（毕业论文34页15362字）摘要：由于USB具有热拔插、即插即用、速度快等特点，非常适合用于脉搏采集系统与主机的通信。针对把微弱的脉搏信号转换为电信号，并且进行相应处理，使系统能够实时的反应脉搏波形的问题，本系统设计严格遵循 USB2.0 协议，采用Cypress 公司生产的内核兼容型的高性能USB2.0单片机CY7C68013作为微控制器并结合高性能模数转换器AD9220采集信号。本文详细介绍了基于USB的脉搏数据采集系统的设计与实现，包括脉搏传感器的选用、ADC的选用、微控制器和 USB 接口芯片的选择及其应用以及电路的连接、固件程序、应用程序的具体设计等，对 USB2.0协议也进行了必要的描述。本系统中单片机系统主要完成信号采集、数据通信；微机完成数据接收、数据处理、显示等功能。软件上采用C语言编写固件程序以及VC++编写应用程序。

关键词：USB；AD9220；脉搏；固件
 
A Design of Pulse-Data-Acquisition System Based on USB

Abstract: Because of USB support hot plug function and on plug and play, and its desirable characteristics of fast speed, USB interfaces are quite suitably applied as communication interfaces between host computer and pulse-data-acquisition system. Aiming at transforming the faint pulse signal to electric signal and processing it and the system responding the real-time pulse image, this System based on USB technique strictly follows USB2.0 protocol. It use high performance USB2.0-microcomputer CY7C68013 of kernel compatible witch 8051 and the MCU is in combination with high performance ADC AD9220 to sample the signal. The article expounds on the design and realization of pulse-data-acquisition system based upon USB technique. It consists of the selection of pulse sensors, the ADC, the choice and utilizations of USB interface chip, connection of circuit, the detail of the device firmware, and applications, etc. A necessary description of USB2.0 protocol is also presented here. In this system, MCU focuses on sampling signals and data communication, and computer completes data acceptance, data processing, display and other functions. The firmware is designed by C51 language and the application adopts VC++ language.

Keywords:  USB, AD9220, Pulse, Firmware
目录
第1章  绪论 1
1.1  课题背景 1
1.2　USB技术概述 1
1.2.1  USB技术的发展 1
1.2.2  USB 技术三要素 2
1.3  脉搏等生理信号及其前置放大器特点概述 2
1.4  本课题的目的和意义 3
1.5  本文研究的主要内容 3
第2章  系统方案设计 4
2.1  系统总体方案设计 4
2.1.2  信号采集模块 4
2.1.2  USB接口模块 4
2.2  器件的比较选择 7
2.2.1  传感器的比较选择 7
2.2.2  ADC的比较选择 8
2.3  软件设计方案 9
第3章  硬件分析与设计 10
3.1  AD9220及其应用 10
3.1.1  AD9220的使用条件以及数据计算 10
3.1.2  AD9220外围电路设计 11
3.2  放大滤波电路 12
3.3  系统的供电 14
3.3.1  +5V、+9V、-5V电压的设计 14
3.3.2  +3.3V电压的设计 15
3.4  上位机接口电路设计 16
3.4.1  USB2.0协议介绍 16
3.4.2  USB单片机CY7C68013及其应用 19
第4章  软件分析与设计 21
4.1  固件程序设计 21
4.1.1  CY7C68013固件概述 21
4.1.2  CY7C68013框架函数 21
4.2  应用程序设计 23
4.2.1  功能描述 23
4.2.2  主要函数介绍 24
4.3  应用程序流程图 25
第5章　电磁兼容性以及抗干扰设计 26
5.1  硬件抗干扰措施 26
5.2　软件抗干扰 26
结论 27
致谢 28
参考文献 29
 
第1章  绪  论
1.1  课题背景
USB，中文名为通用串行总线，是由众多计算机厂商和电讯厂商共同开发的用于计算机外设连通到计算机的规范。它被设计用来解决安装计算机外设时遇到的种种技术性问题，较传统接口，该接口具有安装方便、高带宽、易于扩展等优点。随着规范的发展，USB技术和USB设备的应用在国内外都处于高速发展的阶段，在瞬态信号测量、图像处理、音频信号处理、生理信号检测等一些高速、高精度的测量中，USB接口都体现出了它的优势，并在现实中得到了成功广泛的应用。这方面的产品将具有广阔的市场前景。
1.2　USB技术概述
USB 是一种新接口，其结构简单，突破旧接口的限制，不仅具备快速的通信速度，而且其弹性令它可以取代各种外围设备所使用的接口，在各种计算机外围接口不断推陈出新的今天，USB正日益显示出其优越的特性及地位。
1.2.1  USB技术的发展
USB(Universal Serial Bus)，即通用串行总线，是众多计算机厂商和电信厂商共同开发的用于计算机外设连通到计算机的规范。1995 年，由Compaq、Digital Equipment、IBM、Intel、Microsoft、NEC和Northern Telecom等七家著名计算机和通信公司组成联盟，并成立了USB论坛，花了近两年的时间形成统一标意见，于1995年11月正式制定了USB0.9规范，1997年开始才有真正符合标准的外设出现。USB1.1是目前推出的在支持USB的计算机与外设上普遍采用的标准。
1999年初Intel的开发者论坛大会上，与会者介绍了USB2.0规范，该规范的支持者在原来Compaq、Intel、Microsoft和NEC4的基础上增加了惠普、郎讯、和飞利浦。USB2.0标准向下兼容USB1.1，数据的传输速率将达到120Mb/s~240Mb/s，还支持宽带宽数字摄像设备及下一代扫描仪及存储设备。
USB被设计用来解决安装计算机外设时遇到的种种技术性问题，并且符合Microsoft的即插即用规范，支持热插拔，而且它能以菊花链的方式同时连接 127 个外设，USB总线能提供两种传输速度 1.5Mbps和12Mbps，并且能向外设提供最大 500mA的电流。
1.2.2  USB 技术三要素
主机(Host)：实际上就是 USB 连接的拓扑中心，是所有计算机 USB 设备的集合点，具有 Host 功能的硬件叫做 USB 主控器(USB host controller)。
集线器(Hub)：允许 USB 设备共享一个 USB 主控器(USB host controller)。计算机后面板上的 Hub 被称为根集线器(root Hub)另外扩展 USB 集线器(External USB hubs)能够让计算机连接更多外设。
功能(function)：就是指的USB设备。每一个USB设备都提供一种功能，当然，多功能USB设备也就能提供多种功能了。
1.3  脉搏等生理信号及其前置放大器特点概述
1、高输入阻抗
生物信号源本身是高内阻的微弱信号源，通过电极或传感器提取又呈现出不稳定的高内阻源性质。信号源阻抗不仅因人而异、因生理状态而异，而且在测量时与电极（传感器）的安放位置、电极本身的物理状态都有密切的关系，源阻抗的不稳定性将使放大器电压增益不稳定。再者，理论上源阻抗是信号频率的函数、电极阻抗也是频率的函数，变化规律都是随频率的增加而下降。如果放大器输入阻抗不够高（与源阻抗相比），则造成信号的低频分量的幅度减小，产生低频失真。电极阻抗还随电极中电流的密度的大小而变化。小面积电极在信号幅度变化时，电极电流密度变化比较明显，相应的电极阻抗会随信号幅度的变化而不同，即低幅度信号的电流密度小，电极阻抗大。如果人体在运动的情况下，电极和皮肤接触压力有变化，人体组织液和导电膏的离子浓度也有变化。
2、共模抑制比
为了抑制人体所携带的工频干扰以及所测量的参数外其他生理信号的干扰，CMRR值是放大器的主要指标。生物电放大器的CMRR值一般要求60dB—80dB ，高性能的放大器的CMRR还要高。
3、噪声、低漂移
由于生物电信号幅值仅在微伏、毫伏级，因此放大器前置的这项指标是重要。高阻抗源本身就带来相当可观的热噪声，使输入信号的质量很差。所以为获得一定信噪比的输出信号，对放大器的低噪声性能有严格的要求。理想的生物电放大器，能够抑制外界使其减弱到和放大器固有噪声同一数量级。这样，放大器内部噪声实际上使放大器能够放大的信号有个下限，也就是说放大器的噪声电平成为放大器设计的限制性条件。放大器的低噪声性能主要取决于前置级，正确的放大器的增益分配，在前置级的噪声系数较小时可以获得良好的低噪声性能。
1.4  本课题的目的和意义
本课题的目的是研究USB协议与脉搏数据的采集，掌握USB的通信原理和数据采集卡的设计，从而实现数据的高速传输；另外，从脉搏诊断的数字化入手，采集并重现脉搏波形。该系统体积小，操作简单，可以为医生的诊断与分析提供技术手段。
1.5  本文研究的主要内容
1、脉搏数据采集系统的硬件设计。根据脉搏信号的特点以及USB传输的要求，本文所研究的具体内容脉搏信号放大滤波电路的设计、AD电路的设计以及硬件接口以及USB接口的设计。
2、EZ-USB FX2单片机的固件编程，实现USB功能。由于采用FX2固件框架，因此本文中研究了初始化函数TD_Init()以及USB挂起函数TD_Poll()的编写，以实现CY7C68013对AD数据的采集以及发送。
3、应用程序的编写，实现脉搏波在PC机上的显示。针对显示脉图的问题以及脉搏波波形特点，本文研究了基于对话框的VC++程序，其中包括画图子函数、识别设备子函数、定时器响应子函数以及计算子函数等的编写。