基于USB的便携式医疗设备数据采集和传输系统设计

　引言
　　传统的医疗设备，特别是便携式的监护、心电、血压测量等设备均是采用标准的RS232串行接口进行数据的通信与传输,已越来越不能满足高速据传输，高数据存储以及频繁的数据采集等要求[1,2]。而USB通讯弥补了这些不足，它有着传输速度快、可靠性高、易于连接、可热插拔等许多优点。基于此，本文就介绍了一种基于USB总线接口芯片CH375实现PC机与便携式医疗设备医学信号的实时数据采集和传输的方法，并给出了相应的源程序。经测试，系统工作稳定可靠。

　　1 CH375芯片简介

　CH375 是一个USB总线的通用接口芯片，支持USB-HOST主机方式和USB-DEVICE/SLAVE 设备方式。在本地端，具有8 位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片/DSP/MCU/MPU等控制器的系统总线上。CH375 芯片内部集成了 PLL 倍频器、主从 USB 接口 SIE、数据缓冲区、被动并行接口、异步串行接口、命令解释器、控制传输的协议处理器、通用的固件程序等。

　　CH375 芯片内部具有 7 个物理端点。端点 0是默认端点，支持上传和下传，上传和下传缓冲区各是8B；端点1包括上传端点和下传端点，上传和下传缓冲区各是 8B，上传端点的端点号是81H，下传端点的端点号是 01H；端点2 包括上传端点和下传端点，上传和下传缓冲区各是 64B，上传端点的端点号是 82H，下传端点的端点号是 02H。主机端点包括输出端点和输入端点，输出和输入缓冲区各是64B，主机端点与端点2合用同一组缓冲区，主机端点的输出缓冲区就是端点2的上传缓冲区，主机端点的输入缓冲区就是端点2 的下传缓冲区。本系统就是利用批量端点2来下传数据到缓冲区，利用主机端点和端点1来上传数据到缓冲区。

　　CH375芯片内置了标准的USB通讯协议，这就免去了开发人员因编写通讯协议而耗费的大量时间，方便了通讯的实现。尤其是其动态链接库提供的文件级接口，更是方便了数据的读写。

　　2 系统硬件结构

　　系统的工作过程是嵌入式医疗设备即下位机(PC104)于DOS状态下采集医疗信号送显示器显示，然后通过USB接口送上位机(PC主机)处理，上位机工作在Windows环境下[3,4]。

　　系统选用带USB接口的PC104工业计算机主板，在开发过程中通过电源接口外接5V直流电源，通过显示器接口外接显示器，多功能接口外接键盘。为方便软件的更新，我们把下位机的工作程序写在优盘，外接于PC104主板的USB接口。 [p]

　　基于CH375芯片的系统还设计了PC104-USB转接板，并把其作为PC104主板的扩展模块通过PC104总线接口与主板相连接。转接板上有两个USB接口，任选其中一个通过 USB转接线与上位机相连即可。这样系统的硬件平台便建立起来了，系统硬件连接如图1所示。下面详细介绍系统通讯的软件实现。

　　图1 系统硬件结构图

　　Figure 1 system hardware structure drawing

　　3 下位机中的程序设计

　　USB协议规定任何传输过程都是由主机端发起并控制的，CH375在接收到主机发来的数据时产生中断，为此下位机要做的工作就是等待CH375的中断并作相应的处理。 [p]

　　下位机工作在DOS状态，软件程序采用BORLANDC语言。主要工作是初始化CH375、查询中断及中断处理。相关程序代码如下：

　　（1）处理接收数据的中断服务程序

　　void interrupt  USB(__CPPARGS)

　　{

　　    unsigned char len,i;

　　       //获取中断状态并取消中断请求

　　CH375WriteCmd(0x22);

　　       d0=CH375ReadData(); //读回状态

　　if((d0==0x02)||(d0==0x01)) //批量端点2接收到PC机发送的数据

　　{//读取数据}

　　    inportb(0x21);

　　    outportb(0x20,0x20); //发EOI命令，

　　                     清除中断

}

（2）写数据子程序

void CH375WriteData( unsigned char dat )

{

       /* 写数据口 */

outportb( PortBaseAddr + 0, dat );

       DelayuS( 1 );

}

（3）读数据子程序

unsigned char CH375ReadData( void )

{

       unsigned char d;

       DelayuS( 1 );

    /* 读数据口 */

       d = inportb( PortBaseAddr + 0 );

       return( d );

}

（4）主程序

int main(int argc,char *argv[])

{

     ．．．．．．．．．．．．．．．．．．  

     for(;;)  //等待

        {//软件进入主循环,处理突发事件

         while(kbhit()) ch=getch();

      if(ch==27) break;

      if(ch==59){.//向PC机发送数据}

      if(ch==60){//写中断特征数据}

  readbufUSB();  //读USB接口缓冲区数据

       }

      ．．．．．．．．．．．．．．．．．．

 }

4上位机中的程序设计

    因为CH375的动态链接库DLL提供了许多API接口函数，所以应用程序只需通过几条简单的文件操作API函数，就可以实现与下位机的通信。

又因CH375的动态链接库DLL提供了伪中断服务（实际的中断服务仍然是在驱动程序库完成的，只是在完成后向DLL发个通知，再由DLL再调用伪中断服务子程序），基于此，系统采用了伪中断服务来实现数据的上传，这不仅缩短了系统的开发周期，而且很好地满足了下位机的实时性要求。上传数据的程序流程图如图2所示。

数据的下传只需用简单的下传API发送数据。由CH375中断接收即可。

上位PC机工作在Windows环境下，我们采用Visual C++6.0语言编程。具体程序实现如下：

（1）初始化PC104-USB卡

在这里完成对设备的初始化，如CH375DLL.DLL文件的加载、设备的成功打开、缓冲区的清理、数据的上传模式、设置伪中断服务程序等。 [p]

图2 上传数据流程图

Figure 2 procedure flowchart of uploading data

（1）void Init_PC104-USB()

{

       ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

if ( LoadLibrary( "CH375DLL.DLL" ) == NULL )

   {　//提示语言  }

    // 使用之前必须打开设备

       if ( CH375OpenDevice( mIndex ) ==

INVALID_HANDLE_VALUE ) 

                     { //提示语言}

       else{

              m_pc104usb_ok=TRUE;             

Result=CH375SetTimeout(mIndex, 500, 500 );  // 设置USB数据读写的超时,超过500mS未完成读写将强制返回,避免一直等待下去

      CH375SetBufUpload( mIndex, 1);  //启用内部缓冲上传模式并清除缓冲区中的已有数据

//设置伪中断服务程序

  mPCH375_INT_ROUTINE ptr;

ptr=InteruptProcess;

 Result=CH375SetIntRoutine(mIndex,ptr);

     }

       }

 (2) 接收数据子程序

Void PC_RecievData();

{ ．．．．．．．．．

// 查询内部上传缓冲区中的已有数据包个数,成功返回数据包个数,出错返回-1

Long  packnumber=

CH375QueryBufUpload( mIndex);

     if(packnumber>0)

        {

CH375ReadData(mIndex,&m_recev_buf, len)

        }

．．．．．．．．．．．

}

结论

随着嵌入式计算机在医疗设备中的广泛应用以及USB通讯技术的高速发展，本文通过USB总线接口芯片CH375、PC主机以伪中断方式发起上传数据流，以下传API发起下传数据流的通讯方式，并利用一系列的API接口函数，成功实现了上位机（PC）与下位机（PC104）之间的实时数据采集和传输。经测试系统能准确的收发数据，通讯稳定可靠。采用USB通讯，将为传统医疗设备的改造、新一代便携式医疗设备的快速开发和应用提供广阔的前景。

本文创新点:利用USB接口技术，采用USB模块CH 375在PC机与便携式医疗设备之间实现了实时数据采集和传输，而且无需编写复杂的USB驱动程序，利用其动态链接库即可实现。可以使数据采集和传输系统非常方便的从RS232通讯、串行通讯、并行通讯、转向USB通讯，弥补其速度慢的缺点，进行系统升级。