基因扩增仪与PC机串口通信的设计与实现

　　基因扩增仪（PCR仪）是根据DNA半保留复制原理，通过控制温度变化来自动完成聚合酶链式反应的仪器[1]。PCR仪是生命科学研究领域中使用极为广泛的一种设备，主要应用于基因克隆和医学诊断、遗传工程等领域。目前，随着社会水平的不断提高，人们为保证自己以及家人的生活质量，对医疗卫生要求极为严格。因此为了满足人们的需求，各国都开始在医疗行业上大量投入资金以及人力，鼓励发展医疗行业，从而保证人们的健康与安全。而这种趋势也催动了生命科学仪器的发展，基因扩增仪作为生命科学重要仪器之一，其处理器也从开始的单片机发展为ARM型。但是仅能单机操作的基因扩增仪并不能满足当前需求，从而与其他仪器设备的通信也成为目前主要研究方向之一。

　　本文重在利用OK6410开发板串口通信模块和Qtcreator环境下使用的第三方串行通信控件qextserialport，自定义通信协议，研究与实现ARM型基因扩增仪与PC机的串行通信，以完成相应的功能要求，满足社会需求。

　　1相关技术研究

　　1.1串口通信

　　串口通信是指外设和计算机间，通过数据信号线、地线、控制线等，按位进行传输数据的一种通讯方式。这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本，但其传输速度比并行传输低[2]。

　　本文用的是RS-232串行通信，其接口标准：EIA公布的RS-232C是用得最多的一种串行口通讯标准。事实上的RS-232C串口标准配置为”D”型9针插头，其引脚定义如图1。

　　1.2QT图形界面系统

　　Qt是一个跨平台的C++图形用户界面应用程序框架。它提供给应用程序开发者建立艺术级的图形用户界面所需的所用功能。Qt是完全面向对象的，非常容易扩展，并允许真正地组件编程。本设计中上位机和下位机程序均利用QT开发，通过选择不同的编译器，即可生成X86版本和ARM版本的应用程序[3]。通过上位机的界面上的按钮可以实现对基因扩增仪各种参数的设置，也可读取PCR状态信息。使用QT开发程序具有以下优点：

　　1）优良的跨平台特性；2）面向对象；3）丰富的API及类库；4）运行速度快；5）大量的开发文档及实用的开发工具。

　　2基因扩增仪与PC机的通信硬件连接

　　本设计中基因扩增仪采用飞凌公司出品的开发板OK6410来实现。该开发板搭载了三星公司ARM11的处理器S3C6410。底板上提供了1个五线RS232电平串口（UART0）和3个三线TTL电平串口（UART1～UART3）。在开发阶段，需要两根串口线与PC机连接，其中UART0默认为调试串口，它的作用是可以与电脑直接相连，进而监控系统调试信息，另外一个串口需要使用MAX232将TTL电平转化为RS-232电平才可以和电脑相连，该串口线用于数据和指令的发送[4]。

　　本文采用三线制接法，ARM板上的RXD、TXD、GND分别与PC机的TXD、RXD、GND相连。如图2。

　　3基因扩增仪与PC机的通信软件的设计

　　通信程序中下位机使用Qtcreator编写。通信时各参数设置情况如下：波特率为9600bit/s，数据位8位，停止位1位和无奇偶校验位。

　　3.1串行通信协议的制定

　　PC机与基因扩增仪的通信中需要实时的数据交互，因此必须保证通信的质量。而通信质量的保证很大程度上依赖于制定的通信协议的可靠性和高效性。本设计自定义了一种具备高效传输性的面向字节的通信协议，它使用的算法简单、变换效率高、可靠性强。在发送端中，其每一帧的格式如表1所示。

　　本设计中的通信是以帧为传送格式来创建同步过程的。每一帧都用2byte来表示它的开始标志和结束标志，称为BeginMark和EndMark，分别由固定值01H和0DH来表示，命令部分由A（41H）～Z（5AH），a（61H）～z（7AH）构成，占用1byte，数据部分根据命令的不同会有较大差别，且长度不固定，用来完成发送开关量信息、参数设定、打印信息发送等功能。部分命令就已确保了数据部分的长度，而在某些命令下数据长度是可变的，这时候需要在数据部分加入数据长度信息。在帧校验部分，本设计采用了异或和的校验方式，将从开始标志到数据部分的所有信息进行异或运算，最终的结果作为帧校验，占用1byte。

　　在接收端，收到信息后，会对接受到的信息进行解析，首先会对接收到的数据进行校验计算，与接受到的帧校验进行对比，如果一致，则证明数据完整可靠，再进行命令部分和数据部分的解析，如果数据格式全部正确，则接收端会反馈给发送端正确接收的应答命令（ACK帧）如表2，并且执行相应的命令。如果数据格式错误，则反馈给发送端未正确识别命令（NAK帧）如表3，并且附含错误码来指明出错部分。

　　3.3通信软件的设计

　　3.3.1下位机程序设计流程图

　　下位机接收数据并可以在接受并处理上位机发送来的请求，完成相应的工作，软件设计流程图如图3所示：

　　3.3.2上位机程序设计

　　上位机可通过指令读取PCR状态信息，可以曲线直观显示下位机传输的数据，并且具有保存功能；并且可发送命令对下位机进行设置，命令语句如下：

　　4设计实现结果

　　上位机软件实现结果程序调试成功后，上位机正确获取基因扩增仪部分数据，如表4。

　　4结束语

　　本文针对新兴ARM型基因扩增仪的功能上的不足，利用OK6410开发板串口通信模块和Qtcreator环境下使用的第三方串行通信控件qextserialport，自定义严谨的通信协议，完成对基因扩增仪外部控制命令操作，使PC机与PCR仪可以根据人们需求进行实时数据的准确传输与控制。完善了ARM型基因扩增仪的通信功能，使其适应当前社会发展要求。实验表明，该设计可靠性强，稳定性好，具有一定的参考价值。当然，该文方法也存在不足之处，对远距离传输具有一定的局限性，以后可考虑在远距离通信中用无线等方式实现。

　　参考文献：

　　[1]张丽萍.基因扩增仪（PCR仪）温度校准装置的研究[D].天津：天津大学，2012.

　　[2]刘晖亮.一种车间设备层多串口信息测控终端软件系统的研究与开发[D].重庆：重庆大学，2010.

　　[3]霍亚飞.Qt及QtQuick开发实战精解[M].北京：北京航空航天出版社，2012.

　　[4]李敏.RS-232多串口扩展器件SP2538及其应用[J].国外电子器件，2004，4（4）.

　　来源：电脑知识与技术 2014年4期

　　作者：刘洁 黄鑫