基于單片機的心電血壓監測儀USB接口設計方案

　引言

　　家用心電血壓監測系統由采集記錄設備和上位機電子病歷管理系統組成，因此，需要解決數據傳輸方式問(wèn)題。傳統的通信接口采用簡(jiǎn)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(xiàn)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(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，設計實(shí)現了具有心電、血壓智能監測和USB高速數據傳輸功能的小型化設備，提供心電、血壓數據電子病歷查詢(xún)、打印和網(wǎng)絡(luò )傳輸等功能，對于提高家庭健康保健水平具有很重要的意義。

　　監測儀的USB接口電路設計


　　系統主控制芯片采用32位高性能嵌入式ARM微處理器S3C44B0X，USB專(zhuān)用控制芯片選用USBN9603。USBN9603內置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。


　　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(xiàn)作為USBN9603的片選線(xiàn)，則該芯片的片選地址為0x4000000。本文采用并行數據接口，兩個(gè)芯片的低8位數據線(xiàn)D0~D7相連接，并行傳輸通信數據。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(xiàn)A0作為存取USBN9603片內寄存器DATA_IN、DATA_OUT和ADDR寄存器的選擇線(xiàn)，需連接32位地址總線(xiàn)中的A18到USB控制器的A0。對USBN9603進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)，分為兩個(gè)總線(xiàn)周期：首先，將地址線(xiàn)A0置高，即設置總線(xiàn)地址為0x4040000，將待訪(fǎng)問(wèn)寄存器的地址從數據線(xiàn)D[0:7]寫(xiě)入，這樣，就在第一個(gè)總線(xiàn)周期將地址送到芯片；然后，在第二個(gè)周期，將A0置低，即設置總線(xiàn)地址為0x4000000，讀寫(xiě)D[0:7]即可實(shí)現對寄存器的讀寫(xiě)操作。整個(gè)USB通信過(guò)程主要是處理包括接收、發(fā)送數據等各種中斷事件，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(xiàn)DRQ懸空。USB電纜有4條導線(xiàn)，D+和D-是USB差分信號線(xiàn)，另外兩個(gè)分別是5V電源線(xiàn)和地線(xiàn)。USBN9603支持低速和全速的USB通信，在D+信號線(xiàn)上連接1.5KΩ上拉電阻，使其工作在全速模式。




圖1 系統擴展存儲器和USB接口原理圖

　　監測儀的USB接口固件實(shí)現

　　USB通信過(guò)程的操作是從主機開(kāi)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(lèi)型、方向、外設地址及端點(diǎn)號等信息，然后在令牌中指定數據發(fā)送者發(fā)出一個(gè)數據包或者指出沒(méi)有數據傳輸。而USB外設要以一個(gè)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(guò)發(fā)送各種事先約定好的協(xié)議命令，來(lái)實(shí)現對心電、血壓數據的采集及對系統設備的初始化設置，主要包括以下幾種數據：心電數據以段為單位，每段包括32KB心電數據及6B的采集時(shí)間信息，每次傳輸若干段，數據量大，對傳輸可靠性要求也高；血壓數據包括舒張壓和收縮壓及其采集時(shí)間，共10B，由于血壓監測比較頻繁，每次會(huì )傳輸一段時(shí)間內的血壓監測數據，數據量也比較大；下載升級版的固件等文件信息 。這3種數據的數據流量都比較大，而且可靠性要求都較高，3種數據均選用塊傳輸通道類(lèi)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。

　　USB固件數據結構

　　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的4類(lèi)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(diǎn)描述符，其中，較高階描述符會(huì )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(shí)主機第一個(gè)讀取的描述符，每個(gè)設備只能有一個(gè)設備描述符，包含整個(gè)設備的信息以及設備支持的配置號碼，共18個(gè)字段。每個(gè)USB設備有一個(gè)或多個(gè)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(diǎn)和其它附屬描述符給主機，本文設置一個(gè)配置，其描述符共8個(gè)字段。接口包含一組端點(diǎn)，本文設置一個(gè)接口，其描述符有9個(gè)字段，為上位機提供了設備使用端點(diǎn)的數目及其類(lèi)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，包含主機與端點(diǎn)通信所需的信息，端點(diǎn)0作為控制端點(diǎn)來(lái)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(lèi)型、數據包最大傳輸字節等信息。

　　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，固件首先調用初始化例程，配置USB接口設備，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(shí)，就會(huì )進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，根據寄存器MAEV的值，判斷中斷類(lèi)型，并進(jìn)入相應的處理過(guò)程。




圖2 USB固件框架