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基因擴增儀與PC機串口通信的設(shè)計與實現(xiàn)論文
基因擴增儀（PCR儀）是根據(jù)DNA半保留復制原理，通過控制溫度變化來自動完成聚合酶鏈式反應(yīng)的儀器[1]。PCR儀是生命科學研究領(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)學診斷、遺傳工程等領(lǐng)域。目前，隨著社會水平的不斷提高，人們?yōu)楸ＷC自己以及家人的生活質(zhì)量，對醫(yī)療衛(wèi)生要求極為嚴格。因此為了滿足人們的需求，各國都開始在醫(yī)療行業(yè)上大量投入資金以及人力，鼓勵發(fā)展醫(yī)療行業(yè)，從而保證人們的健康與安全。而這種趨勢也催動了生命科學儀器的發(fā)展，基因擴增儀作為生命科學重要儀器之一，其處理器也從開始的單片機發(fā)展為ARM型。但是僅能單機操作的基因擴增儀并不能滿足當前需求，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，研究與實現(xiàn)ARM型基因擴增儀與PC機的串行通信，以完成相應(yīng)的功能要求，滿足社會需求。
1相關(guān)技術(shù)研究
1.1串口通信
串口通信是指外設(shè)和計算機間，通過數(shù)據(jù)信號線、地線、控制線等，按位進行傳輸數(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，其接口標準：EIA公布的RS-232C是用得最多的一種串行口通訊標準。事實上的RS-232C串口標準配置為”D”型9針插頭，其引腳定義如圖1。
1.2QT圖形界面系統(tǒng)
Qt是一個跨平臺的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架。它提供給應(yīng)用程序開發(fā)者建立藝術(shù)級的圖形用戶界面所需的所用功能。Qt是完全面向?qū)ο蟮�，非常容易擴展，并允許真正地組件編程。本設(shè)計中上位機和下位機程序均利用QT開發(fā)，通過選擇不同的編譯器，即可生成X86版本和ARM版本的應(yīng)用程序[3]。通過上位機的界面上的按鈕可以實現(xiàn)對基因擴增儀各種參數(shù)的設(shè)置，也可讀取PCR狀態(tài)信息。使用QT開發(fā)程序具有以下優(yōu)點：
1）優(yōu)良的跨平臺特性；2）面向?qū)ο螅?）豐富的API及類庫；4）運行速度快；5）大量的開發(fā)文檔及實用的開發(fā)工具。
2基因擴增儀與PC機的通信硬件連接
本設(shè)計中基因擴增儀采用飛凌公司出品的開發(fā)板OK6410來實現(xiàn)。該開發(fā)板搭載了三星公司ARM11的處理器S3C6410。底板上提供了1個五線RS232電平串口（UART0）和3個三線TTL電平串口（UART1～UART3）。在開發(fā)階段，需要兩根串口線與PC機連接，其中UART0默認為調(diào)試串口，它的作用是可以與電腦直接相連，進而監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)試信息，另外一個串口需要使用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機的TXD、RXD、GND相連。如圖2。
3基因擴增儀與PC機的通信軟件的設(shè)計
通信程序中下位機使用Qtcreator編寫。通信時各參數(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位和無奇偶校驗位。
3.1串行通信協(xié)議的制定
PC機與基因擴增儀的通信中需要實時的數(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，它使用的算法簡單、變換效率高、可靠性強。在發(fā)送端中，其每一幀的格式如表1所示。
本設(shè)計中的通信是以幀為傳送格式來創(chuàng)建同步過程的。每一幀都用2byte來表示它的開始標志和結(jié)束標志，稱為BeginMark和EndMark，分別由固定值01H和0DH來表示，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)命令的不同會有較大差別，且長度不固定，用來完成發(fā)送開關(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)部分的長度，而在某些命令下數(shù)據(jù)長度是可變的，這時候需要在數(shù)據(jù)部分加入數(shù)據(jù)長度信息。在幀校驗部分，本設(shè)計采用了異或和的校驗方式，將從開始標志到數(shù)據(jù)部分的所有信息進行異或運算，最終的結(jié)果作為幀校驗，占用1byte。
在接收端，收到信息后，會對接受到的信息進行解析，首先會對接收到的數(shù)據(jù)進行校驗計算，與接受到的幀校驗進行對比，如果一致，則證明數(shù)據(jù)完整可靠，再進行命令部分和數(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)格式錯誤，則反饋給發(fā)送端未正確識別命令（NAK幀）如表3，并且附含錯誤碼來指明出錯部分。
3.3通信軟件的設(shè)計
3.3.1下位機程序設(shè)計流程圖
下位機接收數(shù)據(jù)并可以在接受并處理上位機發(fā)送來的請求，完成相應(yīng)的工作，軟件設(shè)計流程圖如圖3所示：
3.3.2上位機程序設(shè)計
上位機可通過指令讀取PCR狀態(tài)信息，可以曲線直觀顯示下位機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并且具有保存功能；并且可發(fā)送命令對下位機進行設(shè)置，命令語句如下：
4設(shè)計實現(xiàn)結(jié)果
上位機軟件實現(xiàn)結(jié)果程序調(diào)試成功后，上位機正確獲取基因擴增儀部分數(shù)據(jù)，如表4。
4結(jié)束語
本文針對新興ARM型基因擴增儀的功能上的不足，利用OK6410開發(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，自定義嚴謹?shù)耐ㄐ艆f(xié)議，完成對基因擴增儀外部控制命令操作，使PC機與PCR儀可以根據(jù)人們需求進行實時數(shù)據(jù)的準確傳輸與控制。完善了ARM型基因擴增儀的通信功能，使其適應(yīng)當前社會發(fā)展要求。實驗表明，該設(shè)計可靠性強，穩(wěn)定性好，具有一定的參考價值。當然，該文方法也存在不足之處，對遠距離傳輸具有一定的局限性，以后可考慮在遠距離通信中用無線等方式實現(xiàn)。
參考文獻：
[1]張麗萍.基因擴增儀（PCR儀）溫度校準裝置的研究[D].天津：天津大學，2012.
[2]劉暉亮.一種車間設(shè)備層多串口信息測控終端軟件系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].重慶：重慶大學，2010.
[3]霍亞飛.Qt及QtQuick開發(fā)實戰(zhàn)精解[M].北京：北京航空航天出版社，2012.
[4]李敏.RS-232多串口擴展器件SP2538及其應(yīng)用[J].國外電子器件，2004，4（4）.
來源：電腦知識與技術(shù) 2014年4期
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