基于單片機(jī)的心電血壓監(jiān)測(cè)儀USB接口設(shè)計(jì)方案

　引言

　　家用心電血壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由采集記錄設(shè)備和上位機(jī)電子病歷管理系統(tǒng)組成，因此，需要解決數(shù)據(jù)傳輸方式問(wèn)題。傳統(tǒng)的通信接口采用簡(jiǎn)單的RS-232串行UART ，這種方式速度慢且適用性差，而USB轉(zhuǎn)串口芯片的傳輸性能不能得到根本改善。USB總線(xiàn)接口則具有速度快、易于擴(kuò)展、支持熱插拔、使用靈活方便等優(yōu)勢(shì)，尤其適用于家用設(shè)備與計(jì)算機(jī)的通信連接。

　　本文重點(diǎn)討論USB通信協(xié)議及其接口芯片的控制方法，針對(duì)臨床需求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了具有心電、血壓智能監(jiān)測(cè)和USB高速數(shù)據(jù)傳輸功能的小型化設(shè)備，提供心電、血壓數(shù)據(jù)電子病歷查詢(xún)、打印和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ?，?duì)于提高家庭健康保健水平具有很重要的意義。

　　監(jiān)測(cè)儀的USB接口電路設(shè)計(jì)


　　系統(tǒng)主控制芯片采用32位高性能嵌入式ARM微處理器S3C44B0X，USB專(zhuān)用控制芯片選用USBN9603。USBN9603內(nèi)置7個(gè)FIFO端口，包括1個(gè)雙向的控制端口，3個(gè)發(fā)送端口和3個(gè)接收端口，各有64字節(jié)。


　　USB控制器與S3C44B0X的接口電路如圖1所示。將USB控制器設(shè)計(jì)為Bank2，即將nGCS2存儲(chǔ)體選擇線(xiàn)作為USBN9603的片選線(xiàn)，則該芯片的片選地址為0x4000000。本文采用并行數(shù)據(jù)接口，兩個(gè)芯片的低8位數(shù)據(jù)線(xiàn)D0~D7相連接，并行傳輸通信數(shù)據(jù)。將MODE0和MODE1引腳都接地，配置USBN9603為非復(fù)用方式，由于此工作模式需要地址線(xiàn)A0作為存取USBN9603片內(nèi)寄存器DATA_IN、DATA_OUT和ADDR寄存器的選擇線(xiàn)，需連接32位地址總線(xiàn)中的A18到USB控制器的A0。對(duì)USBN9603進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)，分為兩個(gè)總線(xiàn)周期：首先，將地址線(xiàn)A0置高，即設(shè)置總線(xiàn)地址為0x4040000，將待訪問(wèn)寄存器的地址從數(shù)據(jù)線(xiàn)D[0:7]寫(xiě)入，這樣，就在第一個(gè)總線(xiàn)周期將地址送到芯片；然后，在第二個(gè)周期，將A0置低，即設(shè)置總線(xiàn)地址為0x4000000，讀寫(xiě)D[0:7]即可實(shí)現(xiàn)對(duì)寄存器的讀寫(xiě)操作。整個(gè)USB通信過(guò)程主要是處理包括接收、發(fā)送數(shù)據(jù)等各種中斷事件，將USBN9603的INT引腳連接到S3C44B0X的外部中斷EINT0引腳，設(shè)置USB中斷為向量中斷請(qǐng)求模式。由于未使用DMA方式，需將DACK置高，DMA請(qǐng)求線(xiàn)DRQ懸空。USB電纜有4條導(dǎo)線(xiàn)，D+和D-是USB差分信號(hào)線(xiàn)，另外兩個(gè)分別是5V電源線(xiàn)和地線(xiàn)。USBN9603支持低速和全速的USB通信，在D+信號(hào)線(xiàn)上連接1.5KΩ上拉電阻，使其工作在全速模式。




圖1 系統(tǒng)擴(kuò)展存儲(chǔ)器和USB接口原理圖

　　監(jiān)測(cè)儀的USB接口固件實(shí)現(xiàn)

　　USB通信過(guò)程的操作是從主機(jī)開(kāi)始的，按照約定的時(shí)序先發(fā)出一個(gè)令牌包，包含操作類(lèi)型、方向、外設(shè)地址及端點(diǎn)號(hào)等信息，然后在令牌中指定數(shù)據(jù)發(fā)送者發(fā)出一個(gè)數(shù)據(jù)包或者指出沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸。而USB外設(shè)要以一個(gè)確認(rèn)包作出響應(yīng)，表示傳輸成功。

　　本文采用主從式USB通信結(jié)構(gòu)，上位機(jī)通過(guò)發(fā)送各種事先約定好的協(xié)議命令，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)心電、血壓數(shù)據(jù)的采集及對(duì)系統(tǒng)設(shè)備的初始化設(shè)置，主要包括以下幾種數(shù)據(jù)：心電數(shù)據(jù)以段為單位，每段包括32KB心電數(shù)據(jù)及6B的采集時(shí)間信息，每次傳輸若干段，數(shù)據(jù)量大，對(duì)傳輸可靠性要求也高；血壓數(shù)據(jù)包括舒張壓和收縮壓及其采集時(shí)間，共10B，由于血壓監(jiān)測(cè)比較頻繁，每次會(huì)傳輸一段時(shí)間內(nèi)的血壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量也比較大；下載升級(jí)版的固件等文件信息 。這3種數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)流量都比較大，而且可靠性要求都較高，3種數(shù)據(jù)均選用塊傳輸通道類(lèi)型，另外,每個(gè)USB傳輸都必有控制傳輸通道。因此,需要使用3個(gè)通道,即控制通道、BulkIN通道和BulkOUT通道。

　　USB固件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

　　本文涉及USB設(shè)備配置枚舉階段上位機(jī)在控制傳輸中要求設(shè)備傳輸?shù)?類(lèi)描述符，按照層次依次為：設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符和端點(diǎn)描述符，其中，較高階描述符會(huì)通知主機(jī)任何其它低階的描述符信息。

　　設(shè)備描述符是在設(shè)備連接時(shí)主機(jī)第一個(gè)讀取的描述符，每個(gè)設(shè)備只能有一個(gè)設(shè)備描述符，包含整個(gè)設(shè)備的信息以及設(shè)備支持的配置號(hào)碼，共18個(gè)字段。每個(gè)USB設(shè)備有一個(gè)或多個(gè)配置描述符，包含設(shè)備的電源管理以及設(shè)備配置所支持的接口號(hào)碼，當(dāng)設(shè)備收到獲取配置描述符的要求后，傳送該配置描述符及其所有接口、端點(diǎn)和其它附屬描述符給主機(jī)，本文設(shè)置一個(gè)配置，其描述符共8個(gè)字段。接口包含一組端點(diǎn)，本文設(shè)置一個(gè)接口，其描述符有9個(gè)字段，為上位機(jī)提供了設(shè)備使用端點(diǎn)的數(shù)目及其類(lèi)型等信息。每個(gè)接口描述符有零個(gè)或多個(gè)端點(diǎn)描述符，包含主機(jī)與端點(diǎn)通信所需的信息，端點(diǎn)0作為控制端點(diǎn)來(lái)通信，端點(diǎn)1和端點(diǎn)2分別為塊傳輸模式，其描述符包含了端點(diǎn)號(hào)、傳輸方向、端點(diǎn)傳輸類(lèi)型、數(shù)據(jù)包最大傳輸字節(jié)等信息。

　　USB固件通信流程

　　USB固件框架流程如圖2所示，在進(jìn)入通信模塊后，固件首先調(diào)用初始化例程，配置USB接口設(shè)備，并使其進(jìn)入操作狀態(tài)，然后啟用中斷，USB通信的主要功能是在中斷服務(wù)中實(shí)現(xiàn)的，主程序只是在循環(huán)等待是否有退出的按鍵，當(dāng)檢測(cè)到中斷信號(hào)時(shí)，就會(huì)進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，根據(jù)寄存器MAEV的值，判斷中斷類(lèi)型，并進(jìn)入相應(yīng)的處理過(guò)程。




圖2 USB固件框架


　　設(shè)備的USB通信主要實(shí)現(xiàn)心電和血壓數(shù)據(jù)的Bulk傳輸功能。在USB總線(xiàn)收發(fā)數(shù)據(jù)的通信協(xié)議基礎(chǔ)上，監(jiān)測(cè)儀還有特定的應(yīng)用層通信協(xié)議。固件接收到用戶(hù)通信命令后，解析控制命令并執(zhí)行相應(yīng)的例程。如傳輸心電和血壓數(shù)據(jù)命令0x10，固件接收0x10命令碼后，從命令參數(shù)中獲取待傳輸數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、心電或血壓的選擇傳輸標(biāo)志及其記錄號(hào)等信息，根據(jù)記錄號(hào)調(diào)用GetRecordData()，從Flash存儲(chǔ)區(qū)中查找數(shù)據(jù)并存入BulkState的發(fā)送緩沖區(qū)，如果傳輸心電數(shù)據(jù)則還需通過(guò)Gettime()獲得該段心電數(shù)據(jù)的采集時(shí)間。所有待發(fā)送數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒后開(kāi)始傳輸，由于Bulk傳輸?shù)淖畲缶彌_區(qū)為64B，首先發(fā)送64B數(shù)據(jù)，然后在TX_EV例程中判斷上位機(jī)是否接收成功，若成功則傳輸下一批塊輸入事務(wù)，否則需要重發(fā)，循環(huán)重復(fù)上述過(guò)程直到數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。

　　USB固件各模塊例程

初始化

USB接口的初始化例程，包括USBN9603芯片的初始化操作和用戶(hù)變量的初始化，之后開(kāi)始設(shè)備枚舉操作。在初始化階段，固件需要嚴(yán)格按照順序?qū)SBN9603的寄存器進(jìn)行操作。

　　USB設(shè)備枚舉過(guò)程

　　將系統(tǒng)的USB連接線(xiàn)接入一個(gè)USB連接端口(集線(xiàn)器或主機(jī)根集線(xiàn)器)，設(shè)備處于開(kāi)機(jī)狀態(tài)；在USB的D+和D-數(shù)據(jù)線(xiàn)和所接入的集線(xiàn)器端口或主機(jī)的根集線(xiàn)器之間有兩個(gè)15KΩ的上拉電阻。此時(shí)，上拉電阻會(huì)使數(shù)據(jù)信號(hào)線(xiàn)上的電平上升，通知集線(xiàn)器有新設(shè)備接入；然后，集線(xiàn)器使用中斷通道，報(bào)告給主機(jī)所發(fā)生的事件，確實(shí)有新設(shè)備接入時(shí)，主機(jī)向連接設(shè)備的集線(xiàn)器發(fā)送Set_Port_Feature要求，使集線(xiàn)器向端口發(fā)送USB硬件復(fù)位命令并持續(xù)10ms，然后識(shí)別設(shè)備的速度。此時(shí)，設(shè)備已經(jīng)完成了初始化操作，在主機(jī)證明設(shè)備已經(jīng)離開(kāi)重置狀態(tài)時(shí)，開(kāi)始在端點(diǎn)0的默認(rèn)通道上進(jìn)行USB控制傳輸，進(jìn)入枚舉階段。

　　塊傳輸標(biāo)準(zhǔn)例程

　　固件的發(fā)送例程通過(guò)端點(diǎn)1實(shí)現(xiàn)到主機(jī)的塊傳輸功能，其流程如圖3所示。以上傳心電數(shù)據(jù)為例，固件通過(guò)端點(diǎn)0接收主機(jī)的上傳心電數(shù)據(jù)要求后，將待傳送的數(shù)據(jù)存入writePtr緩沖區(qū)，同時(shí)，把待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)、大小等信息存入bulkState。





圖3 塊傳輸發(fā)送模塊例程


　　固件的接收例程通過(guò)端點(diǎn)2從主機(jī)接收數(shù)據(jù)，主機(jī)先發(fā)送一個(gè)OUT信令到端點(diǎn)2，SIE從收發(fā)器自動(dòng)接收數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到FIFO2，F(xiàn)IFO2會(huì)自動(dòng)更新接收控制寄存器RXC的狀態(tài)，數(shù)據(jù)接收的硬件操作完成后，USBN9603會(huì)把一個(gè)接收中斷傳送到S3C44B0X處理器，固件執(zhí)行接收中斷服務(wù)例程。

　　USB通信協(xié)議的主機(jī)端實(shí)現(xiàn)

　　WDM驅(qū)動(dòng)程序包括設(shè)備功能驅(qū)動(dòng)程序和總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序。其中，總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序由Windows提供，本文主機(jī)端軟件包括以下3個(gè)層次：用戶(hù)模式下的應(yīng)用程序、實(shí)現(xiàn)USB通信的Win32API動(dòng)態(tài)連接庫(kù)以及核心模式下的WDM設(shè)備功能驅(qū)動(dòng)程序。動(dòng)態(tài)連接庫(kù)封裝了訪問(wèn)核心模式驅(qū)動(dòng)程序的函數(shù)，并為用戶(hù)應(yīng)用程序提供了訪問(wèn)接口，用戶(hù)應(yīng)用程序只需調(diào)用即可實(shí)現(xiàn)特定數(shù)據(jù)的傳輸，而主機(jī)端軟件設(shè)計(jì)的核心就是如何開(kāi)發(fā)WDM設(shè)備功能驅(qū)動(dòng)程序。

　　在Windows2000平臺(tái)安裝Windows2000 DDK，使用Visual C++6.0作為開(kāi)發(fā)工具，同時(shí)借助DriverWorks工具包和內(nèi)核代碼調(diào)試工具模塊SoftICE，以及USB總線(xiàn)監(jiān)測(cè)工具Bus Hound進(jìn)行WDM驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)。

　　根據(jù)DriverWizard向?qū)崾?，選擇設(shè)備類(lèi)型為USB ；選擇I/O請(qǐng)求包IRP的處理方式為IRP排隊(duì)方式；創(chuàng)建設(shè)備接口為128位的全局唯一標(biāo)識(shí)符(GUID)標(biāo)識(shí)，使得在使用CreateFile()函數(shù)打開(kāi)設(shè)備時(shí)，WDM能通過(guò)GUID識(shí)別和訪問(wèn)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序；配置控制、BulkIN和BulkOUT這3個(gè)端點(diǎn)分別傳輸命令和數(shù)據(jù)。配置3個(gè)IOCTL控制命令：MYUSB_IOCTL_ COMMAND是主機(jī)發(fā)送通信命令的控制命令，其IoctlCode為0x812；MYUSB_IOCTL_ BULK_READ和MYUSB_IOCTL_BULK_ WRITE分別發(fā)送Bulk數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖x寫(xiě)命令，其IoctlCode分別為0x814和0x815。所有設(shè)置完成后，生成.inf安裝信息文件。在這些框架下，根據(jù)應(yīng)用需求，即可編寫(xiě)與設(shè)備固件通信的主機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

　　當(dāng)主機(jī)要求以Bulk方式讀寫(xiě)并傳送心電或血壓數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)給出IOCTL_CODE為MYUSB_IOCTL_ BULK_READ的IOCTL IRP，處理例程為BulkReadWrite()。通過(guò)傳遞不同參數(shù)分別實(shí)現(xiàn)BULK方式的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)功能，首先需要從應(yīng)用程序獲得IRP傳遞的通道號(hào)、輸入／輸出緩沖區(qū)及其大小等參數(shù)，調(diào)用FindPipe()得到IRP要求的通道實(shí)例，在該通道上構(gòu)造URB、調(diào)用SubmitUrb()發(fā)送URB，實(shí)現(xiàn)與底層USB類(lèi)驅(qū)動(dòng)程序的通信，完成Bulk數(shù)據(jù)傳輸功能。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文充分利用USB傳輸速度快、準(zhǔn)確性好、使用方便等特點(diǎn)，將USB接口應(yīng)用于家用心電、血壓監(jiān)測(cè)儀，完成ARM內(nèi)核MCU與USB控制芯片接口的軟硬件設(shè)計(jì)，通過(guò)心電圖的傳輸實(shí)驗(yàn)，表明該系統(tǒng)具有高可靠性和準(zhǔn)確性。