EZ-USB FX2接口在生物電信號數據采集系統中的應用

1 引言
生物電信號是由生物體發(fā)出的不穩定的微弱電信號，主要包括心電、肌電、腦電信號，其特點(diǎn)表現為信號弱、干擾強、精度高。因此，在生物體的多參數測量中，高精度尤為重要，這對信號采集速率、實(shí)時(shí)性和準確性等提出更高要求。
根據生物電信號特點(diǎn)，介紹一種基于Ez-USB FX2接口的生物電信號數據采集系統，它將傳統醫學(xué)儀器的優(yōu)點(diǎn)與計算機強大的數據存儲能力以及良好的人機界面相結合，符合醫學(xué)儀器數字化、模塊化、小型化的發(fā)展趨勢，具有很好的應用前景。

2 EZ-USB FX2接口簡(jiǎn)介
高速設備通常具有支持高速傳輸的USB控制器以實(shí)現高速傳輸，選用內置增強型微處理器8051、可動(dòng)態(tài)加載固件的USB2．0控制器EZ-USB FX2(CY7C68013)，該器件相對于其他USB控制器，功能強大，開(kāi)發(fā)難度較小且性?xún)r(jià)比較高。
2．1 基本特性
EZ-USB FX2功能強大，既負責USB事務(wù)處理，也兼具微處理器的控制功能，可用作USB外設主控器件。該器件集USB2．0收發(fā)器、串行接口引擎、增強型 8051、I2C總線(xiàn)以及通用可編程接口于一體，體積小巧，性?xún)r(jià)比高，廣泛應用于存儲器、打印機、掃描儀等各種USB外設。
2．2 端點(diǎn)緩存
USB規范定義端點(diǎn)作為發(fā)送數據的起始點(diǎn)或接收數據的目的地址。EZ-USB FX2包含3個(gè)64 B的端點(diǎn)緩沖區和4 KB的可配置端點(diǎn)緩沖區。其中3個(gè)64 B的緩沖區分別用于EP0，EPlIN和EP1OUT，而4 KB的可配置緩沖區用于EP2，EP4，EP6和EP8。端點(diǎn)0默認為控制端點(diǎn)，支持OUT和IN雙向傳輸；端點(diǎn)1支持批量、中斷和同步傳輸；而端點(diǎn)2、 4、6和8則是高帶寬的數據傳輸端點(diǎn)，可配置成不同方式以適應不同帶寬要求。
2．3 GPIF接口
EZ-USB FX2系列器件提供3種可用接口模式：端口模式、從屬FIFO模式和GPIF主控制模式。端口模式下，所有I／O引腳都可作為8051的通用I／O接口；從屬FIFO模式下，外部邏輯或外部處理器直接與EZ-USB FX2的端點(diǎn)FIFO相連，外部設備作為控制器，像普通FIFO一樣對EZ-USB FX2中的端點(diǎn)數據緩沖區進(jìn)行讀寫(xiě)；而GPIF模式是一種內部主機控制模式，使用內部集成的高效控制邏輯取代外部微控制器來(lái)控制Ez-USB FX2端點(diǎn)FIFO。在EZ-USB FX2內部，GPIF內核就是一個(gè)可編程的狀態(tài)機。
EZ-USB FX2使用4個(gè)用戶(hù)定義的波形描述符控制狀態(tài)機．從而實(shí)現FIFO以及單字節數據的讀寫(xiě)操作。每個(gè)GPIF波形描述符都由7段組成：S0～S6。執行完 S0～S6的動(dòng)作后，進(jìn)入idle狀態(tài)(S7)即空閑狀態(tài)，以準備啟動(dòng)下一次GPIF動(dòng)作。每個(gè)state可定義為無(wú)判斷不轉移態(tài)(NDP)或判斷轉移態(tài) (DP)。當某個(gè)state定義為NDP時(shí)，這個(gè)state動(dòng)作的執行只是簡(jiǎn)單延時(shí)，用于確定產(chǎn)生指定電平的延續時(shí)間；當定義為DP時(shí)，它將根據 RDY0～RDY5上的輸入信號狀態(tài)，以及內部FIFO的可編程標志和內部自定義的Ready標志，將這些信號進(jìn)行邏輯“與”、“或”、“異或”運算，并根據得到的邏輯結果在S0～S6中選擇一個(gè)即將執行的state。執行每個(gè)state時(shí)，都可指定CTL0～CTL5輸出用戶(hù)指定的狀態(tài)。通過(guò)RDYx和 CTLx以及內部一些標志位的組合，即能完成各種復雜時(shí)序電路的控制。由于GPIF接口的配置靈活，使得FX2可方便地和其他邏輯微處理器(例如單片機、 DSP、CPLD和FPGA等)進(jìn)行數據的主動(dòng)讀寫(xiě)，這樣便大大擴展GPIF模式的使用范圍。GPIF模式下，8051可不參與數據傳輸，以突破高速、全速下的傳輸模式進(jìn)一步接近EZ-USB FX2的傳輸帶寬480 Mb／s。同時(shí)根據生物電信號的頻率特征，將每個(gè)通道最大采樣頻率設為100 kHz，在GPIF接口模式下完全能夠滿(mǎn)足系統要求。

3 系統結構
系統結構框架如圖1所示。通過(guò)導聯(lián)由人體采集到的心電、腦電、肌電等信號調理電路后，由FPGA內部邏輯控制A／D轉換對其采樣。將經(jīng)采樣并通過(guò)A／D轉換后的數據暫時(shí)緩存到EZ-USB FX2的內部FIFO中，供PC機讀取。整個(gè)系統涉及A/D轉換及其通道選擇、信號放大、FPGA控制和EZ-USBFX2接口設計，這里主要介紹EZ- USB FX2接口設計，以及相應固件程序的開(kāi)發(fā)與GPIF波形設計。

4 器件資源分配
4．1 EZ-USB FX2與FPGA的硬件連接
EZ-USB FX2采用GPIF接口和FPGA相連，其硬件連接電路如圖2所示。EZ-USB FX2與FPGA連接的引腳分配如下：FD0～FD15為GPIF雙向數據線(xiàn)，負責讀寫(xiě)數據：CTL0、CTL1分別為讀(REN#)、寫(xiě)(WEN#)使能信號；RDY0為FPGA發(fā)出的數據準備好信號；PA2與FPGA的H4引腳連接，用于數據采集開(kāi)始時(shí)點(diǎn)亮LED。