偶校驗(yàn)位。
3.1串行通信協(xié)議的制定
PC機(jī)與基因擴(kuò)增儀的通信中需要實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交互，因此必須保證通信的質(zhì)量。而通信質(zhì)量的保證很大程度上依賴于制定的通信協(xié)議的可靠性和高效性。本設(shè)計(jì)自定義了一種具備高效傳輸性的面向字節(jié)的通信協(xié)議，它使用的算法簡(jiǎn)單、變換效率高、可靠性強(qiáng)。在發(fā)送端中，其每一幀的格式如表1所示。
本設(shè)計(jì)中的通信是以幀為傳送格式來(lái)創(chuàng)建同步過(guò)程的。每一幀都用2byte來(lái)表示它的開(kāi)始標(biāo)志和結(jié)束標(biāo)志，稱為BeginMark和EndMark，分別由固定值01H和0DH來(lái)表示，命令部分由A（41H）～Z（5AH），a（61H）～z（7AH）構(gòu)成，占用1byte，數(shù)據(jù)部分根據(jù)命令的不同會(huì)有較大差別，且長(zhǎng)度不固定，用來(lái)完成發(fā)送開(kāi)關(guān)量信息、參數(shù)設(shè)定、打印信息發(fā)送等功能。部分命令就已確保了數(shù)據(jù)部分的長(zhǎng)度，而在某些命令下數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是可變的，這時(shí)候需要在數(shù)據(jù)部分加入數(shù)據(jù)長(zhǎng)度信息。在幀校驗(yàn)部分，本設(shè)計(jì)采用了異或和的校驗(yàn)方式，將從開(kāi)始標(biāo)志到數(shù)據(jù)部分的所有信息進(jìn)行異或運(yùn)算，最終的結(jié)果作為幀校驗(yàn)，占用1byte。
在接收端，收到信息后，會(huì)對(duì)接受到的信息進(jìn)行解析，首先會(huì)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)計(jì)算，與接受到的幀校驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，如果一致，則證明數(shù)據(jù)完整可靠，再進(jìn)行命令部分和數(shù)據(jù)部分的解析，如果數(shù)據(jù)格式全部正確，則接收端會(huì)反饋給發(fā)送端正確接收的應(yīng)答命令（ACK幀）如表2，并且執(zhí)行相應(yīng)的命令。如果數(shù)據(jù)格式錯(cuò)誤，則反饋給發(fā)送端未正確識(shí)別命令（NAK幀）如表3，并且附含錯(cuò)誤碼來(lái)指明出錯(cuò)部分。
3.3通信軟件的設(shè)計(jì)
3.3.1下位機(jī)程序設(shè)計(jì)流程圖
下位機(jī)接收數(shù)據(jù)并可以在接受并處理上位機(jī)發(fā)送來(lái)的請(qǐng)求，完成相應(yīng)的工作，軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示：
3.3.2上位機(jī)程序設(shè)計(jì)
上位機(jī)可通過(guò)指令讀取PCR狀態(tài)信息，可以曲線直觀顯示下位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并且具有保存功能；并且可發(fā)送命令對(duì)下位機(jī)進(jìn)行設(shè)置，命令語(yǔ)句如下：
4設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果
上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)結(jié)果程序調(diào)試成功后，上位機(jī)正確獲取基因擴(kuò)增儀部分?jǐn)?shù)據(jù)，如表4。
4結(jié)束語(yǔ)
本文針對(duì)新興ARM型基因擴(kuò)增儀的功能上的不足，利用OK6410開(kāi)發(fā)板串口通信模塊和Qtcreator環(huán)境下使用的第三方串行通信控件qextserialport，自定義嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐ㄐ艆f(xié)議，完成對(duì)基因擴(kuò)增儀外部控制命令操作，使PC機(jī)與PCR儀可以根據(jù)人們需求進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸與控制。完善了ARM型基因擴(kuò)增儀的通信功能，使其適應(yīng)當(dāng)前社會(huì)發(fā)展要求。實(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)可靠性強(qiáng)，穩(wěn)定性好，具有一定的參考價(jià)值。當(dāng)然，該文方法也存在不足之處，對(duì)遠(yuǎn)距離傳輸具有一定的局限性，以后可考慮在遠(yuǎn)距離通信中用無(wú)線等方式實(shí)現(xiàn)。
參考文獻(xiàn)：
[1]張麗萍.基因擴(kuò)增儀（PCR儀）溫度校準(zhǔn)裝置的研究[D].天津：天津大學(xué)，2012.
[2]劉暉亮.一種車間設(shè)備層多串口信息測(cè)控終端軟件系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)[D].重慶：重慶大學(xué)，2010.
[3]霍亞飛.Qt及QtQuick開(kāi)發(fā)實(shí)戰(zhàn)精解[M].北京：北京航空航天出版社，2012.
[4]李敏.RS-232多串口擴(kuò)展器件SP2538及其應(yīng)用[J].國(guó)外電子器件，2004，4（4）.
來(lái)源：電腦知識(shí)與技術(shù) 2014年4期
【基因擴(kuò)增儀與PC機(jī)串口通信的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)論文】相關(guān)文章：
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