醫(yī)療電子數(shù)據(jù)傳輸及其接口芯片控制解決方案

引言

家用心電血壓監(jiān)測系統(tǒng)由采集記錄設(shè)備和上位機電子病歷管理系統(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(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、易于擴展、支持熱插拔、使用靈活方便等優(yōu)勢，尤其適用于家用設(shè)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(shè)計實現(xiàn)了具有心電、血壓智能監(jiān)測和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τ谔岣呒彝ソ】当＝∷骄哂泻苤匾囊饬x。

監(jiān)測儀的USB接口電路設(shè)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(nèi)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(shè)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(shù)據(jù)接口，兩個芯片的低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USBN9603進(jìn)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(shè)置總線地址為0x4040000，將待訪問寄存器的地址從數(shù)據(jù)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(shè)置總線地址為0x4000000，讀寫D[0:7]即可實現(xiàn)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(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(dǎo)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(xiàn)

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(shè)地址及端點號等信息，然后在令牌中指定數(shù)據(jù)發(fā)送者發(fā)出一個數(shù)據(jù)包或者指出沒有數(shù)據(jù)傳輸。而USB外設(shè)要以一個確認(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)，上位機通過發(fā)送各種事先約定好的協(xié)議命令，來實現(xiàn)對心電、血壓數(shù)據(jù)的采集及對系統(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的采集時間信息，每次傳輸若干段，數(shù)據(jù)量大，對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間，共10B，由于血壓監(jiān)測比較頻繁，每次會傳輸一段時間內(nèi)的血壓監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量也比較大；下載升級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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

本文涉及USB設(shè)備配置枚舉階段上位機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(shè)備描述符是在設(shè)備連接時主機第一個讀取的描述符，每個設(shè)備只能有一個設(shè)備描述符，包含整個設(shè)備的信息以及設(shè)備支持的配置號碼，共18個字段。每個USB設(shè)備有一個或多個配置描述符，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、端點和其它附屬描述符給主機，本文設(shè)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(shè)置一個接口，其描述符有9個字段，為上位機提供了設(shè)備使用端點的數(shù)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(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)檢測到中斷信號時，就會進(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)的處理過程。

圖2 USB固件框架

設(shè)備的USB通信主要實現(xiàn)心電和血壓數(shù)據(jù)的Bulk傳輸功能。在USB總線收發(fā)數(shù)據(jù)的通信協(xié)議基礎(chǔ)上，監(jiān)測儀還有特定的應(yīng)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(yīng)的例程。如傳輸心電和血壓數(shù)據(jù)命令0x10，固件接收0x10命令碼后，從命令參數(shù)中獲取待傳輸數(shù)據(jù)長度、心電或血壓的選擇傳輸標(biāo)志及其記錄號等信息，根據(jù)記錄號調(diào)用GetRecordData()，從Flash存儲區(qū)中查找數(shù)據(jù)并存入BulkState的發(fā)送緩沖區(qū)，如果傳輸心電數(shù)據(jù)則還需通過GetTIme()獲得該段心電數(shù)據(jù)的采集時間。所有待發(fā)送數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒后開始傳輸，由于Bulk傳輸?shù)淖畲缶彌_區(qū)為64B，首先發(fā)送64B數(shù)據(jù)，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(fù)上述過程直到數(shù)據(jù)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(shè)備枚舉操作。在初始化階段，固件需要嚴(yán)格按照順序?qū)SBN9603的寄存器進(jìn)行操作。

USB設(shè)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(shè)備處于開機狀態(tài)；在USB的D+和D-數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)信號線上的電平上升，通知集線器有新設(shè)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(shè)備接入時，主機向連接設(shè)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(fù)位命令并持續(xù)10ms，然后識別設(shè)備的速度。此時，設(shè)備已經(jīng)完成了初始化操作，在主機證明設(shè)備已經(jīng)離開重置狀態(tài)時，開始在端點0的默認(rèn)通道上進(jìn)行USB控制傳輸，進(jìn)入枚舉階段。

塊傳輸標(biāo)準(zhǔn)例程

固件的發(fā)送例程通過端點1實現(xiàn)到主機的塊傳輸功能，其流程如圖3所示。以上傳心電數(shù)據(jù)為例，固件通過端點0接收主機的上傳心電數(shù)據(jù)要求后，將待傳送的數(shù)據(jù)存入writePtr緩沖區(qū)，同時，把待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)、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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)并存儲到FIFO2，F(xiàn)IFO2會自動更新接收控制寄存器RXC的狀態(tài)，數(shù)據(jù)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(wù)例程。

USB通信協(xié)議的主機端實現(xiàn)

WDM 驅(qū)動程序包括設(shè)備功能驅(qū)動程序和總線驅(qū)動程序。其中，總線驅(qū)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(yīng)用程序、實現(xiàn) USB通信的Win32API動態(tài)連接庫以及核心模式下的WDM設(shè)備功能驅(qū)動程序。動態(tài)連接庫封裝了訪問核心模式驅(qū)動程序的函數(shù)，并為用戶應(yīng)用程序提供了訪問接口，用戶應(yīng)用程序只需調(diào)用即可實現(xiàn)特定數(shù)據(jù)的傳輸，而主機端軟件設(shè)計的核心就是如何開發(fā)WDM設(shè)備功能驅(qū)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(nèi)核代碼調(diào)試工具模塊SofTICE，以及USB總線監(jiān)測工具Bus Hound進(jìn)行WDM驅(qū)動程序的開發(fā)。

根據(jù)DriverWizard向?qū)崾荆x擇設(shè)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(shè)備接口為128位的全局唯一標(biāo)識符(GUID)標(biāo)識，使得在使用CreateFile()函數(shù)打開設(shè)備時，WDM能通過GUID識別和訪問設(shè)備的驅(qū)動程序；配置控制、BulkIN和BulkOUT這3個端點分別傳輸命令和數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)傳輸?shù)淖x寫命令，其IoctlCode分別為0x814和0x815。所有設(shè)置完成后，生成.inf安裝信息文件。在這些框架下，根據(jù)應(yīng)用需求，即可編寫與設(shè)備固件通信的主機設(shè)備驅(qū)動程序。

當(dāng)主機要求以Bulk方式讀寫并傳送心電或血壓數(shù)據(jù)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(shù)分別實現(xiàn)BULK方式的數(shù)據(jù)讀寫功能，首先需要從應(yīng)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(shù)，調(diào)用FindPipe()得到IRP要求的通道實例，在該通道上構(gòu)造URB、調(diào)用SubmitUrb()發(fā)送URB，實現(xiàn)與底層USB類驅(qū)動程序的通信，完成Bulk數(shù)據(jù)傳輸功能。

結(jié)語

本文充分利用USB傳輸速度快、準(zhǔn)確性好、使用方便等特點，將USB接口應(yīng)用于家用心電、血壓監(jiān)測儀，完成ARM內(nèi)核MCU與USB控制芯片接口的軟硬件設(shè)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(zhǔn)確性。

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