基于USB传输之嵌入式生理量测系统之研制

作者：时间：2012-05-28来源：网络收藏

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/199004.htm

图 5-2 数位区块配置示意图

本系统采用型号为CY8C24794 之PSoC 晶片，经由仪表放大器放大後之波形输入至PSoC 内部做讯号处理和转换。波形先经过低通滤波器(Low Pass Filter)将20Hz 以下之杂讯滤除，再通过高通滤波器(HighPass Filter)将180Hz 以上之杂讯滤除，由於会跨过电源频率60Hz，因此还需要使用陷波器将其杂讯滤除。滤除过後之讯号再透过放大器(PGA)做二级放大。处理过後之波形讯号透过ADCINC(A/D 转换模组)将类比讯号转换成数位讯号。选用此颗PSoC 晶片主要之目的是为了运用其USB 模组，透过USB 通讯协定设定，将心电讯号数据资料转换成USB 封包格式，利用USB介面传输把数据资料传送到系统平台或储存到储存装置。如图6 所示为运用USB 介面传输资料之示意图。

图6 运用USB 介面传输资料之示意图

第三部份 USB 介面传输协定分析

应用CY8C24794 晶片设计本系统之硬体架构，它提供了USB2.0 的传输速度。此颗IC 在USB 模组方面设计了USB Setup wizard 选单，使用者能新增移除选单上预设的描述元符号(Descriptor)、字串/语言特性(String/LANGID)和人机介面装置回报描述符号 (HIDReport Descriptor)，如图7 所示为USB Setup wizard 设计介面。

图 7 USB Setup wizard 设计介面

USB 的传输方式可分为：控制、中断、等时和巨量等四种不同传输型态。资料传输可细分三大交易阶层：设置(Setup)、资料(Data)、状态(State) 等。每个阶层可分类成三种封包型态：执照(Token)、资料(Data)、交握(Handshake)等。如图8 所示为USB 资料传输之树状结构。在自制板与主机端之间的传输中，当主机在设置阶层时，是以控制传输方式来达成。当主机与装置在进行资料交易时，是以中断传输方式来达成。

图 8 USB 资料传输之树状结构

如图9 所示，USB 资料传输型式是由主机端与装置端之间相互沟通，当装置(Device)连接主机 (Host)时，主机会先以预设位址0 (Addr )和端点0 (EP)向装置询问其为何种描述字元、装置型态和重新设定新的传送位址和端点，往後的资料传送都依据新的位址和端点来发送。确定好位址後，装置会将其列举资讯与HID 报告回报给主机端，当双方在传输协定上达成协议时，资料才能开始进行传送的动作。

图 9 装置连结主机相互沟通之方块图

主机端(PC、系统平台)传送讯息至装置端(自制板)是透过位址3 和端点4 来传输和要求资料。装置端是透过位址3 和端点3 来向主机传输和要求资料。我们设置讯框轮询时间(Interval)时间为5msec，而所量测的心电讯号经由PSoC 转换成USB 封包格式传送，每次传送2Bytes 心电讯号资料。心电讯号的取样率为240(sps)：每一秒取样240 个取样点。

三、系统平台

本文中的系统架构是以EDUKIT III Embest ARM开发平台为基础架构，再基础架构上整合开发心电图讯号量测系统。系统核心为S3C2410X ARM920T，在程式设计方面以Embedded Linux 来开发程式。然而如果要将心电图量测装置挂载至系统平台，需要撰写适合硬体装置之驱动程式才得以驱动运作。嵌入式Linux 下之设备驱动程式，是介於作业系统核心和硬体之间的介面，从应用程式层面来看硬体设备，其就像是一个设备档案，应用程式如要针对设备档案进行操作，只要像一般档案一样的操作方式即可达到读写和控制之目的。

图 10 驱动程式设计之流程

如图10 所示，当装置挂载至系统平台时，其设计流程可分为以下几个步骤：(1)透过Insmod 指令将kernel module 载入到kernel 的address space(2)对装置做初始化的动作(3)装置向主机注册成为装置节点(4)应用程式可透过驱动程式所提供的入口点(open、read、write、 close、ioctl)询问主机是否可读取资料或装置是否可写入资料(5)装置向主机取消注册(6)清除装置(7)透过rmmod 指令卸载核心模组。以上说明为驱动程式设计之流程。

四、系统架构整合

如图11 为本论文之系统架构之整合。