引言

        家用心電血壓監(jiān)測系統(tǒng)由采集記錄設備和上位機電子病歷管理系統(tǒng)組成,，因此，需要解決數據傳輸方式問題,。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，設計實現了具有心電,、血壓智能監(jiān)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,、打印和網絡傳輸等功能,，對于提高家庭健康保健水平具有很重要的意義。

監(jiān)測儀的USB接口電路設計

        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內置7個FIFO端口，包括1個雙向的控制端口,，3個發(fā)送端口和3個接收端口,，各有64字節(jié)。

        USB 控制器與S3C44B0X的接口電路如圖1所示,。將USB控制器設計為Bank2,，即將nGCS2存儲體選擇線作為USBN9603的片選線，則該芯片的片選地址為0x4000000,。本文采用并行數據接口,，兩個芯片的低8位數據線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A0作為存取USBN9603片內寄存器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進行讀寫操作時，分為兩個總線周期：首先,，將地址線A0置高,，即設置總線地址為0x4040000，將待訪問寄存器的地址從數據線D[0:7]寫入,，這樣,，就在第一個總線周期將地址送到芯片；然后,，在第二個周期,，將 A0置低，即設置總線地址為0x4000000,，讀寫D[0:7]即可實現對寄存器的讀寫操作,。整個USB通信過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DRQ懸空。USB電纜有4條導線,，D+和D-是USB差分信號線,，另外兩個分別是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。

系統(tǒng)擴展存儲器和USB接口原理圖

圖1 系統(tǒng)擴展存儲器和USB接口原理圖

監(jiān)測儀的USB接口固件實現

        USB通信過程的操作是從主機開始的,，按照約定的時序先發(fā)出一個令牌包,，包含操作類型、方向,、外設地址及端點號等信息,，然后在令牌中指定數據發(fā)送者發(fā)出一個數據包或者指出沒有數據傳輸。而USB外設要以一個確認包作出響應,，表示傳輸成功,。

        本文采用主從式USB通信結構,，上位機通過發(fā)送各種事先約定好的協(xié)議命令，來實現對心電,、血壓數據的采集及對系統(tǒng)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間,，共10B，由于血壓監(jiān)測比較頻繁,，每次會傳輸一段時間內的血壓監(jiān)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型,，另外,每個USB傳輸都必有控制傳輸通道,。因此,需要使用3個通道,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,、接口描述符和端點描述符，其中,，較高階描述符會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主機第一個讀取的描述符，每個設備只能有一個設備描述符,，包含整個設備的信息以及設備支持的配置號碼,，共18個字段。每個USB設備有一個或多個配置描述符,，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,、端點和其它附屬描述符給主機,，本文設置一個配置，其描述符共8個字段,。接口包含一組端點,，本文設置一個接口，其描述符有9個字段，為上位機提供了設備使用端點的數目及其類型等信息,。每個接口描述符有零個或多個端點描述符,，包含主機與端點通信所需的信息，端點0作為控制端點來通信,，端點1和端點2分別為塊傳輸模式,，其描述符包含了端點號、傳輸方向,、端點傳輸類型,、數據包最大傳輸字節(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中實現的,，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，就會進入中斷服務子程序,，根據寄存器MAEV的值,，判斷中斷類型，并進入相應的處理過程,。

圖2 USB固件框架

        設備的USB通信主要實現心電和血壓數據的Bulk傳輸功能,。在USB總線收發(fā)數據的通信協(xié)議基礎上，監(jiān)測儀還有特定的應用層通信協(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(qū)中查找數據并存入BulkState的發(fā)送緩沖區(qū)，如果傳輸心電數據則還需通過GetTIme()獲得該段心電數據的采集時間,。所有待發(fā)送數據準備就緒后開始傳輸,，由于Bulk傳輸的最大緩沖區(qū)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,，否則需要重發(fā)，循環(huán)重復上述過程直到數據發(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變量的初始化，之后開始設備枚舉操作,。在初始化階段,，固件需要嚴格按照順序對USBN9603的寄存器進行操作。

USB設備枚舉過程

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

塊傳輸標準例程

        固件的發(fā)送例程通過端點1實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，固件通過端點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(qū)，同時,，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端點2從主機接收數據,，主機先發(fā)送一個OUT信令到端點2,，SIE從收發(fā)器自動接收數據并存儲到FIFO2，FIFO2會自動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會把一個接收中斷傳送到S3C44B0X處理器,，固件執(zhí)行接收中斷服務例程。

USB通信協(xié)議的主機端實現

        WDM 驅動程序包括設備功能驅動程序和總線驅動程序,。其中,，總線驅動程序由Windows提供，本文主機端軟件包括以下3個層次：用戶模式下的應用程序,、實現 USB通信的Win32API動態(tài)連接庫以及核心模式下的WDM設備功能驅動程序,。動態(tài)連接庫封裝了訪問核心模式驅動程序的函數，并為用戶應用程序提供了訪問接口,，用戶應用程序只需調用即可實現特定數據的傳輸,，而主機端軟件設計的核心就是如何開發(fā)WDM設備功能驅動程序。

        在Windows2000平臺安裝Windows2000 DDK,，使用Visual C++6.0作為開發(fā)工具,，同時借助DriverWorks工具包和內核代碼調試工具模塊SofTICE，以及USB總線監(jiān)測工具Bus Hound進行WDM驅動程序的開發(fā),。

        根據DriverWizard向導提示,，選擇設備類型為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()函數打開設備時，WDM能通過GUID識別和訪問設備的驅動程序,；配置控制,、BulkIN和BulkOUT這3個端點分別傳輸命令和數據。配置3個 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,，即可編寫與設備固件通信的主機設備驅動程序。

        當主機要求以Bulk方式讀寫并傳送心電或血壓數據時,，會給出 IOCTL_CODE為MYUSB_IOCTL_ BULK_READ的IOCTL IRP,，處理例程為BulkReadWrite()。通過傳遞不同參數分別實現BULK方式的數據讀寫功能,，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(qū)及其大小等參數，調用FindPipe()得到IRP要求的通道實例,，在該通道上構造URB,、調用SubmitUrb()發(fā)送URB,，實現與底層USB類驅動程序的通信，完成Bulk數據傳輸功能,。

結語

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