基于USB和便携式医疗设备的数据采集系统实现
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。
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
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。
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。
图2 上传数据流程图
（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。
参 考 文 献
［1］ 王刚。刘雅言。 usb 接口技术在便携式医疗仪器中的应用［j］。电子技术.2004，2，10-12.
［2］ 苏全。梁凯琦。 usb to rs-232在传统医疗设备中的应用［j］。医疗设备信息.2005，20（6）19-20.
［3］ 李新龙，翟宏范，狄国伟，王鑫，。 usb芯片ch375在电能测量仪系统中的应用［j］。 微计算机信息，2006-26:318-320.
［4］ 李建。徐璧华。陈利学.windows环境下pc机与pc104的串行通讯控制［j］。西南石油学院学报.2001，23（4）68-76
［5］ 杨晓鹏。宗明.visual c++ 7.0实用编程技术［m］。北京：中国水利水电出版社，2002.
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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。
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
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。
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
}
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{
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}
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unsigned char ch375readdata（ void ）
{
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d = inportb（ portbaseaddr + 0 ）;
return（ d ）;
}
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{
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if（ch==27） break;
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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。
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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。
图2 上传数据流程图
（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
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{ ．．．．．．．．．
// 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。
参 考 文 献
［1］ 王刚。刘雅言。 usb 接口技术在便携式医疗仪器中的应用［j］。电子技术.2004，2，10-12.
［2］ 苏全。梁凯琦。 usb to rs-232在传统医疗设备中的应用［j］。医疗设备信息.2005，20（6）19-20.
［3］ 李新龙，翟宏范，狄国伟，王鑫，。 usb芯片ch375在电能测量仪系统中的应用［j］。 微计算机信息，2006-26:318-320.
［4］ 李建。徐璧华。陈利学.windows环境下pc机与pc104的串行通讯控制［j］。西南石油学院学报.2001，23（4）68-76
［5］ 杨晓鹏。宗明.visual c++ 7.0实用编程技术［m］。北京：中国水利水电出版社，2002.
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