基于USB總線的數(shù)據(jù)采集設(shè)備的設(shè)計與實現(xiàn)

隨著醫(yī)學信息網(wǎng)絡(luò)化的需要，經(jīng)常需要將各種醫(yī)學儀器(如腦電圖、心電圖等)與主機相連，以便于從這些醫(yī)學儀器獲得所需的各種醫(yī)學信息。同時，在需要的時侯還可以通過主機對這些醫(yī)學儀器的操作進行控制。

傳統(tǒng)的外設(shè)與主機的通訊接口一般是基于PCI總線、ISA總線或者是RS-232C串行總線。PCI總線雖具有高的傳輸速度(132Mbps)，支持"即插即用"功能，但其缺點是插拔麻煩，且擴展槽有限(一般為5～6個)。ISA總線顯然存在著同樣的問題。RS-232C串行總線雖然連接簡單，但其缺點是傳輸速度慢(56kbps)，且主機的串行口數(shù)目有限。

USB(Universal Serial Bus，通用串行總線)是由Intel、Microsoft、IBM及NEC等共同制定的微機總線接口規(guī)范１。由于USB具有較高的傳輸速度(USB協(xié)議1.1支持的最高傳輸速度為12Mbps，而USB協(xié)議2.0支持的最高傳輸速度更是高達480Mbps)，支持即插即用和熱插拔功能，USB設(shè)備的連接電纜最長可達5 m，且可通過USB集線器進行層式星形拓撲連接(一臺主機最多可連接127個USB設(shè)備，且可實現(xiàn)最多5級的拓撲連接)，因此其非常適合作為主機和醫(yī)學儀器之間的通信接口。

為便于臨床上采集病人的某些生理信號(如心電信號，腦電信號等)23，設(shè)計了基于USB總線的醫(yī)學數(shù)據(jù)采集設(shè)備，其最多支持32個通道的同步數(shù)據(jù)采集，最高采樣率為1kHz，采樣精度為16bit，主機的操作系統(tǒng)為Win98。主要完成了四個方面的工作：硬件設(shè)計、firmware(固件)設(shè)計、設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計以及應(yīng)用軟件的設(shè)計。

1 硬件設(shè)計
USB數(shù)據(jù)采集設(shè)備的硬件構(gòu)成見圖1。

從圖1可知，32路模擬輸入信號由多路模擬開關(guān)控制將其中的某一路信號接入串行A/D(選用B-B公司的ADS7809)，A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果經(jīng)光電隔離后串行輸出到移位寄存器，移位寄存器將此結(jié)果轉(zhuǎn)為并行數(shù)據(jù)并寫入FIFO存儲器，80C52系統(tǒng)將數(shù)據(jù)從FIFO存儲器中讀出并通過USB控制器送到主機。

當前可供選擇的USB控制器很多，如朗訊公司的USS820、國家半導(dǎo)體公司的USBN9602。另外，還有將微控制器和USB控制器集成在一起的芯片，如Intel公司的8x930Hx和8x930Ax，其中8x930Hx支持USB集線器功能。在實際開發(fā)中選擇了朗訊公司的USS820，其主要特點是完全遵循USB協(xié)議1.1，支持12Mbps的全速傳輸，支持四種傳輸方式，提供8個端點(Endpoint) 且每個端點的傳輸類型、傳輸方向均可自由配置。另外，它還為每個端點提供兩套FIFO數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，總的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)大小可達2240字節(jié)。

2 firmware設(shè)計

此處firmware(固件)是指被固化到89c52 E2PROM中的程序。firmware主要完成兩個方面的工作：控制A/D的采樣和通過USB控制器與主機通信。由于89C52系統(tǒng)控制A/D采樣的工作非常簡單，此處不做介紹。詳細介紹89C52系統(tǒng)通過USB控制器與主機通信的工作。

因為89C52系統(tǒng)對USB控制器的操作是嚴格按照USB協(xié)議1.1進行的，因此先對USB協(xié)議1.1做一簡單的介紹。按照USB協(xié)議1.1的規(guī)定，USB的傳輸方式分為4種：控制傳輸(Control transfer)，塊傳輸(Bulk transactiONs)，中斷傳輸(Interrupt transactions)和等時傳輸(Isochronous transactions)。控制傳輸主要用來完成主機對設(shè)備的各種控制操作(如獲取設(shè)備的設(shè)備描述符，設(shè)置設(shè)備的USB地址等，也可以通過控制傳輸來定義自己對設(shè)備的控制操作，如設(shè)置采樣參數(shù)、開始或停止采樣等)；塊傳輸主要用來完成主機和設(shè)備之間的大批量數(shù)據(jù)傳輸，由于塊傳輸在硬件級上對傳輸數(shù)據(jù)進行錯誤檢測(若發(fā)生錯誤，它支持"重傳"功能)，因此它能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑝K傳輸支持兩個方向的數(shù)據(jù)傳輸(即主機到設(shè)備和設(shè)備到主機)；中斷傳輸用來完成設(shè)備到主機的少量數(shù)據(jù)傳輸，它只支持設(shè)備到主機方向的數(shù)據(jù)傳輸(中斷傳輸跟實際的"中斷"概念沒有任何聯(lián)系)；等時傳輸主要用來完成主機和設(shè)備之間連續(xù)、實時數(shù)據(jù)的傳輸（如語音信號），同步傳輸不對傳輸數(shù)據(jù)進行錯誤檢測，它主要保證數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸。另外，需要注意的是所有的USB傳輸事務(wù)均由主機啟動，即USB總線采取主從式結(jié)構(gòu)(master to slave)。

在實際開發(fā)中使用了兩種傳輸方式：控制傳輸和塊傳輸?？刂苽鬏斢脕韺崿F(xiàn)位于主機上的USB總線驅(qū)動程序(USBD．SYS)以及編寫的功能驅(qū)動程序?qū)υO(shè)備的各種控制操作，而塊傳輸用來完成將采集數(shù)據(jù)從設(shè)備傳送到主機。

USB控制器的工作原理可以簡單地描述為：當USB控制器從USB總線檢測到主機啟動的某一傳輸請求時，USB控制器通過中斷方式將此請求通知89C52系統(tǒng)。89C52系統(tǒng)通過訪問USB控制器的狀態(tài)寄存器和數(shù)據(jù)寄存器獲得與此次傳輸有關(guān)的各種參數(shù)，并根據(jù)具體傳輸參數(shù)，對USB控制器的控制寄存器和數(shù)據(jù)寄存器進行相應(yīng)的操作，以完成主機的傳輸請求。