基于USB的多通道生理信号采集系统的设计（毕业论文３７页、１６０３９字）
摘要：为了满足生物医学工程专业教学、科研、临床检查和监护的需求，同时促进医疗电子仪器的普及和家庭化，研究开发便捷高速的生物医学电子仪器具有重要意义。本论文设计实现了基于USB的多通道生理信号数据采集系统，包括ADC的选用和 USB 接口芯片的选择以及电路的连接、固件程序、应用程序的具体设计等，将采集放大后的四路生理模拟信号通过转换器AD7862转换为数字信号后，由USB控制芯片CY7C68013控制传输到PC机，PC机处理数据并显示出不同生理信号波形图。本系统中单片机系统主要完成信号采集、数据通信；PC机完成数据接收、数据处理、显示等功能。
关键词：USB；多通道；生理信号；固件设计
The Design of Multi-channel Physiological Signal Acquisition System Based on USB
Abstract: In this paper, a kind of multi-channel physiological signal acquisition system based on USB 2.0 was designed, including the choice of ADC and USB chip, as well as the design of circuit, firmware program and application program. Based on the studying on former products and combining design requirement of this system, the systematic design plan was made and the design of hardware and software was accomplished. Four kinds of physiological analog signals were transformed into digital signals by AD7862, then they were transmitted into computer, finally the wave shape drawing of each signal was displayed in computer. In this system, signal collecting and data traffic were achieved by single chip, and the incepting, processing and display of data were achieved by computer.
Key words: USB, multi-channel, physiological signal, firmware design
目 录
第1章 前言 1
1.1 选题依据及研究意义 1
1.2 课题研究现状 2
1.3 本课题主要研究内容 3
第2章 系统总体方案设计 4
2.1 系统概况 4
2.1.1 生理信号处理模块 4
2.1.2 生理信号采集模块 4
第3章 系统硬件电路分析与设计 6
3.1 AD的选择与分析 6
3.2 USB控制芯片的选择 7
3.3 系统硬件电路设计与分析 10
3.2.1 CY7C68013通信接口电路设计与分析 11
3.3.2 复位电路、晶振电路及电源电路的设计与分析 12
第4章 系统软件设计 14
4.1 系统软件设计方案 14
4.2 USB与上位机接口通信 14
4.3 USB接口固件程序设计 17
4.3.1 芯片初始化 19
4.3.2 外设功能子函数 21
4.4 应用程序设计 23
4.2.1 数据采集模块设计 24
4.2.2 用户界面模块设计 26
4.2.3 波形显示模块设计 26
第5章 软硬件调试 28
5.1 硬件调试 28
5.2 系统综合调试 28
结 论 30
致 谢 31
参考文献 32
附录 33
第1章 前言
1.1选题依据及研究意义
生物医学仪器对提高医学水平，促进医学科学的现代化发挥了关键性的作用。信息处理系统被视为医学仪器的核心，它决定仪器性能的优劣、精度的高低、功能的多少，可以说医学仪器自动化、智能化的发展完全取决于信息处理系统技术进步的程度。
在生物医学数据采集仪器的设计和开发中，目前常用的是通过ISA或是PCI等内置式接口实现PC机与外围系统间的通信。现有的数据采集卡一般都通过系统总线也就是I/O通道总线或微型计算机总线和上位机PC系统插槽上的各扩充板卡相连，内置于PC机内。系统总线一般有以下几种标准:PCI, ISA和EISA等，其数据地址不同，以适应不同的应用系统。虽然他们的传输速度比较快，分别为132Mb/s, 16Mb/s和32Mb/s，但由于PC接口资源有限且需要对接口卡的硬件资源(I/O地址、内存、中断、DMA)进行合理的配置，以避免资源冲突。常会出现一块或多块插卡因无法合理配置而不能正常工作的情况，严重时可导致系统崩溃；实际上，这是一项相当艰巨的任务，即使一些专业人士，有时也很难一次配置成功。另外：
1.内置式插卡容易受到PC机箱内高频信号的干扰影响，从而降低系统的采样精度和稳定性；
2.计算机主板上的插槽个数是有限的，仪器电路插卡的安装必须断电、打开机箱操作，很不方便；
3.接口插卡的质量高低、兼容性和标准性的程度以及驱动软件的可靠性直接影响计算机的寿命和系统的稳定性；
4.像笔记本之类的小体积PC很难用接口插卡进行扩展；
5.接口卡设备驱动程序的安装、调试甚至正常运行的过程仍需要各种技术支持；
6.现在的电脑主板已经取消了ISA插槽。
而通用串行总线(Universal Serial Bus，即USB总线)是1995年康柏、微软、IBM、NEC等公司为解决传统总线不足而推广的一种新型的通信标准。首先其总线供电方式可以为整个系统提供＋5V的电源；12Mbps和1.5Mbps的传输速度可以分别满足不同设备的需求，而这里选用的USB2.0接口的速度可以高达480Mb/s，完全可以满足系统对大数据量、实时传输的要求；况且使用USB接口可以采用星型拓扑结构，将USB端口扩展到127个外设；其特有的即插即用功能、低廉的成本和支持热插拔的特性、使得用户可以随时随地将系统轻松地接入上位机，大大扩展了系统的应用范围和工作环境。
该总线接口具有安装方便、高带宽、易于扩展等优点，基于USB2.0的高速数据采集系统能有效解决传统方法的缺陷，已逐渐成为现代数据传输的发展趋势。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，USB2.0接口都体现出了它的优势，这方面的产品将具有广阔的市场前景，USB2.0接口现已成为国内外研究设计的热门。
综上所述，USB对于数据传输具有非常重要的意义。掌握USB接口的电气特性与协议等规范，对今后开发新的USB外设，建立计算机与外界之间的数据通信有着很重要的作用。
由于我国人口十分众多，医疗仪器有广阔的市场。随着我国经济不断发展，中国己成为全球医疗仪器十大新兴市场之一，但在全球医疗器械市场1570亿美元的销售额中，我国医疗器械工业总产值仅占2%左右，勿庸置疑，随着人们生活质量的提高，生物医疗仪器将逐渐走向家用，发展空间巨大。
生物医学数据采集系统主要应用于医学类专业生理、药理和病理生理学的试验教学以及相应学科的科研工作。目前国内外己有的此类产品存在价格昂贵、灵活性差、难以满足特定的试验需要等不足。为了更好的满足生物医学工程专业的试验教学和科研的需要，基于USB2.0接口的生物医学信号数据采集系统的研究和设计工作是十分必要的。
1.2 课题研究现状
生物医学仪器的研制是生物医学工程中的一个重要组成部分。目前，生物医学仪器朝着小型化、集成化、数字化、智能化以及无创化发展，检测仪器既能获得病理的诊断依据，又可以实现生理的功能性测量。
由于医学研究、医学诊断及医学治疗的需要，现代化的生物医学仪器进入了以计算机为主题的阶段。电脑化信息处理日益广泛应用于医学的教学、科研以及临床检查、监护等。目前，USB数据采集技术在国外已处于高速发展阶段。尤其是在高数据传输速度、高实时性、高同步性等方面有雄厚的技术实力。从事USB数据采集器开发的企业公司也很多，他们投入市场上的产品得到了广大用户的认可，主要产品有DATX公司DT9800系列产品，美国Ocean Optics公司的ADC1000-USB等。国外很多公司与厂商都投入巨资进行数据采集系统的研制开发与生产销售，其中比较著名的有NEFF, IOTECH, NI, HP, TEK, ZONIC和V MIC等。它们不断推出各种性能优异、种类齐全的产品，目前国内使用的高性能数据采集产品多出自这些公司。国外产品进入我国市场较早，但就当前市场而言，并没有占据市场的主要份额，主要原因是高昂的价格和非汉化的操作界面使其推广受到限制。
近两年，USB数据采集器的开发在国内已经起步，并迅速发展，水平不断提高。市场上的主要产品有北京优采公司的UA300系列、四川拓普公司的UDAQ10016等。这些产品以价格优势占据市场主导。但是与国外同类产品相比，国内USB数据采集器性能指标有较大的差距，这主要表现在以下几个方面:
①大部分产品仍采用的是USB1. 1协议，而国外产品则早已采用USB2. 0规范。
②数据采集频率低，精度和分辨率低，数据处理能力差。
③存储容量小；软件功能不够完善，使用不方便。
在国内，由于历史、技术等原因，这类产品还存在诸如通用性差、种类不全等缺陷，无法满足用户的不断增长的需要，还不能与国外产品抗衡，此类产品有成都泰盟公司推出的Biolab。
基于以上原因，国内各科研单位及数据采集器生产厂家正积极跟踪国外最新技术，不断提高USB数据采集器的产品性价比,力争保持国内产品低价位的同时达到国外产品的高品质，为国内测控事业的用户提供高品质的选择。
1.3 本课题主要研究内容
本论文需完成多通道生理信号采集系统的硬件设计以及波形显示软件系统。四路生理信号通过生理信号传感器采集并进行放大、滤波电路等处理（由其他同学毕业设计完成），再由AD转换器转换成数字信号，经USB控制芯片传输到PC机，PC机将数据处理成波形。本设计主要完成三部分内容：AD转换，USB接口固件设计和波形显示程序的开发。
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