基于USB的便攜式醫(yī)療設(shè)備數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)設(shè)計
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引言
傳統(tǒng)的醫(yī)療設(shè)備，特別是便攜式的監(jiān)護、心電、血壓測量等設(shè)備均是采用標準的RS232串行接口進行數(shù)據(jù)的通信與傳輸,已越來越不能滿足高速據(jù)傳輸，高數(shù)據(jù)存儲以及頻繁的數(shù)據(jù)采集等要求[1,2]。而USB通訊彌補了這些不足，它有著傳輸速度快、可靠性高、易于連接、可熱插拔等許多優(yōu)點?；诖?，本文就介紹了一種基于USB總線接口芯片CH375實現(xiàn)PC機與便攜式醫(yī)療設(shè)備醫(yī)學(xué)信號的實時數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)姆椒?，并給出了相應(yīng)的源程序。經(jīng)測試，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。
1 CH375芯片簡介
CH375 是一個USB總線的通用接口芯片，支持USB-HOST主機方式和USB-DEVICE/SLAVE 設(shè)備方式。在本地端，具有8 位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片/
CH375 芯片內(nèi)部具有 7 個物理端點。端點 0是默認端點，支持上傳和下傳，上傳和下傳緩沖區(qū)各是8B；端點1包括上傳端點和下傳端點，上傳和下傳緩沖區(qū)各是 8B，上傳端點的端點號是81H，下傳端點的端點號是 01H；端點2 包括上傳端點和下傳端點，上傳和下傳緩沖區(qū)各是 64B，上傳端點的端點號是 82H，下傳端點的端點號是 02H。主機端點包括輸出端點和輸入端點，輸出和輸入緩沖區(qū)各是64B，主機端點與端點2合用同一組緩沖區(qū)，主機端點的輸出緩沖區(qū)就是端點2的上傳緩沖區(qū)，主機端點的輸入緩沖區(qū)就是端點2 的下傳緩沖區(qū)。本系統(tǒng)就是利用批量端點2來下傳數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)，利用主機端點和端點1來上傳數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)。
CH375芯片內(nèi)置了標準的USB通訊協(xié)議，這就免去了開發(fā)人員因編寫通訊協(xié)議而耗費的大量時間，方便了通訊的實現(xiàn)。尤其是其動態(tài)鏈接庫提供的文件級接口，更是方便了數(shù)據(jù)的讀寫。
2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)的工作過程是嵌入式醫(yī)療設(shè)備即下位機(PC104)于DOS狀態(tài)下采集醫(yī)療信號送顯示器顯示，然后通過USB接口送上位機(PC主機)處理，上位機工作在Windows環(huán)境下[3,4]。
系統(tǒng)選用帶USB接口的PC104工業(yè)計算機主板，在開發(fā)過程中通過電源接口外接5V直流電源，通過顯示器接口外接顯示器，多功能接口外接鍵盤。為方便軟件的更新，我們把下位機的工作程序?qū)懺趦?yōu)盤，外接于PC104主板的USB接口。[!--empirenews.page--]
基于CH375芯片的系統(tǒng)還設(shè)計了PC104-USB轉(zhuǎn)接板，并把其作為PC104主板的擴展模塊通過PC104總線接口與主板相連接。轉(zhuǎn)接板上有兩個USB接口，任選其中一個通過 USB轉(zhuǎn)接線與上位機相連即可。這樣系統(tǒng)的硬件平臺便建立起來了，系統(tǒng)硬件連接如圖1所示。下面詳細介紹系統(tǒng)通訊的軟件實現(xiàn)。
圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
Figure 1 system hardware structure drawing
3 下位機中的程序設(shè)計
USB協(xié)議規(guī)定任何傳輸過程都是由主機端發(fā)起并控制的，CH375在接收到主機發(fā)來的數(shù)據(jù)時產(chǎn)生中斷，為此下位機要做的工作就是等待CH375的中斷并作相應(yīng)的處理。 [!--empirenews.page--]
下位機工作在DOS狀態(tài)，軟件程序采用BORLANDC語言。主要工作是初始化CH375、查詢中斷及中斷處理。相關(guān)程序代碼如下：
（1）處理接收數(shù)據(jù)的中斷服務(wù)程序
void interrupt USB(__CPPARGS)
{
unsigned char len,i;
//獲取中斷狀態(tài)并取消中斷請求
CH375WriteCmd(0x22);
d0=CH375ReadData(); //讀回狀態(tài)
if((d0==0x02)||(d0==0x01)) //批量端點2接收到PC機發(fā)送的數(shù)據(jù)
{//讀取數(shù)據(jù)}
inportb(0x21);
outportb(0x20,0x20); //發(fā)EOI命令，
清除中斷
}
（2）寫數(shù)據(jù)子程序
void CH375WriteData( unsigned char dat )
{
/* 寫數(shù)據(jù)口 */
outportb( PortBaseAddr + 0, dat );
DelayuS( 1 );
}
（3）讀數(shù)據(jù)子程序
unsigned char CH375ReadData( void )
{
unsigned char d;
DelayuS( 1 );
/* 讀數(shù)據(jù)口 */
d = inportb( PortBaseAddr + 0 );
return( d );
}
（4）主程序
int main(int argc,char *argv[])
{
．．．．．．．．．．．．．．．．．．
for(;;) //等待
{//軟件進入主循環(huán),處理突發(fā)事件
while(kbhit()) ch=getch();
if(ch==27) break;
if(ch==59){.//向PC機發(fā)送數(shù)據(jù)}
if(ch==60){//寫中斷特征數(shù)據(jù)}
readbufUSB(); //讀USB接口緩沖區(qū)數(shù)據(jù)
}
．．．．．．．．．．．．．．．．．．
}
4上位機中的程序設(shè)計
因為CH375的動態(tài)鏈接庫DLL提供了許多API接口函數(shù)，所以應(yīng)用程序只需通過幾條簡單的文件操作API函數(shù)，就可以實現(xiàn)與下位機的通信。
又因CH375的動態(tài)鏈接庫DLL提供了偽中斷服務(wù)（實際的中斷服務(wù)仍然是在驅(qū)動程序庫完成的，只是在完成后向DLL發(fā)個通知，再由DLL再調(diào)用偽中斷服務(wù)子程序），基于此，系統(tǒng)采用了偽中斷服務(wù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳，這不僅縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，而且很好地滿足了下位機的實時性要求。上傳數(shù)據(jù)的程序流程圖如圖2所示。
數(shù)據(jù)的下傳只需用簡單的下傳API發(fā)送數(shù)據(jù)。由CH375中斷接收即可。
上位PC機工作在Windows環(huán)境下，我們采用Visual C++6.0語言編程。具體程序?qū)崿F(xiàn)如下：
（1）初始化PC104-USB卡
在這里完成對設(shè)備的初始化，如CH375DLL.DLL文件的加載、設(shè)備的成功打開、緩沖區(qū)的清理、數(shù)據(jù)的上傳模式、設(shè)置偽中斷服務(wù)程序等。[!--empirenews.page--]
圖2 上傳數(shù)據(jù)流程圖
Figure 2 procedure flowchart of uploading data
（1）void Init_PC104-USB()
{
．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
if ( LoadLibrary( "CH375DLL.DLL" ) == NULL )
{ //提示語言 }
// 使用之前必須打開設(shè)備
if ( CH375OpenDevice( mIndex ) ==
INVALID_HANDLE_VALUE )
{ //提示語言}
else{
m_pc104usb_ok=TRUE;
Result=CH375SetTimeout(mIndex, 500, 500 ); // 設(shè)置USB數(shù)據(jù)讀寫的超時,超過500mS未完成讀寫將強制返回,避免一直等待下去
CH375SetBufUpload( mIndex, 1); //啟用內(nèi)部緩沖上傳模式并清除緩沖區(qū)中的已有數(shù)據(jù)
//設(shè)置偽中斷服務(wù)程序
mPCH375_INT_ROUTINE ptr;
ptr=InteruptProcess;
Result=CH375SetIntRoutine(mIndex,ptr);
}
}
(2) 接收數(shù)據(jù)子程序
Void PC_RecievData();
{ ．．．．．．．．．
// 查詢內(nèi)部上傳緩沖區(qū)中的已有數(shù)據(jù)包個數(shù),成功返回數(shù)據(jù)包個數(shù),出錯返回-1
Long packnumber=
CH375QueryBufUpload( mIndex);
if(packnumber>0)
{
CH375ReadData(mIndex,&m_recev_buf, len)
}
．．．．．．．．．．．
}
結(jié)論
隨著嵌入式計算機在醫(yī)療設(shè)備中的廣泛應(yīng)用以及USB通訊技術(shù)的高速發(fā)展，本文通過USB總線接口芯片CH375、PC主機以偽中斷方式發(fā)起上傳數(shù)據(jù)流，以下傳API發(fā)起下傳數(shù)據(jù)流的通訊方式，并利用一系列的API接口函數(shù)，成功實現(xiàn)了上位機（PC）與下位機（PC104）之間的實時數(shù)據(jù)采集和傳輸。經(jīng)測試系統(tǒng)能準確的收發(fā)數(shù)據(jù)，通訊穩(wěn)定可靠。采用USB通訊，將為傳統(tǒng)醫(yī)療設(shè)備的改造、新一代便攜式醫(yī)療設(shè)備的快速開發(fā)和應(yīng)用提供廣闊的前景。
本文創(chuàng)新點:利用USB接口技術(shù)，采用USB模塊CH 375在PC機與便攜式醫(yī)療設(shè)備之間實現(xiàn)了實時數(shù)據(jù)采集和傳輸，而且無需編寫復(fù)雜的USB驅(qū)動程序，利用其動態(tài)鏈接庫即可實現(xiàn)。可以使數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)非常方便的從RS232通訊、串行通訊、并行通訊、轉(zhuǎn)向USB通訊，彌補其速度慢的缺點，進行系統(tǒng)升級。
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