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基因擴增儀與PC機串口通信的設計與實現論文
基因擴增儀(PCR儀)是根據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的儀器[1]。PCR儀是生命科學研究領域中使用極為廣泛的一種設備,主要應用于基因克隆和醫學診斷、遺傳工程等領域。目前,隨著社會水平的不斷提高,人們為保證自己以及家人的生活質量,對醫療衛生要求極為嚴格。因此為了滿足人們的需求,各國都開始在醫療行業上大量投入資金以及人力,鼓勵發展醫療行業,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開發板串口通信模塊和Qtcreator環境下使用的第三方串行通信控件qextserialport,自定義通信協議,研究與實現ARM型基因擴增儀與PC機的串行通信,以完成相應的功能要求,滿足社會需求。
1相關技術研究
1.1串口通信
串口通信是指外設和計算機間,通過數據信號線、地線、控制線等,按位進行傳輸數據的一種通訊方式。這種通信方式使用的數據線少,在遠距離通信中可以節約通信成本,但其傳輸速度比并行傳輸低[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
Qt是一個跨平臺的C++圖形用戶界面應用程序框架。它提供給應用程序開發者建立藝術級的圖形用戶界面所需的所用功能。Qt是完全面向對象的,非常容易擴展,并允許真正地組件編程。本設計中上位機和下位機程序均利用QT開發,通過選擇不同的編譯器,即可生成X86版本和ARM版本的應用程序[3]。通過上位機的界面上的按鈕可以實現對基因擴增儀各種參數的設置,也可讀取PCR狀態信息。使用QT開發程序具有以下優點:
1)優良的跨平臺特性;2)面向對象;3)豐富的API及類庫;4)運行速度快;5)大量的開發文檔及實用的開發工具。
2基因擴增儀與PC機的通信硬件連接
本設計中基因擴增儀采用飛凌公司出品的開發板OK6410來實現。該開發板搭載了三星公司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)。在開發階段,需要兩根串口線與PC機連接,其中UART0默認為調試串口,它的作用是可以與電腦直接相連,進而監控系統調試信息,另外一個串口需要使用MAX232將TTL電平轉化為RS-232電平才可以和電腦相連,該串口線用于數據和指令的發送[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機的通信軟件的設計
通信程序中下位機使用Qtcreator編寫。通信時各參數設置情況如下:波特率為9600bit/s,數據位8位,停止位1位和無奇偶校驗位。
3.1串行通信協議的制定
PC機與基因擴增儀的通信中需要實時的數據交互,因此必須保證通信的質量。而通信質量的保證很大程度上依賴于制定的通信協議的可靠性和高效性。本設計自定義了一種具備高效傳輸性的面向字節的通信協議,它使用的算法簡單、變換效率高、可靠性強。在發送端中,其每一幀的格式如表1所示。
本設計中的通信是以幀為傳送格式來創建同步過程的。每一幀都用2byte來表示它的開始標志和結束標志,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)構成,占用1byte,數據部分根據命令的不同會有較大差別,且長度不固定,用來完成發送開關量信息、參數設定、打印信息發送等功能。部分命令就已確保了數據部分的長度,而在某些命令下數據長度是可變的,這時候需要在數據部分加入數據長度信息。在幀校驗部分,本設計采用了異或和的校驗方式,將從開始標志到數據部分的所有信息進行異或運算,最終的結果作為幀校驗,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據進行校驗計算,與接受到的幀校驗進行對比,如果一致,則證明數據完整可靠,再進行命令部分和數據部分的解析,如果數據格式全部正確,則接收端會反饋給發送端正確接收的應答命令(ACK幀)如表2,并且執行相應的命令。如果數據格式錯誤,則反饋給發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通信軟件的設計
3.3.1下位機程序設計流程圖
下位機接收數據并可以在接受并處理上位機發送來的請求,完成相應的工作,軟件設計流程圖如圖3所示:
3.3.2上位機程序設計
上位機可通過指令讀取PCR狀態信息,可以曲線直觀顯示下位機傳輸的數據,并且具有保存功能;并且可發送命令對下位機進行設置,命令語句如下:
4設計實現結果
上位機軟件實現結果程序調試成功后,上位機正確獲取基因擴增儀部分數據,如表4。
4結束語
本文針對新興ARM型基因擴增儀的功能上的不足,利用OK6410開發板串口通信模塊和Qtcreator環境下使用的第三方串行通信控件qextserialport,自定義嚴謹的通信協議,完成對基因擴增儀外部控制命令操作,使PC機與PCR儀可以根據人們需求進行實時數據的準確傳輸與控制。完善了ARM型基因擴增儀的通信功能,使其適應當前社會發展要求。實驗表明,該設計可靠性強,穩定性好,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。
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.一種車間設備層多串口信息測控終端軟件系統的研究與開發[D].重慶:重慶大學,2010.
[3]霍亞飛.Qt及QtQuick開發實戰精解[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及其應用[J].國外電子器件,2004,4(4).
來源:電腦知識與技術 2014年4期
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