基于USB總線的數(shù)據(jù)采集設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：通用串行總線（USB）作為一種嶄新的微機(jī)總線接口規(guī)范,其特點(diǎn)使其非常適合作為主機(jī)和醫(yī)學(xué)儀器之間的通信接口,從而實(shí)現(xiàn)主機(jī)和多臺(tái)醫(yī)學(xué)儀器之間簡(jiǎn)單、快速、可靠的連接和通信。介紹了基于USB總線的數(shù)據(jù)采集設(shè)備的開發(fā)方法,包括硬件設(shè)計(jì)、firmware（固件）設(shè)計(jì)、基于WINDOWS驅(qū)動(dòng)程序模型（WDM）的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)以及應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)。

??? 關(guān)鍵詞：通用串行總線 數(shù)據(jù)采集

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(jī)相加,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(shí),在需要的進(jìn)修還可以通過(guò)主機(jī)對(duì)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(jī)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(diǎn)是插拔麻煩,且擴(kuò)展槽有限（一般為5～6個(gè)）。ISA總線顯然存在著同樣的問(wèn)題。RS-232C串行總線雖然連接簡(jiǎn)單,但其缺點(diǎn)是傳輸速度慢（56kbps）,且主機(jī)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(jī)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為高達(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(zhǎng)可達(dá)5m,且可通過(guò)USB集線器進(jìn)行層式星形拓?fù)溥B接（一臺(tái)主機(jī)最多可連接127個(gè)USB設(shè)備,且可實(shí)現(xiàn)最多5級(jí)的拓?fù)溥B接）,因此其非常適合作為主機(jī)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(hào)（如心電信號(hào),腦電信號(hào)等）[2][3],設(shè)計(jì)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(gè)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(jī)的操作系統(tǒng)為Win98。主要完成了四個(gè)方面的工作：硬件設(shè)計(jì)、firmware(固件)設(shè)計(jì)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)以及應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)。

1 硬件設(shè)計(jì)

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(hào)由多路模擬開關(guān)控制將其中的某一路信號(hào)接入串行A/D（選用B-B公司的ADS7809）,A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)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(chǔ)器,80C52系統(tǒng)將數(shù)據(jù)從FIFO存儲(chǔ)器中讀出并通過(guò)USB控制器送到主機(jī)。

當(dāng)前可供選擇的USB控制器很多,如朗訊公司的USS820、國(guó)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(shí)際開發(fā)中選擇了朗訊公司的USS820,其主要特點(diǎn)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(gè)端點(diǎn)（Endpoint）,且每個(gè)端點(diǎn)的傳輸類型、傳輸方向均可自由配置。另外,它還為每個(gè)端點(diǎn)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(jì)

此外firmware（固件）是指被固化到89C52E2PROM中的程序。Firmware主要完成兩個(gè)方面的工作：控制A/D的采樣和通過(guò)USB控制器與主機(jī)通信。由于89C52系統(tǒng)控制A/D采樣的工作非常簡(jiǎn)單,此處不做介紹。詳細(xì)介紹89C52系統(tǒng)通過(guò)USB控制器與主機(jī)通信的工作。

因?yàn)?9C52系統(tǒng)對(duì)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(duì)USB協(xié)議1.1做一簡(jiǎn)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(shí)傳輸（Isochronous transactions）。控制傳輸主要用來(lái)完成主機(jī)對(duì)設(shè)備各種控制操作（如獲取設(shè)備的設(shè)備描述符,設(shè)置設(shè)備的USB地址等,可以通過(guò)控制傳輸來(lái)定義自己對(duì)設(shè)備的控制操作,職設(shè)置采樣參數(shù)、開始或停止采樣等）;塊傳輸主要用業(yè)完成主機(jī)和設(shè)備之間的大指數(shù)據(jù)傳輸,由于塊傳輸在硬件級(jí)上對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)（若發(fā)生錯(cuò)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(gè)方面的數(shù)據(jù)傳輸（即主機(jī)到設(shè)備和設(shè)備到主機(jī)）;中斷傳輸用來(lái)完成設(shè)備到主機(jī)的少量數(shù)據(jù)傳輸,它只支持設(shè)備到主機(jī)方向數(shù)據(jù)傳輸（中斷傳輸跟實(shí)現(xiàn)的“中斷”概念沒(méi)有任何聯(lián)系）;等時(shí)傳輸主要用來(lái)完成主機(jī)和設(shè)備之間連接、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸（如語(yǔ)音信號(hào)）,同步傳輸不對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè),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(jī)啟動(dòng),即USB總線采取主從式結(jié)構(gòu)（master to slave）。

在實(shí)際開發(fā)中使用了兩種傳輸方式：控制傳輸和塊傳輸。控制傳輸用來(lái)實(shí)現(xiàn)位于主機(jī)上的USB總線驅(qū)動(dòng)程序（USBD.SYS）以及編寫的功能驅(qū)動(dòng)程序?qū)υO(shè)備的各種控制操作,而塊傳輸用來(lái)完成將采集數(shù)據(jù)從設(shè)備傳送到主機(jī)。

USB控制器的工作原理可以簡(jiǎn)單地描述為：當(dāng)USB控制從USB總線檢測(cè)到主機(jī)啟動(dòng)的某一傳輸請(qǐng)求時(shí),USB控制器通過(guò)中斷方式將此請(qǐng)求通知89C52系統(tǒng)。89C52系統(tǒng)通過(guò)訪問(wèn)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(duì)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(jī)的傳輸請(qǐng)求。

3 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)是基于WDM（Windows Driver Model,Windows驅(qū)動(dòng)程序模型）的[4]。WDM采用分層驅(qū)動(dòng)程序模型,對(duì)于USB設(shè)備來(lái)說(shuō),可分為USB總線驅(qū)動(dòng)程序和USB功能驅(qū)動(dòng)程序（見圖2）。USB總線驅(qū)動(dòng)程序由操作系統(tǒng)提供,它位于USB功能驅(qū)動(dòng)程序的下面,負(fù)責(zé)與實(shí)際的硬件打交道,實(shí)現(xiàn)煩瑣的低層通信。USB功能驅(qū)動(dòng)程序由設(shè)備開發(fā)者編寫,位于USB總線驅(qū)動(dòng)程序的上面,不與實(shí)際的硬件打交道,而是通過(guò)向USB總線驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送包含URB（USB Request Block,USB請(qǐng)求塊）的IRP（I/O Request Packet,I/O請(qǐng)求包）,來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)USB設(shè)備信息的發(fā)送或接收。采用這種分層驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)備方法有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）多個(gè)USB設(shè)備可以通過(guò)USB總線驅(qū)動(dòng)程序來(lái)協(xié)調(diào)它們的工作;（2）編寫分層驅(qū)動(dòng)程序較之編寫單一驅(qū)動(dòng)程序相對(duì)簡(jiǎn)單,且可以節(jié)省內(nèi)存和資源,不易出錯(cuò)。USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的工作原理可以通過(guò)圖2簡(jiǎn)單描述。

若應(yīng)用程序想對(duì)設(shè)備進(jìn)行I/O操作,它便使用Windows API函數(shù)（如DeviceIoControl ( )函數(shù)）對(duì)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(qǐng)求構(gòu)造成一個(gè)合適的I/O請(qǐng)求包（I/O Request Packet,IRP）并把它傳送遞給USB功能驅(qū)動(dòng)程序。USB功能驅(qū)動(dòng)程序接收到這個(gè)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(qǐng)求塊并把引URB放到一個(gè)新的IRP中,然后把此IRP傳遞到USZB總線驅(qū)動(dòng)程序,USB總線驅(qū)動(dòng)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(guò)IRP返還給USB功能驅(qū)動(dòng)程序。USB功能驅(qū)動(dòng)程序接收到此IRP后,將操作結(jié)果通過(guò)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(dòng)程序除負(fù)責(zé)處理應(yīng)用程序的I/O請(qǐng)求外,還要處理PnP管理器發(fā)送給它的PnP請(qǐng)求（如設(shè)備啟動(dòng)請(qǐng)求IRP_MN_START_DEVICE,設(shè)備刪除請(qǐng)求IRP_MN_REMOVE_DEVICE等）。通過(guò)對(duì)這些PnP請(qǐng)求的處理,USB功能驅(qū)動(dòng)程序可支持設(shè)備的熱插拔和即插即用功能。

驅(qū)動(dòng)程序的入口函數(shù)是DriverEntry( ),所有對(duì)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(dòng)程序的工具有Microsoft公司的Win98DDK,Compuware公司的Numega DriverStudio等。筆者在實(shí)際發(fā)中使用了Win98DDK。

4 應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)

用戶態(tài)的軟件設(shè)計(jì)由兩個(gè)部分組成：動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)和應(yīng)用唷。動(dòng)態(tài)連接庫(kù)負(fù)責(zé)與內(nèi)核態(tài)的USB功能驅(qū)動(dòng)程序通信并接受應(yīng)用程序的各種操作請(qǐng)求,而應(yīng)用程序負(fù)責(zé)對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、分析和存盤。

動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的工作原理如下：當(dāng)它收到應(yīng)用程序開始采樣的請(qǐng)求后,便創(chuàng)建兩個(gè)線程：采樣線程和顯示存盤線路。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(shí)器控制（每隔一段時(shí)間多媒體定時(shí)器就調(diào)用一次此線路）,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(shí)要保持同步（如當(dāng)采樣線程正在向內(nèi)存進(jìn)行操作時(shí)顯示存盤線程就不能對(duì)此段內(nèi)存進(jìn)行讀操作,否則就可能導(dǎo)致讀寫錯(cuò)誤）。保持線程同步的方法很多,如互斥量（Mutex）、信號(hào)量（Semaphore）和事件（Event）。此處使用了互斥量。

USB總線的特點(diǎn)使其非常適合于作為醫(yī)療儀器與主機(jī)之間的通訊接口,實(shí)現(xiàn)主機(jī)和醫(yī)學(xué)儀器之間的簡(jiǎn)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(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。同時(shí),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。