基于單片機(jī)的心電血壓監(jiān)測(cè)儀USB接口設(shè)計(jì)方案

　引言

　　家用心電血壓監(jiān)測(cè)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(wèn)題。傳統(tǒng)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(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(shì)，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(duì)臨床需求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了具有心電、血壓智能監(jiān)測(cè)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?duì)于提高家庭健康保健水平具有很重要的意義。

　　監(jiān)測(cè)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(duì)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(wèn)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(duì)寄存器的讀寫操作。整個(gè)USB通信過(guò)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(qǐng)求模式。由于未使用DMA方式，需將DACK置高，DMA請(qǐng)求線DRQ懸空。USB電纜有4條導(dǎo)線，D+和D-是USB差分信號(hào)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(hào)線上連接1.5KΩ上拉電阻，使其工作在全速模式。




圖1 系統(tǒng)擴(kuò)展存儲(chǔ)器和USB接口原理圖

　　監(jiān)測(cè)儀的USB接口固件實(shí)現(xiàn)

　　USB通信過(guò)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(hào)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(méi)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(guò)發(fā)送各種事先約定好的協(xié)議命令，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)心電、血壓數(shù)據(jù)的采集及對(duì)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(duì)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(cè)比較頻繁，每次會(huì)傳輸一段時(shí)間內(nèi)的血壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量也比較大；下載升級(jí)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。

　　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(hào)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(hào)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(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(hào)、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(cè)到中斷信號(hào)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(guò)程。




圖2 USB固件框架