基于USB總線實現(xiàn)主機和醫(yī)學(xué)儀器之間的通信接口設(shè)計

隨著醫(yī)學(xué)信息網(wǎng)絡(luò)化的需要，經(jīng)常需要將各種醫(yī)學(xué)儀器（如腦電圖、心電圖等）與主機相連，以便于從這些醫(yī)學(xué)儀器獲得所需的各種醫(yī)學(xué)信息。同時，在需要的時侯還可以通過主機對這些醫(yī)學(xué)儀器的操作進(jìn)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(dá)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(dá)5 m，且可通過USB集線器進(jìn)行層式星形拓?fù)溥B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?fù)溥B接），因此其非常適合作為主機和醫(yī)學(xué)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(xué)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(dāng)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(dá)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(xì)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(yán)格按照USB協(xié)議1.1進(jìn)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(jìn)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?，塊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(jìn)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(dāng)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(jìn)行相應(yīng)的操作，以完成主機的傳輸請求。

3、設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計

USB設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計是基于WDM（Windows Driver Model，Windows驅(qū)動程序模型）的4。WDM采用分層驅(qū)動程序模型，對于USB設(shè)備來說，可分為USB總線驅(qū)動程序和USB功能驅(qū)動程序（見圖2）。

USB總線驅(qū)動程序由操作系統(tǒng)提供，它位于USB功能驅(qū)動程序的下面，負(fù)責(zé)與實際的硬件打交道，實現(xiàn)煩瑣的低層通信。USB功能驅(qū)動程序由設(shè)備開發(fā)者編寫，位于USB總線驅(qū)動程序的上面，不與實際的硬件打交道，而是通過向USB總線驅(qū)動程序發(fā)送包含URB（USB Request Block，USB請求塊）的IRP（I/O Request Packet，I/O請求包），來實現(xiàn)對USB設(shè)備信息的發(fā)送或接收。采用這種分層驅(qū)動程序的設(shè)計方法有兩個優(yōu)點：（1）多個USB設(shè)備可以通過USB總線驅(qū)動程序來協(xié)調(diào)它們的工作；（2）編寫分層驅(qū)動程序較之編寫單一驅(qū)動程序相對簡單，且可以節(jié)省內(nèi)存和資源，不易出錯。 USB設(shè)備驅(qū)動程序的工作原理可以通過圖2簡單描述。

若應(yīng)用程序想對設(shè)備進(jìn)行I/O操作，它便使用Windows API 函數(shù)（如DeviceloControl 函數(shù)）對WIN32子系統(tǒng)進(jìn)行WIN32調(diào)用。此調(diào)用由I/O系統(tǒng)服務(wù)接收并通知I/O管理器，I/O管理器將此請求構(gòu)造成一個合適的I/O請求包（I/O Request Packet，IRP）并把它傳遞給USB功能驅(qū)動程序。USB功能驅(qū)動程序接收到這個IRP以后，根據(jù)IRP中包含的具體操作代碼，構(gòu)造相應(yīng)的USB請求塊并把此URB放到一個新的IRP中，然后把此IRP傳遞到USB總線驅(qū)動程序，USB總線驅(qū)動程序根據(jù)IRP中所含的URB執(zhí)行相應(yīng)的操作（如從USB設(shè)備讀取數(shù)據(jù)），并把操作結(jié)果通過IRP返還給USB功能驅(qū)動程序。USB功能驅(qū)動程序接收到此IRP后，將操作結(jié)果通過IRP返還給I/O管理器，最后I/O管理器將此IRP中操作結(jié)果返還給應(yīng)用程序，至此應(yīng)用程序?qū)SB設(shè)備的一次I/O操作完成。

USB功能驅(qū)動程序除負(fù)責(zé)處理應(yīng)用程序的I/O請求外，還要處理PnP管理器發(fā)送給它的PnP請求（如設(shè)備啟動請求IRP_MN_START_DEVICE，設(shè)備刪除請求IRP_MN_REMOVE_DEVICE等）。通過對這些PnP請求的處理，USB功能驅(qū)動程序可支持設(shè)備的熱插拔和即插即用功能。

驅(qū)動程序的入口函數(shù)是DriverEntry（ ），所有對各種IRP的處理例程都在此入口函數(shù)中做出定義。

開發(fā)USB設(shè)備驅(qū)動程序的工具有Microsoft公司的Win98DDK，Compuware公司的Numega DriverStudio等。筆者在實際開發(fā)中使用了Win98DDK。

4、 應(yīng)用軟件的設(shè)計

用戶態(tài)的軟件設(shè)計由兩個部分組成：動態(tài)鏈接庫和應(yīng)用程序。動態(tài)連接庫負(fù)責(zé)與內(nèi)核態(tài)的USB功能驅(qū)動程序通信并接受應(yīng)用程序的各種操作請求，而應(yīng)用程序負(fù)責(zé)對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時顯示、分析和存盤。

動態(tài)鏈接庫的工作原理如下：當(dāng)它收到應(yīng)用程序開始采樣的請求后，便創(chuàng)建兩個線程：采樣線程和顯示存盤線程。采樣線程負(fù)責(zé)將采集數(shù)據(jù)寫到應(yīng)用程序提交的內(nèi)存；而顯示存盤線程由多媒體定時器控制（每隔一段時間多媒體定時器就調(diào)用一次此線程），此線程負(fù)責(zé)給應(yīng)用程序發(fā)送顯示和存盤消息。當(dāng)應(yīng)用程序接收到此消息后，便從它提交的內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)并顯示和存盤。此處需要注意的是采樣線程和顯示存盤線程在讀寫應(yīng)用程序提交的內(nèi)存時要保持同步（如當(dāng)采樣線程正在向內(nèi)存進(jìn)行寫操作時顯示存盤線程就不能對此段內(nèi)存進(jìn)行讀操作，否則就有可能導(dǎo)致讀寫錯誤）。保持線程同步的方法很多，如互斥量（Mutex）、信號量（Semiphore）和事件（Event）。此處使用了互斥量。

USB總線的特點使其非常適合于作為醫(yī)療儀器與主機之間的通訊接口，實現(xiàn)主機和醫(yī)學(xué)儀器之間的簡單、快速和可靠的連接。

基于USB總線的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，在實際應(yīng)用中取得了良好的效果。同時，它也為數(shù)據(jù)采集提供了一種新穎的、方便的和可靠的解決方案

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