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1、毕业设计（论文）题目名称：基于USB2.0接口心电数据采集系统设计年 级： 本科 专科学生学号：学生姓名： 指导教师： 学生单位：信息工程学院 技术职称：助教 讲师学生专业：生物医学工程 教师单位：信息工程学院基于USB2.0接口心电数据采集系统设计摘要：心脏病是威胁人类健康的主要疾病之一，心电图就是一项常规心脏疾病检查手段，因此研制高性能的心电图机对于心脏疾病的诊断和治疗具有十分重要的意义。在数据采集系统中，USB接口以其高传输速度,简便的连接、以及其高通用性和高稳定性,比PCI、ISA、EPP/ECP等其他接口更适合与计算机的通信。因此本文在研究了心电信号的拾取、放大、滤波、采集、传输等方
2、面的重要问题和关键技术的基础上，开发了基于USB接口的心电数据采集系统。实验表明，采用该系统可以方便快捷地接入到计算机,实现对心电数据的同步采集，与配套的软件系统相结合就能让医生更全面、详尽地了解心脏的状况，有利于对心脏疾病的诊断和监测。关键词：数据采集；USB2.0接口；即插即用The Design of ECG data Acquisition System based on USB 2.0 InterfaceAbstract：The heart disease is one of the most dangerous diseases which threaten the human h
3、ealth, so it is very significant to develop a high performance heart examining system which can diagnose the heart trouble and cure it in time. In the data acquisition system, the USB has the advantage of high speed, simple connection, high universality and stability, and the USB technique is more c
4、ompatibly used to correspond with PC than others bus, such as PCI、ISA、EPP /ECP, etc. In this thesis, some important issues and key techniques concerning acquisition and processing of ECG signals such as collecting, amplification, filter, A/D transforming and transmitting were investigate and a ECG d
5、ata acquisition system with USB interface was designed and fabricated as a prototype. Experiments with testers show that the system can be easily and quickly access to your computer, and that it synchronously samples the ECG signals which permits the doctor to comprehend the heart status more comple
6、tely and more thoroughly with other relevant supporting software system, and this is propitious to diagnose and inspect the heart diseases. Keywords: Data acquisition, USB2.0 interface, Plug and play目 录第1章 绪论11.1 课题的背景及意义11.2 课题发展历史及现状21.3 本设计的工作3第2章 心电图检测信号概述42.1 心电信号的特征42.2 心电信号的干扰源52.3 心电放大器的设计要求
7、52.4 心电双极肢体导联简介6第3章 心电数据采集系统的总体方案设计83.1 系统的整体方案设计83.2 系统的设计要求和方案选择83.2.1 系统设计要求83.2.2 信号转换模式的选择93.2.3 数据传输模式的选择93.2.4 光电隔离电路的选择103.2.5 系统芯片的选择113.3 系统开发方法和开发工具113.3.1 系统的开发方法113.3.2 系统的开发工具12第4章 USB2.0接口研究与开发134.1 USB接口概要134.2 USB的接口标准144.3 USB2.0接口硬件电路设计164.3.1 USB2.0接口芯片CY7C68013164.3.2 CY7C68013与
8、CPLD的连接原理174.3.3 具体模块电路设计与介绍184.4 USB接口软件开发224.4.1 CPLD控制A/D转换程序设计224.4.2 CPLD写FIFO程序设计234.4.3 USB接口固件程序设计244.4.4 USB设备驱动程序设计28第5章 心电信号采集系统开发295.1 心电信号采集电路295.1.1 差分放大及二级放大电路295.1.2 从放大器及带通滤波电路设计325.1.3 抗50Hz工频陷波电路设计335.2 A/D转换和光电隔离电路设计345.2.1 A/D转换电路345.2.2 光电隔离电路355.3 心电信号采集电路仿真355.4 系统调试及结果375.4.
9、1 调试环境及仪器375.4.2 调试中的问题及解决方法375.4.3 调试结果38结论39致谢40参考文献41第1章 绪论1.1 课题的背景及意义 本课题隶属于生物医学工程的范畴，近年来，生物医学工程的发展和成果越来越受到人们的重视，引起了许多专家和学者的关注，它是一门集医学、计算机技术、信息论和控制论为一体的新兴学科，在发展过程中也越来越显示出了其重要的理论意义和实用价值1。其中最为明显的就是它在医学临床的诊断和研究中所发挥的重要作用。作为一门新兴的边缘学科，它不仅推动了医学特别是临床医学的发展，同时也为控制论、信息论及相关的新技术开辟了新的应用领域，并推动和促进了该领域的发展，带来了明显
10、的学术价值和经济效益与社会效益。而人体作为一个复杂的信息系统，其心电、脑电、皮电和肌电等信号直接反映了人体本身各个器官和人心理的变化状况，例如，心电信号实时准确的提取与分析可以监测心脏状况，对病人病况的及时诊断、药物疗效的跟踪有着重要的意义。心脏病作为一种常见多发慢性疾病，由于其病情隐蔽、发展缓慢、发病危险性高的特点，对心脏病患者、特别是中老年患者的危害性极大，威胁着人类的健康和生活。心血管疾病已经越来越成为威胁人类健康的主要因素，及时发现和预防在心血管疾病的治疗中己成为越来越重要的手段。医学实践表明，对于心脏病的防治，最有效的手段就是预防和保健，在对心脏病患者进行经常性监测的基础上，尽早发现
11、异常病变情况，及早进行治疗，以控制病情的进一步发展。因此，对人体生理电信号的实时检测和分析系统的研究就更加迫切，更加具有现实意义。 近年来，随着医学的进步与科学技术的发展，人们对疾病的诊治与健康的保障提出了越来越高的要求，人体心电信号的检测与分析手段在经历了数十年的不断改进与发展之后，取得了长足的进步，在今天的医学领域中越来越显露出其必要性与重要性。心电信号的检测与分析不仅是心脏病自动诊断的重要手段，也是人体其他疾病手术治疗及健康状况检测的重要手段之一。设计一个良好的监护系统，自动监测出心脏的各种心律失常情况，并将心、电信息存贮起来，可以通过计算机的自动回放、打印等手段为医生的诊断提供判断依据
12、，同时也减少了医生的工作量。因此，本系统的研究对于医生和患者都具有十分重要的意义。1.2 课题发展历史及现状 目前，国外先进国家己经在这方面取得了实质性的进展，开始取得了心电监护临床应用的实际效果，并且还在以更高的速度进行实质性的改进和提高。美国和欧洲各国都己经设立了专项基金，来用于资助心电远程监护系统的发展，据2000年的资料统计，欧洲已有50多个国家建立了心电远程医疗系统。其中不乏一些大公司的介入。但是，我国在这方面的研究是从90年代中期才刚开始起步，上海华山、北京协和、北京医院、301医院、中日友好医院等大型医院都引进了国外的先进设备和技术，随着这些年的发展，我国在该领域已有了明显的进步
13、，包括卡迪欧公司、珠海中立电子公司、清华大学等公司和科研机构已经研制出自己的产品，在2003年的重庆高交会上，采用“数字同步式无限道A/D转换”新技术的“十二导人体心电图计算机监测多用途系统”也已经发布投入生产，这表明，我国在该领域的研究已逐步走向成熟，今后的发展会更加完善2。 从20世纪80年代始起，高新科技迅猛发展，国际医学界己进入电脑时代，心电信息高速公路己开通，例如遥测心电图、动态心电图，电话传输心电图、电传心电图、心脏联合监护技术，远程医疗会诊使各种心电信息得以迅速、完整、及时、大量地传送，尤其是多媒体和传真以及被人称为“第四媒体”的网络技术，正以席卷全球的磅礴气势走向我们，震撼着社
14、会的每一个领域，它以方便、快捷、大量信息跨越时空等突出特征，改变着人们的生活和工作，创造了震古烁今的事业，进一步开拓了更大的时域、频域和空间域，使心电信息学又进入一个新的飞跃发展阶段，己能远距离完整传送各种心电信息,显示各种血压、超声、放射、同位素、血流动力学信息等己成为现实。 远程医疗技术是最近10余年，尤其是最近8、9年才发展起来的，在我国却是最近8、9年的事，由于现代通讯技术，电脑技术和医学数字化技术的发展，使远程医疗服务于大众成为可能，网络医院应运而生。以我国中国国家卫生信息网络为例，又名“金卫医疗网络工程”主要采用卫星通讯网络 (VSAT)和国家公用数据通讯网(CHINADDA )渠
15、道，目前己联通省市大城市医院，不久将全部开通、启动“金卫医疗网络”通向任何一家县级医院。 值此21世纪初，我们正步入高新技术飞跃发展的时代，这些理论、新概念、新技术是心电信息学深入发展的原动力。电子仪器发展趋势是高精度、高保真、快速实时显示，检测技术向微观、微创、无创、快速、实时、动态性、整和性、可视化方向发展。可大大加快和提高心电信息高速公路速度，使其更加先进、充实、完善、实用，更好提高心血管病的诊断与治疗质量，将心电信息学数据、曲线、图像高保真、快速输送到已开通的心电信息高速路，并正在逐步推广到各级医院。 21世纪将成为心电信息学高速发展的新纪元，完全可以想象得出，21世纪的医生己不再是听
16、诊器一挂走遍天下，而应是电脑一拿走遍全球的年代。在进入“家庭保健”的时代，必将心电信息及其他相应医药信息高速公路通向家家户户，足不出户即可得到各种有效的监护，在各种网络系统上进行咨询和治疗，在可视化网络系统上进行咨询和治疗即将或己成为现实。1.3 本设计的工作 分析心电数据记录的要求和研究 USB 规范的基础上，提出了对标准导联心电图同步采集并且利用 USB 2.0 接口和主机通信的一种仪器设计方案，论文主要完成以下几个方面的工作：1、总体方案设计： 依据一般心电图仪的结构布置，提出基于 USB2.0 的标准导联心电记录仪的布置。2、前置放大滤波设计：为了获得有效的，干净的心电信号，送入 A/
17、D 进行模数转换，需要前置放大级对信号进行放大滤波，这里采用两级放大结构，G=2532=800，通带范围 0.05 Hz 100Hz，和 50Hz 工频陷波。3、A/D 模块设计：采用了Microchip公司生产的4通道12位的逐次逼近串行A/D转换器MCP3204。4、USB 模块设计：使用 Cypress 公司 EZSB FX2 系列的 CY7C68013 实现对仪器与 PC 的数据传输的控制。43第2章 心电图检测信号概述心电（ECG）信号是一种较微弱的体表电信号，其幅值大约在 0.03mV4mV 范围内，频率主要集中在 0.05Hz100Hz 的范围内，属于低频率、低幅值信号。典型的
18、ECG 信号由六个连续的字母 P、Q、R、S、T 和 U，表述其波峰和波谷，下图2-1是一个典型的心电信号图。图2-1 典型的心电信号图（ECG）2.1 心电信号的特征心电信号作为一种人体的电生理信号，和其它生物电信号一样具有以下一些特征3：1、微弱性：从人体体表拾取的心电信号很微弱，一般只有 0.03mV 4mV。在测量中，对如此微弱的信号，很难进行直接观测和记录，必须通过放大器适当的放大，再输出给显示与记录装置。2、不稳定性：人体电信号处于动态变化之中。由于人体是一个与外界有密切关系的开放系统，加之内部存在着器官间的相互影响，所以，无论来自外部或者内部的刺激，都会使人体因适应这种变化，而从
19、一种状态变化到另一种状态，从而使人体信号发生相应的变化,具有不稳定性和随机性。因此，在对心电信号进行测量、分析和处理时，应该注意到它是随时间变化的信号，应按其频谱特性，选择适当的放大系数和显示记录装置。3、低频特性：人体心电信号的频谱范围主要集中在 0.05 Hz 100Hz，分布的带宽范围有限，其频率是比较低的。2.2 心电信号的干扰源心电信号容易受到外界的干扰，主要的干扰源有3：l 电源线干扰：50Hz 拾波（pickup）和电源干线的谐波；l 电极接触噪声：电极与皮肤接触不均匀引起的基线偏移；l 人为运动：皮肤与电极间阻抗的变化引起基线的变化；l 呼吸引起的基线偏移；l 其他电子设备的电
20、磁干扰；l 从其他电子设备耦合的噪声，通常是高频设备；为了能够获得有用的心电信号，必须对这些信号加以抑制，这些将在前置放大部分讨论。2.3 心电放大器的设计要求由前面可知，心电信号的特征频率低、变化缓、信号弱，记录的条件是信号来自活体，信号源阻抗较高，常伴随着较强的背景噪声和干扰。这使得对心电信号的记录有比较苛刻的要求，主要有以下几个方面4：1、高增益：增益是指放大器增加的信号功率，用以衡量放大器放大微弱信号的能力。由于心电信号非常微弱，一般 0.03 mV 4mV，而心电放大器增益的常规设计要求心电在正常输入（1mV）时，输出电平达到 1V 左右（ADC 的参考电压为 5V），所以心电放大器
21、的电压增益，一般在 80dB120dB 之间。增益以满足最大限度利用 A/D 转换器的允许输入幅值范围为参照。2、高共模抑制比：共模抑制比（CMRR）是衡量心电放大器对共模干扰抑制的一个重要指标，也是克服温度漂移的重要因素。由于心电信号在毫伏级，而且伴有较强的干扰信号，要求心电放大器必须具有好的抗干扰能力，通常采用输入端与地对称差动放大的形式。被测信号加两个输入端，呈差动输入方式，而干扰信号对两个输入端来说则是一种大小相等、极性相同的共模信号。一般心电放大器需要有 90dB 以上的 CMRR，即当心电放大器输入端的共模干扰为 1mV 时，其输出与1V的差动信号相同。3、高输入阻抗：输入阻抗指不
22、接信号源时，存在于放大器输入端的阻抗。心电放大器输入阻抗取决于被测对象的阻抗特性、所使用的电极类型以及与人体的接触面。由于心电信号源阻抗高，而心电信号很微弱，如果心电放大器的输入阻抗不高，那么经过分压后，心电放大器输入端的信号就非常微弱了，心电信号损失严重，而且信号源过负荷使心电信号发生畸变。信号源阻抗与很多因素有关，容易不稳定，就会造成放大器的电压增益不稳定，从而会造成难以修正的测量误差，所以只有较高的输入阻抗，才能确保增益的稳定性。4、低噪声：电噪声是指放大器内部固有的电扰动，是由电阻器等无源器件内部电子的不规则热噪声和晶体管有源器件中载流子不规则的热运动引起的。若心电放大器本身噪声较高，
23、可能会将有用的微弱信号淹没。放大器噪声可用折算到放大器输入端的等效噪声 RTI 来衡量，其定义是放大器输出端的噪声除以放大器的增益。一般要求心电放大器输入噪声在V级。5、低漂移：漂移是指一种装置或系统的某些特性的缓慢变化。前置放大器的零点漂移（主要由温度引起）对整机影响最大，因为这种漂移经中间级和功率级放大，会影响记录，因此要求前置放大器因温度引起的零点漂移尽可能小。采取措施有完全对称的差动放大电路，温度补偿（恒温）以及调制（斩波）型放大器等。6、高安全性：因为要通过电极和人体接触，会有电流流经人体，所以要采用保护电路,确保被检测者的安全。以上这些要求是对一般的心电数据采集系统而言，每一点都是
24、需要考虑的，但是对于不同的系统布置，不同的应用，侧重点有所不同。这些要求主要是针对前置放大部分，这就使得前置放大部分在整个心电数据记录仪的布置中有相当重要的地位。2.4 心电双极肢体导联简介双极肢体导联也叫标准导联，测量的是肢体两点之间的电位差，双极肢体导联有标、导联。图2-2所示为、导联的连接方式。 图2-2 标准、导联连接方式1、标准导联 测定右臂与左臂电极之间的电压差，第 3 个电极（左腿）为中性。导联将左上肢电极与心电图机的正极端相连，右上肢电极与负极端相连，反映左上肢（LA）与右上肢（RA）的电位差。当 LA 的电位高于RA 时，便描记出一个向上的波形；当 RA 的电位高于LA 时，
25、则描记出一个向下的波形。2、标准导联测定右臂与左腿电极之间的电压差。导联将左下肢电极与心电图机的正极端相连，右上肢电极与负极端相连，反映左下肢（LF）与右上肢（RA ）的电位差。当 LF 的电位高于RA 时，描记出一个向上波；反之，为一个向下波。3、标准导联测定左臂与左腿电极之间的电压差。导联将左下肢与心电图机的正极端相连，左上肢电极与负极端相联，反映左下肢（LF）与左上肢（LA ）的电位差，当 LF的电位高于 LA 时，描记出一个向上波；反之，为一个向下波。第3章 心电数据采集系统的总体方案设计3.1 系统的整体方案设计本系统包括心电信号采集电路、USB2.0接口电路、CPLD控制电路、光电
26、隔离、A/D转换等电路，如图3-1所示。图3-1 系统构成该系统用于完成心电(ECG)的模拟信号的拾取、放大和预处理功能。经A/D转换后，将心电信号数据送入PC平台显示、保存和分析5。3.2 系统的设计要求和方案选择3.2.1 系统设计要求根据生物电信号的特征，为了实现精确、实时的采集，该系统应满足以下要求67：l 系统要求数据能够实时传输，以实现实时通信，达到实时监护的目的；l 该系统为低速数据采集系统，仅要求能实现的最高采样频率范围为100KHz；l 针对生物电的低频微弱信号（毫伏级）的特征，要求数据采集模块的放大倍数达到5001000倍；l 待测生理信号处于强噪声背景下，所以要求整个系统
27、将低频噪声、热噪声和工频干扰降到最低；l 为了降低数字信号和模拟信号间的相互干扰，提高系统安全性，系统硬件需要分割为数字电路和模拟电路，电路模块之间由光电隔离电路实现数据通信。3.2.2 信号转换模式的选择通常在设计信号采集系统时，首先根据被测信号的特点及对系统性能的要求，选择系统的结构形式。进行结构设计时，主要考虑被测信号的变化速率和通道数，对测量精度、分辨率、速度的要求等。此外，还要考虑性能价格比等。常见的数据采集系统有多通道共享采样/保持器型数据采集系统、多通道同步型数据采集系统和多通道并行数据采集系统。本系统中选择了如图3-2所示的多通道共享采样/保持器型数据采集系统。图3-2 多通道
28、共享采样/保持器型数据采集模式这种结构形式采用分时复用转换器的工作方式，多路被测信号共用一个采样/保持器和一个转换器。在某一时刻，多路开关只选通其中的一路输入信号，将它接入到采样/保持器的输入端。当采样保持器的输出己充分逼近输入信号时，在控制命令的作用下，采样保持器由采样状态进入保持状态，转换器开始进行模/数转换，转换完毕后输出数字信号。就在转换期间，多路开关将下一路被测信号接通到采样保持器的输入端。系统不断重复上述操作。这种结构简单，所用芯片数量少，它适合于信号变化速率不高，对信号采样同步要求不高的场合。若信号变化速率很慢，也可以不用采样/保持器。如果信号比较弱，混入的干扰信号比较大，则需要
29、放大器和滤波器，对目标信号进行预处理。3.2.3 数据传输模式的选择由于本设计中，需要采集和传输的信号是缓变的低频信号，所以对于本系统的传输速度要求其实并不高，但是必须保证数据传输的准确性。在USB协议定义的四种传输模式中,批量传输具有差错校验,可以保证数据传输的正确性。所以在本例中,选择准确性较高的批量传输方式，并将端点2设成512字节四重缓冲数据缓存器（FIFO），如图3-3所示。USB执行IN传输，外围器件端若有1个FIFO为“半满”，就可以继续发送数据，当前操作的FIFO写“满”时，FX2自动将其转换到USB接口端，排队等待读取；并将外围器件接口队列中下一个为“空”的FIFO转移到外围
30、接口上，供其继续写数据。图3-3 四倍缓冲方式USB接口端与此类似，只要有1个FIFO为“半满”，就可以继续读取数据。当前操作的FIFO读“空”时，FX2自动将其转换到外围器件接口端，排队等候写入；并将USB接口队列中下一个为“满”的FIFO转移到USB接口上，供其继续读取数据。从而大幅提高了数据传输率，最高可达480Mb/s。3.2.4 光电隔离电路的选择在本系统的信号采集电路中,需要将被检测的人体生理信号放大到所要求的强度,考虑到人体安全和抗干扰的因素,要对信号进行有效的隔离。光电耦合器构成的隔离电路结构简单,且隔离效果好。如果将光电耦合电路放置于A/D转换器之前，即对模拟信号进行光电隔离
31、，我们就需要选择高性能的光电耦合器或者增加补偿电路，以满足系统对于信号线性度的要求，并消除温漂的影响，这样既增加了电路的设计难度，又提高了系统成本。所以在本系统中，我们设计将光电耦合电路放置于A/D转换器之后，只需简单的电路就可以实现隔离功能，如图3-4所示。图3-4 控制与A/D转换电路光电耦合器内部的光电晶体管工作在开关状态，因此不受非线性和温漂的影响，从而不会影响整个系统的线性度和精确度。3.2.5 系统芯片的选择我们以系统设计整体方案为指导，根据具体的设计要求，对组成各个功能电路的核心芯片进行了选择，本设计利用CY7C68013作为USB2.0接口芯片；低成本的可编程逻辑器件EPM71
32、28用于完成硬件系统的时序编程和控制信号的产生；综合考虑性能和价格因素，选用MICROCHIP公司生产的MCP3204芯片作为数据采集系统的A/D转换器；对于系统中使用较多的仪表放大器，这里选择了高性能的LF347构成放大、整流和滤波电路；出于对模拟电路的动态范围的考虑，我们使用逆变电源模块SR5D12S5，为整个模拟电路提供5V和12V的电压。在表3-1中列出了整个硬件系统所选则的主要芯片的型号、厂商以及性能等参数说明。 表3-1 系统芯片选择 芯片型号厂商主要性能参数功能性能描述USBCY7C69013CYPRESSMCU增强8051与PC进行告诉数据传输，并控制I/O接口性能高于本系统要
33、求，为换代产品留有扩展空间端点2.4.6.8端点从属FIFO512*4传输速率12480MbpsCPLDEPM7128ALTERAI/O68格式转换和时序控制速度快，I/O和可用门数达到要求可用门2500速度147.1MHZA/DMCP3204MICROCHIP转换精度12位高精度的模数转换精度和速度都满足要求采样率100Ksps通道数4通道放大器LF347AK增益带宽4MHz模拟信号放大 滤波和整流噪声小，频带宽，能够满足生物点检测的高输入阻抗的要求输入阻抗1012 噪声0.1pA电源SR5D12S5 SAPS输入电压4.75V 5.75V电压变换输出电压和电流符合系统要求输出电压12V 、
34、5 V输出电流100mA3.3 系统开发方法和开发工具3.3.1 系统的开发方法在开发的前期论证阶段，利用Protel进行电路原理图绘制和PCB板的设计8，采用Multisim2001进行调试和防真；而CPLD的开发，仿真和调试是借助于ALTERA公司的Quartus II 平台，且采用VHDL语言编写控制程序9，以实现需要的功能。在调试USB接口（CY7C68013）时所利用的是CYPRESS公司提供的CY3681开发套件（EZ-USB FX2 Development Kit）。固件程序采用C51 语言编写，利用Keil C51的uVision2编译器进行编译10。通过CYPRESS公司提供
35、的EZUSB控制面板（EZUSB Control Panel）进行固件代码调试。通过它，可以将编译好的固件代码下载至目标芯片中，并能够详细观察到USB芯片的各种工作参数。3.3.2 系统的开发工具系统开发分为采集设备开发和主机系统开发两部分，采集设备的开发采用CYPRESS公司提供的EZ-USB FX2 Development Kit开发工具，其中包括以下USB2.0系统开发工具：l EZ-USB FX2开发板；l EZ-USB FX2固件库函数和固件框架；l EZ-USB FX2通用设备驱动程序；l EZ-USB FX2固件例程；l EZ-USB FX2控制面板；l EZ-USB FX2文档
36、；l Keil C51软件的一些配套软件和工具。除了EZ-USB FX2 Development Kit提供的工具以外，USB2.0设备控制和信号采集系统开发还需以下工具：l Full Keil Development System；l Microsoft Visual C+ (主机应用程序开发平台)；l Microsoft WDM DDK；l Windows 2000 PC (带USB2.0接口)；l A/D转换器及相关电子元器件若干。驱动程序采用了CYPRESS公司提供的EZ-USB FX2系列芯片的通用驱动程序EZ_USB.SYS，它足以满足本系统的需求，大大简化了整个设计的难度。第4章
37、 USB2.0接口研究与开发4.1 USB接口概要USB（Universal Serial Bus）接口，即通用串行总线接口。作为一种新的外围设备连接技术，它为PC与外设之间的连接提供了一种标准化、单一化的接口方式。它主要具备以下多个特征11：l 快速的数据传输：最新的USB2.0接口，当工作0在高速方式下，最高可以达到480Mb/s的数据传输速度，完全可以满足高速大批量传输的场合，比如数字音频、视频设备中；即使以全速方式工作也可以达到12Mb/s。l 易于扩展拓扑结构：根据USB总线协议规定，通过单个Hub(集线器)可连接多达127个外设。标准的USB电缆长度为5m，通过Hub或中继器可以使
38、传输距离达到30m。l 优秀的电源管理：老式的串口、并口设备都需要额外的供电系统，而USB总线可以提供500mA的电流。USB外围设备处于待机状态的时候，会自动启动省电模式来降低耗电量；当有总线动作时，自动恢复到工作状态，所以，USB接口非常适合电池供电的系统。l 使用灵活：USB支持三种类型的传输速率:1.5 Mb/s的低速传输、12Mb/s的全速传输和480Mb/s的高速传输；四种传输类型：批量传输、同步传输、中断传输和控制传输，这使其能够满足多种外设的需要。l 即插即用：USB支持热插拔，当你接入USB外设时，系统将自动检测到这个新的设备，再给它找到合适的驱动程序，并对其进行自动配置，且
39、不用打开机箱。l 价格低廉：USB的组件与电缆都十分便宜，与以前的接口比较起来，USB接口性能价格比要高出很多。l 良好的兼容性：USB规范具有良好的向下兼容性，如USB2.0的主控制器就能很好地兼容USB1.1的产品。操作系统在检测到全速USB设备接入时，会自动按照12Mb/s的速率进行传输，而其他高速USB设备并不会因为全速设备的连接而减慢它们的传输速率，它们仍可继续使用480Mb/s的速率进行高速传输。USB的众多优势使它的应用越来越广泛，一些业界人士预测，未来的PC将是一个密封设备，所有外设都将通过USB或其他外部接口连接。本课题就是在顺应主流趋势情况下，选取USB2.0接口作为硬件系
40、统的接口模块，并选择了CYPRESS公司推出的USB-FX2系列中的CY7C68013芯片作为USB2.0接口的控制内核。4.2 USB的接口标准1、USB总线协议USB总线实际上是一种查询方式的总线，由主机控制端口初始化所有的数据传输，每条总线可最多传送三个数据包。按照传输前制定的原则，在每次传送开始时，主机控制器发送一个包括描述传输动作的种类、方向、USB设备地址和终端号的USB数据包，这个数据包通常被称为令牌包(token packet)，指引USB设备从解码后的数据包中对应位置取出属于自己的数据。在传输开始时，由标志包来标志数据的传输方向，然后发送端开始发送数据包或进行空操作；而接收端
41、在收到数据包之后，相应地发送一个握手数据包以表明传送是否成功。发送端和接收端之间的USB数据传输路径，可视为主机和设备之间的一个通道，它有数据流通道和消息通道两种类型。数据流通道没有USB所定义的帧结构，而与数据带宽、传送服务类型，端口特性（如方向和缓冲区大小）有关；信息通道即缺省控制通道，它为USB设备的设置、查询状况和输入/输出控制信息提供传输路径。传输预处理中允许一些流通道完成流控制，对于硬件来说，流控制是为了防止数据缓冲区溢出，可以使用不确认握手信号（NAK）限制数据传输的速率。NAK信号结束后，在总线空闲时，将重新尝试之前的传输，流控制机制允许建立灵活的操作计划，从而可使不同性质的流
42、通道同时传送不同大小的数据包。2、USB总线的数据传输模式在USB体系结构中有四种基本的数据传输模式：控制传输、批量传输、中断传输和同步传输。在本课题中，我们选用批量传输方式进行接口通信。批量传输适合于传输大量的，对传输时间和传输速率均无要求的数据。当USB总线带宽紧张时，它会为其它传输类型让出自己所占用的带宽，而其本身将被延迟，这时批量传输的传输速率很低，传输时间也比较长；当USB总线空闲时，它会以很快的速率传输，其传输时间很短。总之，批量传输可以发送大量数据而不会堵塞USB总线，但其传输时间和传输速率得不到保证。另外，它还采用差错控制和重试机制来确保数据传输的正确性。3、USB总线拓扑结构
43、USB总线连接了USB设备和USB主机，USB设备间的物理连接为星型结构。USB集线器是在星型结构的中心，节点之间以点到点方式连接（从主机到集线器或其功能部件，或从集线器到集线器或其功能部件），在图4-1中我们可以看出，在USB总线的拓扑结构主要包括USB主机和USB设备两部分。图4-1 USB总线拓扑结构l USB主机：在整个USB系统中只允许有一个主机。主计算机系统的接口称USB主控制器，这里USB主控制器可以是硬件、固件或软件的联合体。而根集线器是集成在主机系统中的，它可以提供一个或更多的接入端口。l USB设备主要包括以下两个部分：集线器：提供用以访问USB总线的更多的接入点。功能设备
44、：向系统提供特定的功能，如ISDN连接设备、鼠标、显示器等。一个USB设备要正常工作，必须满足以下条件：支持USB协议、可以对诸如配置和复位等标准的USB操作做出响应、具有标准的描述符消息。4、USB总线通信原理一个主机和设备的简单连接需要一系列的层次和实体之间的交互，USB总线接口层在主机和设备之间提供物理、信号和包的关联；USB设备层表示USB系统程序实现对一个设备进行的USB操作；功能层通过匹配的客户服务程序层提供附加的功能给主机。设备和功能层中各自都有逻辑通信，但实际的USB数据传输是通过USB总线接口层来实现的，如图4-2所示。图4-2 USB主机和设备的交互结构在应用程序与一个设备
45、通信之前，主机需要知道设备支持哪些传输类型和终端，也必须分配一个地址给设备，主机通过一个被称为列举（Enumeration）的信息交换来完成这些工作。4.3 USB2.0接口硬件电路设计4.3.1 USB2.0接口芯片CY7C68013 在本设计的接口电路中,我们选择Cypress公司的EZ-USB FX2系列USB总线接口控制芯片中的CY7C68013为核心,其内部结构如下图4-3所示。该协议控制芯片内含一个增强型8051微控制器,负责对整个USB总线的通信过程进行控制以及通信中的任务调度；另外其中还包括一个USB串行接口引擎(SIE-Serial Interface Engine),以及I
46、/O端口、RAM、FIFO、定时器和锁相环（PLL）等部分12。图4-3 CY7C68013芯片内部结构图采用CY7C68013接口芯片使设计更加灵活,方便升级。它同时支持USB1.1和USB 2.0规范,只需要在软件配置方面稍作修改, 即可从USB 1.1(12M b/s)升级到USB 2.0 (480M b/s)。此外,该USB总线接口控制芯片的配置具有极大的灵活性,对于不同的应用,其硬件设计也没有太大区别,即使将来用户的需求出现较大变化,也只需修改软件即可满足需要,真正实现了所谓的“Soft Solution”。具体表现在：PC读取数据和接口板的控制是通过应用软件实现的；USB总线接口控制芯片CY7C68013的运行控制是通过嵌入式的增强的8051微控制器实现的。它的运行代码在每次启动时,通过USB总线从PC端下载到芯片的RAM中执行,要改变芯片的运行方式,只需修改PC端的下载代码即可。这样系统软件修改和功能升级更加灵