高小榕 中央财经大学信息系 吴 靖

     国家医药管理局国际合作司 范晓东

     来源：《电子技术应用》

     摘要：通用串行总线（usb）作为一种崭新的微机总线接口规范，其特点使其非常适合作为主机和医学仪器之间的通信接口，从而实现主机和多台医学仪器之间简单、快速、可靠的连接和通信。介绍了基于usb总线的数据采集设备的开发方法，包括硬件设计、firmware（固件）设计、基于windows驱动程序模型（wdm）的设备驱动程序设计以及应用软件的设计。

     关键词：通用串行总线

     数据采集

     随着医学信息网络化的需要，经常需要将各种医学仪器（如脑电图、心电图等）与主机相加，以便于从这些医学仪器获得所需的各种医学信息。同时，在需要的进修还可以通过主机对这些医学仪器的操作进行控制。

     传统的外设与主机的通讯接口一般是基于pci总线、isa总线或者是rs-232c串行总线。pci总线虽具有高的传输速度（132mbps），支持“即插即用”功能，但其缺点是插拔麻烦，且扩展槽有限（一般为5～6个）。isa总线显然存在着同样的问题。rs-232c串行总线虽然连接简单，但其缺点是传输速度慢（56kbps），且主机的串行口数目有限。

     usb（universal serial bus，通用串行总线）是由intel、microsoft、ibm及nec等共同制定的微机总线接口规范[1]。由于usb具有较高的传输速度（usb协议1.1支持的最高传输速度为12mbps，而usb协议2.0支持的最高传输速度更为高达480mbps），支持即插即用和热插拔功能，usb设备的连接电缆最长可达5m，且可通过usb集线器进行层式星形拓扑连接（一台主机最多可连接127个usb设备，且可实现最多5级的拓扑连接），因此其非常适合作为主机和医学仪器之间的通信接口。

     为便于临床上采集病人的某些生理信号（如心电信号，脑电信号等）[2][3]，设计了基于usb总线的医学数据采集设备，其最多支持32个通道的同步数据采集，最高采样率为1khz，采样精度为16bit，主机的操作系统为win98。主要完成了四个方面的工作：硬件设计、firmware(固件)设计、设备驱动程序设计以及应用软件的设计。

     1 硬件设计

     usb数据采集设备的硬件构成见图1.从图1可知，32路模拟输入信号由多路模拟开关控制将其中的某一路信号接入串行a/d（选用b-b公司的ads7809），a/d转换的结构经光电隔离后串行输出到移位寄存器，移位寄存器将此结果转为并行数据并写入fifo存储器，80c52系统将数据从fifo存储器中读出并通过usb控制器送到主机。

     当前可供选择的usb控制器很多，如朗讯公司的uss820、国家半导体公司的usbn9602.另外，还有将微控制器和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集线器功能。在实际开发中选择了朗讯公司的uss820，其主要特点是完全遵循usb协议1.1，支持12mbps的全速传输，支持四种传输方式，提供8个端点（endpoint），且每个端点的传输类型、传输方向均可自由配置。另外，它还为每个端点提供两套fifo数据缓冲区，总的数据缓冲区大小可达2240字节。

     2 firmware设计

     此外firmware（固件）是指被固化到89c52e2prom中的程序。firmware主要完成两个方面的工作：控制a/d的采样和通过usb控制器与主机通信。由于89c52系统控制a/d采样的工作非常简单，此处不做介绍。详细介绍89c52系统通过usb控制器与主机通信的工作。

     因为89c52系统对usb控制器的操作是严格按照usb协议1.1进行的，因此先对usb协议1.1做一简单的介绍。按照usb协议1.1的规定，usb的传输方式分为4种：控制传输（control

     transfer），块传输（bulk transactions），中断传输（interrupt

     transactions）和等时传输（isochronous transactions）。控制传输主要用来完成主机对设备各种控制操作（如获取设备的设