引言
　　家用心電血壓監(jiān)測系統(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(zhuǎn)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(kuò)展,、支持熱插拔、使用靈活方便等優(yōu)勢,，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，針對臨床需求,，設(shè)計(jì)實(shí)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(shè)備，提供心電,、血壓數(shù)據(jù)電子病歷查詢,、打印和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ埽瑢τ谔岣呒彝ソ】当＝∷骄哂泻苤匾囊饬x,。

監(jiān)測儀的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(gè)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(fù)用方式，由于此工作模式需要地址線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，需連接32位地址總線中的A18到USB控制器的A0,。對USBN9603進(jìn)行讀寫操作時(shí),，分為兩個(gè)總線周期：首先，將地址線A0置高,，即設(shè)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(gè)總線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)置總線地址為0x4000000，讀寫D[0:7]即可實(shí)現(xiàn)對寄存器的讀寫操作,。整個(gè)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(shè)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(dǎo)線，D+和D-是USB差分信號線,，另外兩個(gè)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,。

監(jiān)測儀的USB接口固件實(shí)現(xiàn)
　　USB通信過程的操作是從主機(jī)開始的，按照約定的時(shí)序先發(fā)出一個(gè)令牌包,，包含操作類型,、方向、外設(shè)地址及端點(diǎn)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(gè)數(shù)據(jù)包或者指出沒有數(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)通過發(fā)送各種事先約定好的協(xié)議命令,，來實(shí)現(xiàn)對心電、血壓數(shù)據(jù)的采集及對系統(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)測比較頻繁，每次會(huì)傳輸一段時(shí)間內(nèi)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(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。

圖1 系統(tǒng)擴(kuò)展存儲(chǔ)器和USB接口原理圖

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,、傳輸方向,、端點(diǎn)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(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)檢測到中斷信號時(shí),，就會(huì)進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，根據(jù)寄存器MAEV的值,，判斷中斷類型,，并進(jìn)入相應(yīng)的處理過程。

　　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總線收發(fā)數(shù)據(jù)的通信協(xié)議基礎(chǔ)上,，監(jiān)測儀還有特定的應(yīng)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(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)長度,、心電或血壓的選擇傳輸標(biāo)志及其記錄號等信息，根據(jù)記錄號調(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(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)備枚舉過程
　　將系統(tǒng)的USB連接線接入一個(gè)USB連接端口(集線器或主機(jī)根集線器)，設(shè)備處于開機(jī)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(jī)的根集線器之間有兩個(gè)15KΩ的上拉電阻,。此時(shí)，上拉電阻會(huì)使數(shù)據(jù)信號線上的電平上升,，通知集線器有新設(shè)備接入,；然后，集線器使用中斷通道,，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)備的集線器發(fā)送Set_Port_Feature要求,，使集線器向端口發(fā)送USB硬件復(fù)位命令并持續(xù)10ms,，然后識別設(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)離開重置狀態(tài)時(shí)，開始在端點(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)程序和總線驅(qū)動(dòng)程序,。其中，總線驅(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)連接庫封裝了訪問核心模式驅(qū)動(dòng)程序的函數(shù),，并為用戶應(yīng)用程序提供了訪問接口,，用戶應(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總線監(jiān)測工具Bus Hound進(jìn)行WDM驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā),。

　　根據(jù)DriverWizard向?qū)崾荆x擇設(shè)備類型為USB ,；選擇I/O請求包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)識符(GUID)標(biāo)識,，使得在使用CreateFile()函數(shù)打開設(shè)備時(shí),，WDM能通過GUID識別和訪問設(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(),。通過傳遞不同參數(shù)分別實(shí)現(xiàn)BULK方式的數(shù)據(jù)讀寫功能，首先需要從應(yīng)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(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類驅(qū)動(dòng)程序的通信,，完成Bulk數(shù)據(jù)傳輸功能。

結(jié)語
　　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,。

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