利用S3C44B0X的心電血壓監測儀USB接口設計

　　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。

　　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。

　　圖1 系統擴展存儲器和USB接口原理圖

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　　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。

　　圖2 USB固件框架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。

　　設備的USB通信主要實(shí)現心電和血壓數據的Bulk傳輸功能。在USB總線(xiàn)收發(fā)數據的通 信協(xié)議基礎上，監測儀還有特定的應用層通信協(xié)議。固件接收到用戶(hù)通信命令后，解析控制命令并執行相應的例程。如傳輸心電和血壓數據命令0x10，固件接收 0x10命令碼后，從命令參數中獲取待傳輸數據長(cháng)度、心電或血壓的選擇傳輸標志及其記錄號等信息，根據記錄號調用GetRecordData()，從 Flash存儲區中查找數據并存入BulkState的發(fā)送緩沖區，如果傳輸心電數據則還需通過(guò)Gettime()獲得該段心電數據的采集時(shí)間。所有待發(fā) 送數據準備就緒后開(kāi)始傳輸，由于Bulk傳輸的最大緩沖區為64B，首先發(fā)送64B數據，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(wù)，否則需要重發(fā)，循環(huán)重復上述過(guò)程直到數據發(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(hù)變量的初始化，之后開(kāi)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(jìn)行操作。

　　USB設備枚舉過(guò)程

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

　　塊傳輸標準例程

　　固件的發(fā)送例程通過(guò)端點(diǎn)1實(shí)現到主機的塊傳輸功能，其流程如圖3所示。以上傳心電數據為例，固件通過(guò)端點(diǎn)0接收主機的上傳心電數據要求后，將待傳送的數據存入writePtr緩沖區，同時(shí)，把待傳輸的數據、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(guò)端點(diǎn)2從主機接收數據，主機先發(fā)送一個(gè)OUT信令到端點(diǎn)2，SIE從收發(fā)器自動(dòng)接收數據并存儲到FIFO2，FIFO2 會(huì )自動(dòng)更新接收控制寄存器RXC的狀態(tài)，數據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，固件執行接收中斷服務(wù)例程。

　　USB通信協(xié)議的主機端實(shí)現

　　WDM驅動(dòng)程序包括設備功能驅動(dòng)程序和總線(xiàn)驅動(dòng)程序。其中，總線(xiàn)驅動(dòng)程序由Windows提供，本文主 機端軟件包括以下3個(gè)層次：用戶(hù)模式下的應用程序、實(shí)現USB通信的Win32API動(dòng)態(tài)連接庫以及核心模式下的WDM設備功能驅動(dòng)程序。動(dòng)態(tài)連接庫封裝 了訪(fǎng)問(wèn)核心模式驅動(dòng)程序的函數，并為用戶(hù)應用程序提供了訪(fǎng)問(wèn)接口，用戶(hù)應用程序只需調用即可實(shí)現特定數據的傳輸，而主機端軟件設計的核心就是如何開(kāi)發(fā) WDM設備功能驅動(dòng)程序。

　　在Windows2000平臺安裝Windows2000 DDK，使用Visual C++6.0作為開(kāi)發(fā)工具，同時(shí)借助DriverWorks工具包和內核代碼調試工具模塊SoftICE，以及USB總線(xiàn)監測工具Bus Hound進(jìn)行WDM驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)。

　　根據DriverWizard向導提示，選擇設備類(lèi)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 數打開(kāi)設備時(shí)，WDM能通過(guò)GUID識別和訪(fǎng)問(wèn)設備的驅動(dòng)程序;配置控制、BulkIN和BulkOUT這3個(gè)端點(diǎn)分別傳輸命令和數據。配置3個(gè) 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數據傳輸的讀寫(xiě)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，根據應用需求，即可編寫(xiě)與設備固件通信的主機設備驅動(dòng)程序。

　　當主機要求以Bulk方式讀寫(xiě)并傳送心電或血壓數據時(shí)，會(huì )給出IOCTL_CODE為MYUSB_IOCTL_ BULK_READ的IOCTL IRP，處理例程為BulkReadWrite()。通過(guò)傳遞不同參數分別實(shí)現BULK方式的數據讀寫(xiě)功能，首先需要從應用程序獲得IRP傳遞的通道號、 輸入/輸出緩沖區及其大小等參數，調用FindPipe()得到IRP要求的通道實(shí)例，在該通道上構造URB、調用SubmitUrb()發(fā)送URB，實(shí) 現與底層USB類(lèi)驅動(dòng)程序的通信，完成Bulk數據傳輸功能。

　　結語(yǔ)

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