基于單片機的心電血壓監(jiān)測儀USB接口設計方案

　引言

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

　　本文重點討論USB通信協(xié)議及其接口芯片的控制方法，針對臨床需求，設計實現(xiàn)了具有心電、血壓智能監(jiān)測和USB高速數(shù)據(jù)傳輸功能的小型化設備，提供心電、血壓數(shù)據(jù)電子病歷查詢、打印和網絡傳輸?shù)裙δ?，對于提高家庭健康保健水平具有很重要的意義。

　　監(jiān)測儀的USB接口電路設計


　　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專用控制芯片選用USBN9603。USBN9603內置7個FIFO端口，包括1個雙向的控制端口，3個發(fā)送端口和3個接收端口，各有64字節(jié)。


　　USB控制器與S3C44B0X的接口電路如圖1所示。將USB控制器設計為Bank2，即將nGCS2存儲體選擇線作為USBN9603的片選線，則該芯片的片選地址為0x4000000。本文采用并行數(shù)據(jù)接口，兩個芯片的低8位數(shù)據(jù)線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為非復用方式，由于此工作模式需要地址線A0作為存取USBN9603片內寄存器DATA_IN、DATA_OUT和ADDR寄存器的選擇線，需連接32位地址總線中的A18到USB控制器的A0。對USBN9603進行讀寫操作時，分為兩個總線周期：首先，將地址線A0置高，即設置總線地址為0x4040000，將待訪問寄存器的地址從數(shù)據(jù)線D[0:7]寫入，這樣，就在第一個總線周期將地址送到芯片；然后，在第二個周期，將A0置低，即設置總線地址為0x4000000，讀寫D[0:7]即可實現(xiàn)對寄存器的讀寫操作。整個USB通信過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，設置USB中斷為向量中斷請求模式。由于未使用DMA方式，需將DACK置高，DMA請求線DRQ懸空。USB電纜有4條導線，D+和D-是USB差分信號線，另外兩個分別是5V電源線和地線。USBN9603支持低速和全速的USB通信，在D+信號線上連接1.5KΩ上拉電阻，使其工作在全速模式。




圖1 系統(tǒng)擴展存儲器和USB接口原理圖

　　監(jiān)測儀的USB接口固件實現(xiàn)

　　USB通信過程的操作是從主機開始的，按照約定的時序先發(fā)出一個令牌包，包含操作類型、方向、外設地址及端點號等信息，然后在令牌中指定數(shù)據(jù)發(fā)送者發(fā)出一個數(shù)據(jù)包或者指出沒有數(shù)據(jù)傳輸。而USB外設要以一個確認包作出響應，表示傳輸成功。

　　本文采用主從式USB通信結構，上位機通過發(fā)送各種事先約定好的協(xié)議命令，來實現(xiàn)對心電、血壓數(shù)據(jù)的采集及對系統(tǒng)設備的初始化設置，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的采集時間信息，每次傳輸若干段，數(shù)據(jù)量大，對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間，共10B，由于血壓監(jiān)測比較頻繁，每次會傳輸一段時間內的血壓監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量也比較大；下載升級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型，另外,每個USB傳輸都必有控制傳輸通道。因此,需要使用3個通道,即控制通道、BulkIN通道和BulkOUT通道。

　　USB固件數(shù)據(jù)結構

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

　　設備描述符是在設備連接時主機第一個讀取的描述符，每個設備只能有一個設備描述符，包含整個設備的信息以及設備支持的配置號碼，共18個字段。每個USB設備有一個或多個配置描述符，包含設備的電源管理以及設備配置所支持的接口號碼，當設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、端點和其它附屬描述符給主機，本文設置一個配置，其描述符共8個字段。接口包含一組端點，本文設置一個接口，其描述符有9個字段，為上位機提供了設備使用端點的數(shù)目及其類型等信息。每個接口描述符有零個或多個端點描述符，包含主機與端點通信所需的信息，端點0作為控制端點來通信，端點1和端點2分別為塊傳輸模式，其描述符包含了端點號、傳輸方向、端點傳輸類型、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，在進入通信模塊后，固件首先調用初始化例程，配置USB接口設備，并使其進入操作狀態(tài)，然后啟用中斷，USB通信的主要功能是在中斷服務中實現(xiàn)的，主程序只是在循環(huán)等待是否有退出的按鍵，當檢測到中斷信號時，就會進入中斷服務子程序，根據(jù)寄存器MAEV的值，判斷中斷類型，并進入相應的處理過程。




圖2 USB固件框架


　　設備的USB通信主要實現(xiàn)心電和血壓數(shù)據(jù)的Bulk傳輸功能。在USB總線收發(fā)數(shù)據(jù)的通信協(xié)議基礎上，監(jiān)測儀還有特定的應用層通信協(xié)議。固件接收到用戶通信命令后，解析控制命令并執(zhí)行相應的例程。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)長度、心電或血壓的選擇傳輸標志及其記錄號等信息，根據(jù)記錄號調用GetRecordData()，從Flash存儲區(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Gettime()獲得該段心電數(shù)據(jù)的采集時間。所有待發(fā)送數(shù)據(jù)準備就緒后開始傳輸，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例程中判斷上位機是否接收成功，若成功則傳輸下一批塊輸入事務，否則需要重發(fā)，循環(huán)重復上述過程直到數(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變量的初始化，之后開始設備枚舉操作。在初始化階段，固件需要嚴格按照順序對USBN9603的寄存器進行操作。

　　USB設備枚舉過程

　　將系統(tǒng)的USB連接線接入一個USB連接端口(集線器或主機根集線器)，設備處于開機狀態(tài)；在USB的D+和D-數(shù)據(jù)線和所接入的集線器端口或主機的根集線器之間有兩個15KΩ的上拉電阻。此時，上拉電阻會使數(shù)據(jù)信號線上的電平上升，通知集線器有新設備接入；然后，集線器使用中斷通道，報告給主機所發(fā)生的事件，確實有新設備接入時，主機向連接設備的集線器發(fā)送Set_Port_Feature要求，使集線器向端口發(fā)送USB硬件復位命令并持續(xù)10ms，然后識別設備的速度。此時，設備已經完成了初始化操作，在主機證明設備已經離開重置狀態(tài)時，開始在端點0的默認通道上進行USB控制傳輸，進入枚舉階段。

　　塊傳輸標準例程

　　固件的發(fā)送例程通過端點1實現(xiàn)到主機的塊傳輸功能，其流程如圖3所示。以上傳心電數(shù)據(jù)為例，固件通過端點0接收主機的上傳心電數(shù)據(jù)要求后，將待傳送的數(shù)據(jù)存入writePtr緩沖區(qū)，同時，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端點2從主機接收數(shù)據(jù)，主機先發(fā)送一個OUT信令到端點2，SIE從收發(fā)器自動接收數(shù)據(jù)并存儲到FIFO2，F(xiàn)IFO2會自動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會把一個接收中斷傳送到S3C44B0X處理器，固件執(zhí)行接收中斷服務例程。

　　USB通信協(xié)議的主機端實現(xiàn)

　　WDM驅動程序包括設備功能驅動程序和總線驅動程序。其中，總線驅動程序由Windows提供，本文主機端軟件包括以下3個層次：用戶模式下的應用程序、實現(xiàn)USB通信的Win32API動態(tài)連接庫以及核心模式下的WDM設備功能驅動程序。動態(tài)連接庫封裝了訪問核心模式驅動程序的函數(shù)，并為用戶應用程序提供了訪問接口，用戶應用程序只需調用即可實現(xiàn)特定數(shù)據(jù)的傳輸，而主機端軟件設計的核心就是如何開發(fā)WDM設備功能驅動程序。

　　在Windows2000平臺安裝Windows2000 DDK，使用Visual C++6.0作為開發(fā)工具，同時借助DriverWorks工具包和內核代碼調試工具模塊SoftICE，以及USB總線監(jiān)測工具Bus Hound進行WDM驅動程序的開發(fā)。

　　根據(jù)DriverWizard向導提示，選擇設備類型為USB ；選擇I/O請求包IRP的處理方式為IRP排隊方式；創(chuàng)建設備接口為128位的全局唯一標識符(GUID)標識，使得在使用CreateFile()函數(shù)打開設備時，WDM能通過GUID識別和訪問設備的驅動程序；配置控制、BulkIN和BulkOUT這3個端點分別傳輸命令和數(shù)據(jù)。配置3個IOCTL控制命令：MYUSB_IOCTL_ COMMAND是主機發(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寫命令，其IoctlCode分別為0x814和0x815。所有設置完成后，生成.inf安裝信息文件。在這些框架下，根據(jù)應用需求，即可編寫與設備固件通信的主機設備驅動程序。

　　當主機要求以Bulk方式讀寫并傳送心電或血壓數(shù)據(jù)時，會給出IOCTL_CODE為MYUSB_IOCTL_ BULK_READ的IOCTL IRP，處理例程為BulkReadWrite()。通過傳遞不同參數(shù)分別實現(xiàn)BULK方式的數(shù)據(jù)讀寫功能，首先需要從應用程序獲得IRP傳遞的通道號、輸入／輸出緩沖區(qū)及其大小等參數(shù)，調用FindPipe()得到IRP要求的通道實例，在該通道上構造URB、調用SubmitUrb()發(fā)送URB，實現(xiàn)與底層USB類驅動程序的通信，完成Bulk數(shù)據(jù)傳輸功能。

　　結語

　　本文充分利用USB傳輸速度快、準確性好、使用方便等特點，將USB接口應用于家用心電、血壓監(jiān)測儀，完成ARM內核MCU與USB控制芯片接口的軟硬件設計，通過心電圖的傳輸實驗，表明該系統(tǒng)具有高可靠性和準確性。