基于USB和便攜式醫(yī)療設(shè)備的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
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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(hù)、心電、血壓測(cè)量等設(shè)備均是采用標(biāo)準(zhǔn)的RS232串行接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信與傳輸,已越來(lái)越不能滿足高速據(jù)傳輸，高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及頻繁的數(shù)據(jù)采集等要求[1,2]。而USB通訊彌補(bǔ)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(diǎn)。基于此，本文就介紹了一種基于USB總線接口芯片CH375實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與便攜式醫(yī)療設(shè)備醫(yī)學(xué)信號(hào)的實(shí)時(shí)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(cè)試，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。
1 CH375芯片簡(jiǎn)介
CH375 是一個(gè)USB總線的通用接口芯片，支持USB-HOST主機(jī)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(xiě)、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片/DSP/MCU/MPU等控制器的系統(tǒng)總線上。CH375 芯片內(nèi)部集成了 PLL 倍頻器、主從 USB 接口 SIE、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、被動(dòng)并行接口、異步串行接口、命令解釋器、控制傳輸?shù)膮f(xié)議處理器、通用的固件程序等。
CH375 芯片內(nèi)部具有 7 個(gè)物理端點(diǎn)。端點(diǎn) 0是默認(rèn)端點(diǎn)，支持上傳和下傳，上傳和下傳緩沖區(qū)各是8B；端點(diǎn)1包括上傳端點(diǎn)和下傳端點(diǎn)，上傳和下傳緩沖區(qū)各是 8B，上傳端點(diǎn)的端點(diǎn)號(hào)是81H，下傳端點(diǎn)的端點(diǎn)號(hào)是 01H；端點(diǎn)2 包括上傳端點(diǎn)和下傳端點(diǎn)，上傳和下傳緩沖區(qū)各是 64B，上傳端點(diǎn)的端點(diǎn)號(hào)是 82H，下傳端點(diǎn)的端點(diǎn)號(hào)是 02H。主機(jī)端點(diǎn)包括輸出端點(diǎn)和輸入端點(diǎn)，輸出和輸入緩沖區(qū)各是64B，主機(jī)端點(diǎn)與端點(diǎn)2合用同一組緩沖區(qū)，主機(jī)端點(diǎn)的輸出緩沖區(qū)就是端點(diǎn)2的上傳緩沖區(qū)，主機(jī)端點(diǎn)的輸入緩沖區(qū)就是端點(diǎn)2 的下傳緩沖區(qū)。本系統(tǒng)就是利用批量端點(diǎn)2來(lái)下傳數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)，利用主機(jī)端點(diǎn)和端點(diǎn)1來(lái)上傳數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)。
CH375芯片內(nèi)置了標(biāo)準(zhǔn)的USB通訊協(xié)議，這就免去了開(kāi)發(fā)人員因編寫(xiě)通訊協(xié)議而耗費(fèi)的大量時(shí)間，方便了通訊的實(shí)現(xiàn)。尤其是其動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)提供的文件級(jí)接口，更是方便了數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)。
2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)的工作過(guò)程是嵌入式醫(yī)療設(shè)備即下位機(jī)(PC104)于DOS狀態(tài)下采集醫(yī)療信號(hào)送顯示器顯示，然后通過(guò)USB接口送上位機(jī)(PC主機(jī))處理，上位機(jī)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(jì)算機(jī)主板，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中通過(guò)電源接口外接5V直流電源，通過(guò)顯示器接口外接顯示器，多功能接口外接鍵盤(pán)。為方便軟件的更新，我們把下位機(jī)的工作程序?qū)懺趦?yōu)盤(pán)，外接于PC104主板的USB接口。
基于CH375芯片的系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了PC104-USB轉(zhuǎn)接板，并把其作為PC104主板的擴(kuò)展模塊通過(guò)PC104總線接口與主板相連接。轉(zhuǎn)接板上有兩個(gè)USB接口，任選其中一個(gè)通過(guò) USB轉(zhuǎn)接線與上位機(jī)相連即可。這樣系統(tǒng)的硬件平臺(tái)便建立起來(lái)了，系統(tǒng)硬件連接如圖1所示。下面詳細(xì)介紹系統(tǒng)通訊的軟件實(shí)現(xiàn)。
圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖
Figure 1 system hardware structure drawing
3 下位機(jī)中的程序設(shè)計(jì)
USB協(xié)議規(guī)定任何傳輸過(guò)程都是由主機(jī)端發(fā)起并控制的，CH375在接收到主機(jī)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生中斷，為此下位機(jī)要做的工作就是等待CH375的中斷并作相應(yīng)的處理。
下位機(jī)工作在DOS狀態(tài)，軟件程序采用BORLANDC語(yǔ)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：
?。?）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(qǐng)求
CH375WriteCmd(0x22);
d0=CH375ReadData(); //讀回狀態(tài)
if((d0==0x02)||(d0==0x01)) //批量端點(diǎn)2接收到PC機(jī)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(xiě)數(shù)據(jù)子程序
void CH375WriteData( unsigned char dat )
{
/* 寫(xiě)數(shù)據(jù)口 */
outportb( PortBaseAddr + 0, dat );
DelayuS( 1 );
}
?。?）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 );
}
?。?）主程序
int main(int argc,char *argv[])
{
．．．．．．．．．．．．．．．．．．
for(;;) //等待
{//軟件進(jìn)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(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)}
if(ch==60){//寫(xiě)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(jī)中的程序設(shè)計(jì)
因?yàn)镃H375的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLL提供了許多API接口函數(shù)，所以應(yīng)用程序只需通過(guò)幾條簡(jiǎn)單的文件操作API函數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的通信。
又因CH375的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLL提供了偽中斷服務(wù)（實(shí)際的中斷服務(wù)仍然是在驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)完成的，只是在完成后向DLL發(fā)個(gè)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(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳，這不僅縮短了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期，而且很好地滿足了下位機(jī)的實(shí)時(shí)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(jiǎn)單的下傳API發(fā)送數(shù)據(jù)。由CH375中斷接收即可。
上位PC機(jī)工作在Windows環(huán)境下，我們采用Visual C++6.0語(yǔ)言編程。具體程序?qū)崿F(xiàn)如下：
?。?）初始化PC104-USB卡
在這里完成對(duì)設(shè)備的初始化，如CH375DLL.DLL文件的加載、設(shè)備的成功打開(kāi)、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。
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(yǔ)言 }
// 使用之前必須打開(kāi)設(shè)備
if ( CH375OpenDevice( mIndex ) ==
INVALID_HANDLE_VALUE )
{ //提示語(yǔ)言}
else{
m_pc104usb_ok=TRUE;
Result=CH375SetTimeout(mIndex, 500, 500 ); // 設(shè)置USB數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的超時(shí),超過(guò)500mS未完成讀寫(xiě)將強(qiáng)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(gè)數(shù),成功返回?cái)?shù)據(jù)包個(gè)數(shù),出錯(cuò)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(jì)算機(jī)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(guò)USB總線接口芯片CH375、PC主機(jī)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(shí)現(xiàn)了上位機(jī)（PC）與下位機(jī)（PC104）之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和傳輸。經(jīng)測(cè)試系統(tǒng)能準(zhǔn)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(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供廣闊的前景。
本文創(chuàng)新點(diǎn):利用USB接口技術(shù)，采用USB模塊CH 375在PC機(jī)與便攜式醫(yī)療設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和傳輸，而且無(wú)需編寫(xiě)復(fù)雜的USB驅(qū)動(dòng)程序，利用其動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)即可實(shí)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(bǔ)其速度慢的缺點(diǎn)，進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)。
參 考 文 獻(xiàn)
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下載文檔
