生理參數(shù)采集模塊的USB接口設(shè)計(jì)范文

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摘要：

采用USB接口芯片和多通道生理參數(shù)采集模塊設(shè)計(jì)了一種采集模塊與上位機(jī)PC通信的usb接口，實(shí)現(xiàn)了多通道生理參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。從通信實(shí)現(xiàn)的上位機(jī)和下位機(jī)兩方面討論了接口的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程。闡述了基于PC的上位機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，基于USB接口芯片的下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)和固件設(shè)計(jì)，與PC串口通信對(duì)比了數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：

USB接口，生理參數(shù)，數(shù)據(jù)通信，WDM驅(qū)動(dòng)

以往的多通道生理參數(shù)采集接口一般為PCI插槽或串口。PCI接口安裝復(fù)雜、硬件資源受限制，而串口速度比較慢，越來(lái)越輕便的電腦已經(jīng)不集成串口。由于以上缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種生理參數(shù)采集模塊的USB接口實(shí)現(xiàn)。以O(shè)EM定制生理參數(shù)采集模塊為基礎(chǔ)，通過(guò)PDIUSBD12實(shí)現(xiàn)了與上位機(jī)PC的實(shí)時(shí)高速數(shù)據(jù)通信。該接口集成度高、滿足生理參數(shù)尤其是心電數(shù)據(jù)的通信率要求、使用簡(jiǎn)便。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)采用OEM定制的生理參數(shù)采集模塊，此模塊具有同時(shí)采集用來(lái)測(cè)量和監(jiān)控心電波、心率、無(wú)創(chuàng)血壓（收縮壓、舒張壓、平均壓）、血氧飽和度、呼吸和體溫的功能。模塊定制接口具有全雙工通信模式，輸入為規(guī)定格式的控制命令字，輸出數(shù)據(jù)的比特率為10000bps。下位機(jī)選用AT公司的MCU和Philips公司的PDIUSBD12完成了USB通信接口的硬件電路和固件設(shè)計(jì)。下位機(jī)電源包括兩部分，一部分為DC6V直接給采集模塊供電，另一部分為USB接口電源設(shè)計(jì)為直接從USB總線索取5V電源。上位機(jī)PC的軟件設(shè)計(jì)包括驅(qū)動(dòng)程序和數(shù)據(jù)測(cè)試程序兩部分。驅(qū)動(dòng)程序?yàn)閃indowsNT32位操作系統(tǒng)下生理參數(shù)采集模塊的USB接口總線的WDM驅(qū)動(dòng)。基于VC開發(fā)的測(cè)試程序主要用來(lái)測(cè)試數(shù)據(jù)雙向通信準(zhǔn)確性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2下位機(jī)接口設(shè)計(jì)

2．1硬件電路下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了USB通信接口。PDIUSBD12是一款性價(jià)比很高的USB器件，通常用作實(shí)現(xiàn)與微控制器進(jìn)行通信的高速通用并行接口。由于D12已有成熟外圍連接電路，在此不再詳細(xì)介紹。對(duì)比D12的兩種不同讀寫方式：IO方式和總線方式（如圖2所示）。針對(duì)不同MCU可以選擇合適的連接方式，修改底層功能函數(shù)。IO方式為IO模擬的方式模擬D12的讀寫，讀寫的時(shí)候需要指定IO引腳。讀寫的時(shí)候按照D12時(shí)序一次進(jìn)行。總體分為三步：1）根據(jù)命令和數(shù)據(jù)置位A0（A0＝1選擇命令，A0＝0選擇數(shù)據(jù)）；2）輸出對(duì)D12操作的地址；3）讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)就是適用范圍廣，適用于各種單片機(jī)，尤其是不帶總線的單片機(jī)。比如AVRMEAG8，但缺點(diǎn)是代碼復(fù)雜，執(zhí)行效率低。本文采用總線讀寫的方式。MCU選用AT89S52，它自帶總線結(jié)構(gòu)。可以很簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)對(duì)D12的讀寫操作。將D12的CS＿N引腳連接到MCU的P2．7引腳。總線地址最高位為0時(shí)D12片選有效。

2．2USB固件設(shè)計(jì)固件設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是使D12在USB上達(dá)到最大的傳輸速率。固件程序主要包括兩部分：USB總線的枚舉和數(shù)據(jù)通信處理。USB總線的枚舉是USB協(xié)議中最復(fù)雜的部分，枚舉的完成也是通信成功的必備條件。此設(shè)計(jì)按照USB協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了USB標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求，成功完成設(shè)備枚舉。數(shù)據(jù)通信處理核心功能為數(shù)據(jù)雙向?qū)崟r(shí)傳輸。此部分程序模擬了操作系統(tǒng)中的雙線程功能。一個(gè)線程處理MCU采集生理參數(shù)數(shù)據(jù)過(guò)程。程序流程圖如圖3所示。設(shè)計(jì)為硬件中斷方式，從而保障數(shù)據(jù)接收的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性。另一個(gè)線程為主函數(shù)循環(huán)，主要處理USB與主機(jī)的通信過(guò)程。如圖4所示。USB協(xié)議規(guī)定了4種傳輸類型：批量傳輸、同步傳輸、中斷傳輸和控制傳輸。由于同步傳輸無(wú)法保證100％數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性；中斷傳輸適用于數(shù)據(jù)量小，保證查詢頻率的傳輸；而控制傳輸主要應(yīng)用與枚舉的實(shí)現(xiàn)，故選擇批量傳輸模式。為了確保數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，軟件設(shè)計(jì)了主副兩個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，通過(guò)修改指向緩沖區(qū)的指針，實(shí)現(xiàn)了循環(huán)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)功能。D12設(shè)置為模式0，使用端點(diǎn)2的批量輸入輸出，最大緩沖區(qū)字節(jié)設(shè)置為64字節(jié)。

3上位機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

3．1USB驅(qū)動(dòng)程序在Windows操作系統(tǒng)下，不能直接對(duì)硬件接口進(jìn)行操作，必須采用驅(qū)動(dòng)程序作為橋梁［3］。WDM是微軟退出的一種驅(qū)動(dòng)程序模式，旨在提供一種靈活方式簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)。WDM驅(qū)動(dòng)采用了分層驅(qū)動(dòng)的方式，在USB驅(qū)動(dòng)框架中主要分為：總線驅(qū)動(dòng)、功能驅(qū)動(dòng)和過(guò)濾驅(qū)動(dòng)。總線驅(qū)動(dòng)已經(jīng)由操作系統(tǒng)提供，而過(guò)濾驅(qū)動(dòng)是一種監(jiān)視、攔截和修改數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)。因采集模塊沒(méi)有確定對(duì)應(yīng)系統(tǒng)類，故開發(fā)了其專有USB功能驅(qū)動(dòng)。開發(fā)基于WDM模型的驅(qū)動(dòng)程序不僅需要了解系統(tǒng)內(nèi)核原理，而且還要熟練WindowsDDK編程。為了縮短開發(fā)周期提高效率，選用第三方工具：DriverStudio。它使用DriverWorks進(jìn)行WDM驅(qū)動(dòng)程序開放，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的WDM驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行了封裝，簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)開放過(guò)程。可以簡(jiǎn)單使用向?qū)Х绞缴梢粋€(gè)驅(qū)動(dòng)框架。框架程序大體都相似不再詳述。

3．2應(yīng)用測(cè)試程序應(yīng)用程序需要獲取驅(qū)動(dòng)程序的GUID和設(shè)備路徑才能使用CreateFile打開設(shè)備進(jìn)行讀寫操作。以上三個(gè)函數(shù)通過(guò)GUID查找設(shè)備，獲取路徑信息。使用CreateThread函數(shù)創(chuàng)建了兩個(gè)子線程分別用于端點(diǎn)讀寫操作。通過(guò)DeviceIoControl函數(shù)分別使用EP2＿READ／EP2＿WRITE功能代碼實(shí)現(xiàn)端點(diǎn)2讀寫操作。圖5為基于VC編寫的上位機(jī)USB數(shù)據(jù)測(cè)試程序。圖5中右邊所示為接收的生理參數(shù)數(shù)據(jù)。

4結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)和串口測(cè)試比較，此設(shè)計(jì)完全可以取代串口。通過(guò)此模塊可以擴(kuò)展上位機(jī)應(yīng)用軟件，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療、生理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。

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作者：高勇 閆聰聰 單位：天津理工大學(xué)聾人工學(xué)院 河北工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院