基于单片机的心电血压监测仪USB接口设计方案

　　引言

　　家用心电血压监测系统由采集记录设备和上位机电子病历管理系统组成，因此，需要解决数据传输方式问题。传统的通信接口采用简单的ＲＳ－２３２串行ＵＡＲＴ　，这种方式速度慢且适用性差，而ＵＳＢ转串口芯片的传输性能不能得到根本改善。ＵＳＢ总线接口则具有速度快、易于扩展、支持热插拔、使用灵活方便等优势，尤其适用于家用设备与计算机的通信连接。

　　本文重点讨论ＵＳＢ通信协议及其接口芯片的控制方法，针对临床需求，设计实现了具有心电、血压智能监测和ＵＳＢ高速数据传输功能的小型化设备，提供心电、血压数据电子病历查询、打印和网络传输等功能，对于提高家庭健康保健水平具有很重要的意义。

　　监测仪的ＵＳＢ接口电路设计

　　系统主控制芯片采用３２位高性能嵌入式ＡＲＭ微处理器Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ，ＵＳＢ专用控制芯片选用ＵＳＢＮ９６０３。ＵＳＢＮ９６０３内置７个ＦＩＦＯ端口，包括１个双向的控制端口，３个发送端口和３个接收端口，各有６４字节。

　　ＵＳＢ控制器与Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ的接口电路如图１所示。将ＵＳＢ控制器设计为Ｂａｎｋ２，即将ｎＧＣＳ２存储体选择线作为ＵＳＢＮ９６０３的片选线，则该芯片的片选地址为０ｘ４００００００。本文采用并行数据接口，两个芯片的低８位数据线Ｄ０￣Ｄ７相连接，并行传输通信数据。将ＭＯＤＥ０和ＭＯＤＥ１引脚都接地，配置ＵＳＢＮ９６０３为非复用方式，由于此工作模式需要地址线Ａ０作为存取ＵＳＢＮ９６０３片内寄存器ＤＡＴＡ＿ＩＮ、ＤＡＴＡ＿ＯＵＴ和ＡＤＤＲ寄存器的选择线，需连接３２位地址总线中的Ａ１８到ＵＳＢ控制器的Ａ０。对ＵＳＢＮ９６０３进行读写操作时，分为两个总线周期：首先，将地址线Ａ０置高，即设置总线地址为０ｘ４０４００００，将待访问寄存器的地址从数据线Ｄ［０：７］写入，这样，就在个总线周期将地址送到芯片；然后，在第二个周期，将Ａ０置低，即设置总线地址为０ｘ４００００００，读写Ｄ［０：７］即可实现对寄存器的读写操作。整个ＵＳＢ通信过程主要是处理包括接收、发送数据等各种中断事件，将ＵＳＢＮ９６０３的ＩＮＴ引脚连接到Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ的外部中断ＥＩＮＴ０引脚，设置ＵＳＢ中断为向量中断请求模式。由于未使用ＤＭＡ方式，需将ＤＡＣＫ置高，ＤＭＡ请求线ＤＲＱ悬空。ＵＳＢ电缆有４条导线，Ｄ＋和Ｄ－是ＵＳＢ差分信号线，另外两个分别是５Ｖ电源线和地线。ＵＳＢＮ９６０３支持低速和全速的ＵＳＢ通信，在Ｄ＋信号线上连接１．５ＫΩ上拉电阻，使其工作在全速模式。

　　监测仪的ＵＳＢ接口固件实现

　　ＵＳＢ通信过程的操作是从主机开始的，按照约定的时序先发出一个令牌包，包含操作类型、方向、外设地址及端点号等信息，然后在令牌中指定数据发送者发出一个数据包或者指出没有数据传输。而ＵＳＢ外设要以一个确认包作出响应，表示传输成功。

　　本文采用主从式ＵＳＢ通信结构，上位机通过发送各种事先约定好的协议命令，来实现对心电、血压数据的采集及对系统设备的初始化设置，主要包括以下几种数据：心电数据以段为单位，每段包括３２ＫＢ心电数据及６Ｂ的采集时间信息，每次传输若干段，数据量大，对传输可靠性要求也高；血压数据包括舒张压和收缩压及其采集时间，共１０Ｂ，由于血压监测比较频繁，每次会传输一段时间内的血压监测数据，数据量也比较大；升级版的固件等文件信息　。这３种数据的数据流量都比较大，而且可靠性要求都较高，３种数据均选用块传输通道类型，另外，每个ＵＳＢ传输都必有控制传输通道。因此，需要使用３个通道，即控制通道、ＢｕｌｋＩＮ通道和ＢｕｌｋＯＵＴ通道。

　　ＵＳＢ固件数据结构

　　本文涉及ＵＳＢ设备配置枚举阶段上位机在控制传输中要求设备传输的４类描述符，按照层次依次为：设备描述符、配置描述符、接口描述符和端点描述符，其中，较高阶描述符会通知主机任何其它低阶的描述符信息。

　　设备描述符是在设备连接时主机个读取的描述符，每个设备只能有一个设备描述符，包含整个设备的信息以及设备支持的配置号码，共１８个字段。每个ＵＳＢ设备有一个或多个配置描述符，包含设备的电源管理以及设备配置所支持的接口号码，当设备收到获取配置描述符的要求后，传送该配置描述符及其所有接口、端点和其它附属描述符给主机，本文设置一个配置，其描述符共８个字段。接口包含一组端点，本文设置一个接口，其描述符有９个字段，为上位机提供了设备使用端点的数目及其类型等信息。每个接口描述符有零个或多个端点描述符，包含主机与端点通信所需的信息，端点０作为控制端点来通信，端点１和端点２分别为块传输模式，其描述符包含了端点号、传输方向、端点传输类型、数据包传输字节等信息。

　　ＵＳＢ固件通信流程

　　ＵＳＢ固件框架流程如图２所示，在进入通信模块后，固件首先调用初始化例程，配置ＵＳＢ接口设备，并使其进入操作状态，然后启用中断，ＵＳＢ通信的主要功能是在中断服务中实现的，主程序只是在循环等待是否有退出的按键，当检测到中断信号时，就会进入中断服务子程序，根据寄存器ＭＡＥＶ的值，判断中断类型，并进入相应的处理过程。

　　设备的ＵＳＢ通信主要实现心电和血压数据的Ｂｕｌｋ传输功能。在ＵＳＢ总线收发数据的通信协议基础上，监测仪还有特定的应用层通信协议。固件接收到用户通信命令后，解析控制命令并执行相应的例程。如传输心电和血压数据命令０ｘ１０，固件接收０ｘ１０命令码后，从命令参数中获取待传输数据长度、心电或血压的选择传输标志及其记录号等信息，根据记录号调用ＧｅｔＲｅｃｏｒｄＤａｔａ（），从Ｆｌａｓｈ存储区中查找数据并存入ＢｕｌｋＳｔａｔｅ的发送缓冲区，如果传输心电数据则还需通过Ｇｅｔｔｉｍｅ（）获得该段心电数据的采集时间。所有待发送数据准备就绪后开始传输，由于Ｂｕｌｋ传输的缓冲区为６４Ｂ，首先发送６４Ｂ数据，然后在ＴＸ＿ＥＶ例程中判断上位机是否接收成功，若成功则传输下一批块输入事务，否则需要重发，循环重复上述过程直到数据发送完毕。

　　ＵＳＢ固件各模块例程

　　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户变量的初始化，之后开始设备枚举操作。在初始化阶段，固件需要严格按照顺序对ＵＳＢＮ９６０３的寄存器进行操作。

　　ＵＳＢ设备枚举过程

　　将系统的ＵＳＢ连接线接入一个ＵＳＢ连接端口（集线器或主机根集线器），设备处于开机状态；在ＵＳＢ的Ｄ＋和Ｄ－数据线和所接入的集线器端口或主机的根集线器之间有两个１５ＫΩ的上拉电阻。此时，上拉电阻会使数据信号线上的电平上升，通知集线器有新设备接入；然后，集线器使用中断通道，给主机所发生的事件，确实有新设备接入时，主机向连接设备的集线器发送Ｓｅｔ＿Ｐｏｒｔ＿Ｆｅａｔｕｒｅ要求，使集线器向端口发送ＵＳＢ硬件复位命令并持续１０ｍｓ，然后识别设备的速度。此时，设备已经完成了初始化操作，在主机证明设备已经离开重置状态时，开始在端点０的默认通道上进行ＵＳＢ控制传输，进入枚举阶段。

　　块传输标准例程

　　固件的发送例程通过端点１实现到主机的块传输功能，其流程如图３所示。以上传心电数据为例，固件通过端点０接收主机的上传心电数据要求后，将待传送的数据存入ｗｒｉｔｅＰｔｒ缓冲区，同时，把待传输的数据、大小等信息存入ｂｕｌｋＳｔａｔｅ。

　　固件的接收例程通过端点２从主机接收数据，主机先发送一个ＯＵＴ信令到端点２，ＳＩＥ从收发器自动接收数据并存储到ＦＩＦＯ２，ＦＩＦＯ２会自动更新接收控制寄存器ＲＸＣ的状态，数据接收的硬件操作完成后，ＵＳＢＮ９６０３会把一个接收中断传送到Ｓ３Ｃ４４Ｂ０Ｘ处理器，固件执行接收中断服务例程。

　　ＵＳＢ通信协议的主机端实现

　　ＷＤＭ驱动程序包括设备功能驱动程序和总线驱动程序。其中，总线驱动程序由Ｗｉｎｄｏｗｓ提供，本文主机端软件包括以下３个层次：用户模式下的应用程序、实现ＵＳＢ通信的Ｗｉｎ３２ＡＰＩ动态连接库以及模式下的ＷＤＭ设备功能驱动程序。动态连接库封装了访问模式驱动程序的函数，并为用户应用程序提供了访问接口，用户应用程序只需调用即可实现特定数据的传输，而主机端软件设计的就是如何开发ＷＤＭ设备功能驱动程序。

　　在Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００平台安装Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００　ＤＤＫ，使用Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋６．０作为开发工具，同时借助ＤｒｉｖｅｒＷｏｒｋｓ工具包和内核代码调试工具模块ＳｏｆｔＩＣＥ，以及ＵＳＢ总线监测工具Ｂｕｓ　Ｈｏｕｎｄ进行ＷＤＭ驱动程序的开发。

　　根据ＤｒｉｖｅｒＷｉｚａｒｄ向导提示，选择设备类型为ＵＳＢ　；选择Ｉ／Ｏ请求包ＩＲＰ的处理方式为ＩＲＰ排队方式；创建设备接口为１２８位的全局标识符（ＧＵＩＤ）标识，使得在使用ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ（）函数打开设备时，ＷＤＭ能通过ＧＵＩＤ识别和访问设备的驱动程序；配置控制、ＢｕｌｋＩＮ和ＢｕｌｋＯＵＴ这３个端点分别传输命令和数据。配置３个ＩＯＣＴＬ控制命令：ＭＹＵＳＢ＿ＩＯＣＴＬ＿　ＣＯＭＭＡＮＤ是主机发送通信命令的控制命令，其ＩｏｃｔｌＣｏｄｅ为０ｘ８１２；ＭＹＵＳＢ＿ＩＯＣＴＬ＿　ＢＵＬＫ＿ＲＥＡＤ和ＭＹＵＳＢ＿ＩＯＣＴＬ＿ＢＵＬＫ＿　ＷＲＩＴＥ分别发送Ｂｕｌｋ数据传输的读写命令，其ＩｏｃｔｌＣｏｄｅ分别为０ｘ８１４和０ｘ８１５。所有设置完成后，生成．ｉｎｆ安装信息文件。在这些框架下，根据应用需求，即可编写与设备固件通信的主机设备驱动程序。

　　当主机要求以Ｂｕｌｋ方式读写并传送心电或血压数据时，会给出ＩＯＣＴＬ＿ＣＯＤＥ为ＭＹＵＳＢ＿ＩＯＣＴＬ＿　ＢＵＬＫ＿ＲＥＡＤ的ＩＯＣＴＬ　ＩＲＰ，处理例程为ＢｕｌｋＲｅａｄＷｒｉｔｅ（）。通过传递不同参数分别实现ＢＵＬＫ方式的数据读写功能，首先需要从应用程序获得ＩＲＰ传递的通道号、输入／输出缓冲区及其大小等参数，调用ＦｉｎｄＰｉｐｅ（）得到ＩＲＰ要求的通道实例，在该通道上构造ＵＲＢ、调用ＳｕｂｍｉｔＵｒｂ（）发送ＵＲＢ，实现与底层ＵＳＢ类驱动程序的通信，完成Ｂｕｌｋ数据传输功能。

　　结语

　　本文充分利用ＵＳＢ传输速度快、准确性好、使用方便等特点，将ＵＳＢ接口应用于家用心电、血压监测仪，完成ＡＲＭ内核ＭＣＵ与ＵＳＢ控制芯片接口的软硬件设计，通过心电图的传输实验，表明该系统具有高可靠性和准确性。