2024年5月16日发(作者：薛夏青)
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计算机测量与控制．２００７．１ ５（４）
・
４９８・
Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆Ｃｏｎｔｒｏｌ
设鞭与藏
文章编号：１６７１—４５９８ｌ ２００７ Ｊ０４—０４９８—０３ 中图分类号：ＴＮ９１９ 文献标识码：Ａ
多通道心电测试仪的ＵＳＢ２．０计算机接口设计
韩海亮，苏绍螺，王跃科，王湘祁
（国防科技大学机电工程与自动化学院仪器科学与技术系，湖南长沙４１００７３）
摘要：针对多通道心电测试仪对ＰＣ机接口提出的高数据传输带宽的要求，采用ＵＳＢ２．０规范推出的４８０Ｍｂｐｓ的高速数据传输模式，
介绍了一种以数字信号处理器ＡＤＳＰ２１８８为外部微控制器，以ＥＺ－－ＳＸ２系列ＵＳＢ接口芯片ＣＹ７Ｃ６８００１为接口控制芯片的ＵＳＢ２．０数据
传输接口设计方法，并对软硬件设计上的关键技术作了详细的论述；经过测试，该接口的数据传输速率很好的满足了测试仪对传输带宽
提出的要求，获得了实际运用。
关键词：ＵＳＢ２．０；数据传输接口；计算机测控
Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ＵＳＢ２．０ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｏｆ Ｍｕｌｔｉ－－ｃｈａｎｎｅｌ
Ｃａｒｄｉｏｇｒａｐｈ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ
Ｈａｎ Ｈａｉｌｉａｎｇ，Ｓｕ Ｓｈａｏｊ ｉｎｇ，Ｗａｎｇ Ｙｕｅｋｅ，Ｗａｎｇ Ｘｉａｎｇｑｉ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｎｉｖ．ｏｆ Ｄｅｆｅｎｓｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００７３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａ￣：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｍｕｌｔｉ—ｃｈａｎｎｅｌ ｃａｒｄｉｏｇｒａｐｈ ｔｅｓｔｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｗｉｄｅ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｏｆ ｄａｔａ—ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ
ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｏｆ ＰＣ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ．ａｄｏｐｔｉｎｇ ＵＳＢ２．０’Ｓ ４８０Ｍｂｐｓ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｄａｔａ—ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ＂ｍｏｄｅ，ａ ｄａｔａ—ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ
ＵＳＢ２．０ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｉｃｒｏＤｒｏｃｅｓｓｏｒ ＡＤＳＰ２１８８ ａｎｄ ＵＳＢ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｃｈｉｐ ＣＹ７Ｃ６８００１ ｏｆ ＥＺ—ＳＸ２ ｓｅｒｉｅｓ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．ａｎｄ ａ ｄｅｔａｉｌ ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ ａ—
ｂｏｕｔ ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｎ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｓ ｍａｄｅ．Ａｆｔｅｒ ｔｅｓｔｉｎｇ・ｔｈｅ ｄａｔａ—ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｗｅｌｌ ｓａｔｉｓｆｉｅｓ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｄ
ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ａｎｄ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＵＳＢ２．０；ｄａｔａ—ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ；ｃｏｍｐｕｔｅｒ－－ｔｅｓｔｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
Ｏ前言
心室晚电位（㈣是指发生在心电图ＱＲＳ波末端并延伸至
ＳＴ段内的一种微伏级的高频低幅异常心电信号，它与恶性室性心
率失常有着密切关系。心室晚电位的检测对心脏疾病的预防和诊
断有着重要的临床价值，多通道心电测试仪主要就是采集、处理
这种信号。目前研制的心电测试仪的总通道数已经由最初的２４道
升级到了１２８道。由于通道数增多，采集速度加快，使得单位时
图１系统示意图
间内采集的数据量大大增加，这就对信号测试仪与ＰＣ机之间的
数据传输接口的传输带宽提出了很高的要求。随着ＵＳＢ２．０规范
度的周边设备都可被连接到ＵＳＢ２．０的线路上，并且高带宽使
的推出，ＵＳＢ２．０数据传输接口以其４８０ Ｍｂｐｓ的高速数据传输模
得更多的设备无需担心数据传输时会发生瓶颈效应。ＵＳＢ２．０
式，很好的满足了这一要求；同时，ＵＳＢ２．０接口的即插即用和支 可使用原来ＵＳＢ定义中同样规格的线缆，接头的规格也完全
持热插拔的特殊性能也是其它传输接口所不具备的。整个心电测
相同；在高速的前提下同样保持了ＵＳＢ１．１支持热拔插等的特
试系统图如图１所示。 点，也保证了向下兼容性。
１ ＵＳＢ２．０技术规范介绍［１］
ＵＳＢ２．０中的“增强主机控制器接口”（ＥＨＣＩ）定义了一
新一代的标准ＵＳＢ２．０规范在现行的ＵＳＢ１．１规范上增加
个与ＵＳＢ１．１相互兼容的架构，它可使用ＵＳＢ２．０的驱动程序
了高速数据传输模式（４８０ Ｍｂｐｓ）。高速数据传输模式的速率
驱动ＵＳＢ１．１设备，所有支持ＵＳＢ１．１的设备都可直接在
比ＵＳＢ１．１标准定义的中速快４Ｏ倍左右，这使得具有多种速
ＵＳＢ２．０的接口上使用而不必担心兼容性问题，而且像ＵＳＢ
传输线、插头等附件也都可直接使用。
收稿日期：２００６—０６—１３； 修回日期：２００６一Ｏ７—２Ｏ。
２系统的硬件结构设计
基金项目：国防科技大学人才基金资助项目（２００６０３０３０１）。
整个ＵＳＢ２．０接口的硬件结构主要用到三类芯片，分别
作者简介：韩海亮（１９８２一），男，浙江省湖州市人，硕士，主要从事数
是：外部微控制芯片、译码芯片和ＵＳＢ接口芯片。
字化测试技术方向的研究。
（１）外部微控制芯片：在心电测试仪中因为数据传输量
王跃科（１９５７一），男，教授，博士生导师，国务院学科评议组委员，仪
大，为了防止数据在传输时被堵塞进而导致数据的丢失，设计
器仪表学会理事。长期从事数字化测试、军用测控领域的研究。获军队
过程中期望能采用具有大容量存储空间和高速数据处理能力的
科技进步奖、发明专利多项。
数字信号处理器作为外部主控芯片以起到数据缓冲和高速处理
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ｃｈｉｎａｍｃａ．ＣＯＩＴＩ
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第４期 韩海亮，等：多通道心电测试仪的ＵＳＢ２．０计算机接口设计
ＵＰ、ＵＳＢ
—
・ ４９９ ・
Ａ０、ＵＳＢ
—
—
的作用，从而有效地消除数据传输瓶颈。经综合考虑，这里选
择ＡＤ公司的２１系列芯片ＡＤＳＰ２１８８。
（２）译码芯片：译码芯片主要完成译码逻辑，这里选用
Ｌａｔｔｉｃ公司生产的ＣＰＬＤ芯片ＩＳＰ２０３２ＶＥ。该芯片性价比高，
ＲＳＴ、ＵＳＢ
—
ＣＳ、ＰＫＴＥＮＤ、ＵＳＢ
Ａ１、ＵＳＢ Ａ２、Ｄ１３、Ｄ１４、Ｄ１５。
（２）ＩＳＰ控制方程式：
①ＵＳＢ ＣＳ＝Ａ５＋Ａ４＊Ａ３＋ＩＯＭＳ
②ＳＬＯＥ－－Ａ５＋Ａ４＋Ａ３＋ｌ０ＭＳ
③ＳＬＲＤ＝Ａ５＋Ａ４＋Ａ３＋１０ＭＳ＋ＲＤ
功耗低，编程简单。
（３）ＵＳＢ接口芯片：从芯片的总体构架来划分，现有的
ＵＳＢ控制器芯片可以分为不需要外接微处理器的芯片和需要
外接微处理器的芯片。不需要外接微处理器的芯片又可以分为
④ＳＬｗＲ＝Ａ５＋Ａ４＋！Ａ３＋１０ＭＳ＋ｗＲ
⑤ＵＳＢ Ａ２一Ａ２
ＵＳＢ接口专用芯片和嵌入通用微控制器内核的芯片。
需要外接微控制器的芯片，只处理与ＵＳＢ相关的通信工
作，而且必须由外部微控制器对其控制才能正常工作，所以这
些芯片必须提供一个串行或并行的数据总线与微控制器进行连
接。此外，还需要一个中断引脚，当数据收到或发送完，这个
中断引脚会向微控制器发出中断请求信号。其优点是芯片价格
便宜，而且便于用户使用自己熟悉的微控制器进行开发，应用
更加灵活。
在整个心电测试系统中，ＵＳＢ接口是信号采集板和ＰＣ主
机的数据传输中介，它主要完成三方面的工作：①与信号采集
板通讯，从信号采集板中取得数据；②与ＰＣ主机通讯，把从
信号采集板接收到的数据上传给ＰＣ主机；③从ＰＣ主机获得
命令字，并作相应的判断完成特定的功能。据此，这里采用
Ｃｙｐｒｅｓｓ公司生产的需要外部微控制器的ＥＺ—ＵＳＢ ＳＸ２系列
ＵＳＢ接口芯片ＣＹ７Ｃ６８００１，通过对外部主控制器ＡＤＳＰ２１８８
的编程来控制ＣＹ７Ｃ６８００１完成上述三项功能。
其中ＣＹ７Ｃ６８００１实现了高速ＵＳＢ和最初ＵＳＢ规范的物
理层和数据协议层的任务，其内部集成的串行接口引擎
（ＳＬＥ）控制完成所有ＵＳＢ协议层的功能，这些功能包括同步
方式的识别、并行／串行转换、位填充／解除填充、ＣＲＣ校验／
产生、分组标志校验／产生、地址识别和握手评估／产生。这些
功能完全由硬件来实现而不需要固件的参与口］。
ＵＳＢ２．０接口电路主芯片的连接示意图如图２所示。
Ｄ［８－２３１ ：ｌ ： ＶＤｆｏ－ｚｓｊ
ｏ－ｓ】 ｅＡＩｏ－２ｌ
Ｊ嗍 船用暇
ＲＤ 豇皿
ＷＲ ＳＬＲＤ
Ｌ
Ｐｐ６ ＲＥＡＤＹ
聃 删
ＡＩ｝ＳＰ２１８８ ＣＹ７Ｃ６３０ｏ１
图２主芯片连接示意图
ＣＹ７Ｃ６８００１通过１６根并行的数据总线与ＡＤＳＰ２１８８相
连。通过ＩＳＰ２０３２ＶＥ的地址译码，ＣＹ７Ｃ６８００１的读写地址被
映射成ＡＤＳＰ２１８８的Ｉ／０端口，这样就使得外部控制器对
ＵＳＢ接口芯片的读写操作等同于对外部控制器的Ｉ／Ｏ端口的
操作，极大的简化了电路设计和软件编程。
ＩＳＰ２０３２ＶＥ的译码方程如下：
（１）ＩＳＰ输入／输出管脚说明：
①输入管脚：１０ＭＳ、ＲＤ、ｗＲ，Ａ５，Ａ４、Ａ３、Ａ２，
Ａ１、Ａ０、ＵＳＢ
—
ＩＮＴ、ＵＳＢ
—
ＲＤＹ、ＵＳＢ
—
ＦＬＡ、ＵＳＢ
—
ＦＬＢ、ＵＳＢ
ＦＬＣ；
—
②输出管脚：ＰＦ４、ＰＦ６、ＳＬｗＲ、ＳＬＲＤ、ＳＬＯＥ、ＷＫ—
⑥ＵＳＢ—Ａ１一Ａ１
⑦ＵＳＢ—Ａ０一Ａ０
⑧）ＰＦ４＝ＵＳＢ ＩＮＴ
⑨ＰＦ６＝ＵＳＢ—ＲＤＹ
整个接口电路是由ＰＣ机通过ＵＳＢ接口电缆的ＶＢＵＳ线
提供电源，电源大小为５ Ｖ；而ＡＤＳＰ一２１８８、ＩＳＰ２ｏ３２ＶＥ、
ＣＹ７Ｃ６８００１的工作电压都为３．３ Ｖ，所以电源电压需转换为工
作电压，转换电路图如图３所示。
图３电压转换示意图
为了预防ＤＳＰ的程序运行时出现“跑飞”现象，专门为
ＤＳＰ设计了一个看门狗电路，其硬件原理图如图４所示。
图４看门狗电路
ＤＳＰ需定时给ＡＤＭ７０６的ＭＤＩ管脚输入脉冲信号，否则
ＡＤＭ７０６将在ＲＥＳＥＴ管脚产生一个复位信号，使得ＤＳＰ复
位，程序从新执行。在ＤＳＰ的程序中，可以每隔一定的执行
时间添加一条语句：ＴＯＧＧＬＥ ＦＬ２，即给ＡＤＭ７０６一个脉冲。
一
旦程序跑飞，ＡＤＭ７０６的ＭＤＩ管脚将不能定时获得脉冲信
号，从而使得ＤＳＰ复位，并从新执行程序，这样就有效的处
理了程序“跑飞”现象。
３系统的软件设计
系统的软件设计主要分为固件设计、驱动程序设计、应用
软件设计。
其固件流程与ＵＳＢ１．１规范基本上一致，如图４所示。
ＵＳＢ２．０规范采用微帧结构。在高速模式下，每帧被分为
１２５个微帧，主机每隔一个微帧发出一个ＳＯＦ数据包（Ｓｔａｒｔ
ｏｆ Ｆｒａｍｅ），最大有效载荷包是５１２字节，该最大有效载荷只
有在高速模式下才有效［３］。其设置是通过在ＣＹ７Ｃ６８００１的枚
举过程中对寄存器ＲＥＧ—ＥＰ２ＰＫＴＬＥＮＨ、ＲＥＧ一
ＣｎｌｎａｍＣａ．ｃｏｍ
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・
５００・ 计算机测量与控制 第１５卷
统能够识别ＵＳＢ设备，并建立起主机端和设备端之间的通讯。
Ｗｉｎｄｏｗｓ平台下的ＵＳＢ设备驱动必须遵循微软在Ｗｉｎｄｏｗｓ９８
和更新的版本中为用户定义的Ｗｉｎ３２驱动模型（ＷＤＭ）［３３。
此处采用了阶层式的驱动模式，每个驱动程序阶层负责处理一
部分通信工作，设备驱动程序与系统的总线驱动程序通信，总
线驱动程序用来处理ＵＳＢ的硬件。在设计过程中以ｗｉｎ—
ｄｏｗｓ２０００ ＤＤＫ作为编制工具，遵循ＷＤＭ驱动程序的核心概
念和基本结构，编写的驱动程序ＢＵＬＫＵＳＢ运行在ｗｉｎ—
ｄｏｗｓ２０００平台上，并使用文件ＢＵＬＫＵＳＢ．ＩＮＦ来控制与安装
Ｙ
驱动程序相关的大部分活动。
在编写应用软件时，预先用开发环境Ｃ＋＋Ｂｕｉｌｄｅｒ５．０编
写了ＤＬＬ文件ｕｓｂｄｌｌｐ．ｄｌｌ，该文件包含了两个函数，分别是：
ＷＲＩＴＥ ＰＩＰＥ（ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｌｏｎｇ，ｃｈａｒ＊）和ＲＥＡＤ ＰＩＰＥ
（ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｌｏｎｇ，ｃｈａｒ＊），其中ＲＥＡＤ—ＰＩＰＥ为读数据函数，
ＷＲＩＴＥ
—
ＰＩＰＥ为写数据函数。在应用软件中通过下面的程序
代码打开ｕｓｂｄｌｌｐ．ｄｌｌ后，就可以直接调用这两个函数对ＵＳＢ
接口进行读写数据了。
ＤＬＬＩｎｓｔ—ＬｏａｄＬｉｂｒａｒｙ（”ＵＳＢＤＬＬＰ．ｄｌｌ”）；
ＷＲＩＴ
ｌ＊） （ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｌｏｎｇ，ｃｈａｒ＊））
—
ＰＩＰＥ一（ｉｎｔ（
ｓｔｄｃａｌ
一
ＧｅｔＰｒｏｃＡｄｄｒｅｓｓ（ＤＬＬＩｎｓｔ，”
一
ｗｒｉｔｅ
—
ｐｉｐｅ”）；
图５固件流程
ＲＥＡＤ
—
ＰＩＰＥ＝（ｉｎｔ（
一
ｓｔｄｃａｌｌ＊） （ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｌｏｎｇ，ｃｈａｒ＊））
ＧｅｔＰｒｏｃＡｄｄｒｅｓｓ（ＤＬＬＩｎｓｔ，” ｒｅａｄ ｐｉｐｅ”）；
ＥＰ４ＰＫＴＬＥＮＨ、 ＲＥＧ ＥＰ６ＰＫＴＬＥＮＨ、 ＲＥＧ
—
ＥＰ８ＰＫＴＬＥＮＨ写“０ｘｌ２”来完成的∞］。
ＣＹ７Ｃ６８００１有两种枚举模式：①通过外部ＥＥＰＲＯＭ自动
４ 结论
导入描述符；②标准自举，由外部控制器写入描述符 ］。设计
文章详细介绍了多通道心电测试仪的ＵＳＢ２．０计算机接口
过程中采用了标准自举。
的软硬件设计。其中的ＵＳＢ接口芯片采用了ＣＹＰＲＥＳＳ公司
ＣＹ７Ｃ６８００１内部有一个５００Ｂｙｔｅ的描述符ＲＡＭ，通过寄
生产的需要外部微控制器的ＣＹ７Ｃ６８００１，通过对外部微控制
存器ＤＥＳＣ导入描述符，其过程为：①外部控制器发一个写寄
器的编程，大大提高了数据传输的灵活性。经过实际测试，数
存器ＤＥＳＣ的请求；②写入描述符的长度（两个字节），分两
据传输速率完全满足了测试仪对传输通道提出的要求，并已经
次写，低字节在前，高字节在后；③依次写入描述符。
获得了实际应用。
值得注意的是在写描述符的整个过程中，寄存器ＤＥＳＣ的
写命令地址字节只写一次。
参考文献：
在枚举过程中，ＵＳＢ２．０系统需要判断主机是ＵＳＢ１．１接
［１］萧世文．ＵＳＢ２．０硬件设计［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００２．
口还是ＵＳＢ２．０接口，并根据主机接口传回相应的设备描述
［２３ Ｊｏｓｅ Ｓ．ＣＹ７Ｃ６８００１—５［ｚ］．Ｃｙｐｒｅｓｓ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ，２００５．
符，确定系统工作于高速模式还是全速模式。
［３］马伟．计算机ＵＳＢ系统原理及其主／从机设计［Ｍ］．北京：北
ＵＳＢ驱动程序在整个系统中处于主机端应用程序和设备
京航天航空大学出版杜，２００４．
［４］吴敏渊．ＡＤＳＰ系列数字信号处理器［Ｍ］．北京：电子工业出版
端固件之间，负责对底层硬件进行操作。主要作用是使操作系
社，２００２．
（上接第４５４页）
［１３吴雄斌，杨绍麟，程丰，等．高频地波雷达东海表面矢量流探
测实验［Ｊ］．地球物理学报，２００３，４６（３）：３４０—３４６．
４小结
［２］侯杰昌．关于海态检测分析雷达（ＯＳＭＡＲ）的研究［Ｊ］．武汉大
学学报（自然科学版海洋探测专刊），１９９４，（ｓ）：１—３．
本文讨论了定向误差系数和ＯＳＡＭＡＲ实测流速误差的相
［３］杨子杰，吴世才，侯杰昌，等．高频地波雷达总体方案及工程实
关性，实测数据计算结果表明二者具有显著相关性，得到了定
施中的几个主要问题［Ｊ］．武汉大学学报（理学版），２００１，４７
向误差是高频雷达海流测量误差的重要来源这一结论。并计算
（５）：５１３—５１８．
出了ＯＳＭＡＲ在雷达波束覆盖中心区域的定向误差为１ｏ左右。
［４］Ｂａｒｒｉｃｋ Ｄ Ｅ．Ｆｉｒｓｔ—ｏｒｄｅｒ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ＭＦ／ＨＦ／ＶＨＦ
该结论对于提高高频地波雷达测量准确度具有直接的指导意
ｓｃａｔｔｅｒ ｆｏｒｍ ｔｈｅ ｓｅａ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ａｎｔｅｎｎａｓ Ｐｒｏｐａｇａｔ，
义。
１９７２，２０（１）：２—１０．
［５３胡 波，梁星霞，练学辉．雷达系统误差的测量和修正方法［Ｊ］．
雷达与对抗，２００５，（４）：１２—１５．
参考文献
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ｃｈｉｎａｍｃａ．ｃｏｒｎ
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Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆Ｃｏｎｔｒｏｌ
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文章编号：１６７１—４５９８ｌ ２００７ Ｊ０４—０４９８—０３ 中图分类号：ＴＮ９１９ 文献标识码：Ａ
多通道心电测试仪的ＵＳＢ２．０计算机接口设计
韩海亮，苏绍螺，王跃科，王湘祁
（国防科技大学机电工程与自动化学院仪器科学与技术系，湖南长沙４１００７３）
摘要：针对多通道心电测试仪对ＰＣ机接口提出的高数据传输带宽的要求，采用ＵＳＢ２．０规范推出的４８０Ｍｂｐｓ的高速数据传输模式，
介绍了一种以数字信号处理器ＡＤＳＰ２１８８为外部微控制器，以ＥＺ－－ＳＸ２系列ＵＳＢ接口芯片ＣＹ７Ｃ６８００１为接口控制芯片的ＵＳＢ２．０数据
传输接口设计方法，并对软硬件设计上的关键技术作了详细的论述；经过测试，该接口的数据传输速率很好的满足了测试仪对传输带宽
提出的要求，获得了实际运用。
关键词：ＵＳＢ２．０；数据传输接口；计算机测控
Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ＵＳＢ２．０ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｏｆ Ｍｕｌｔｉ－－ｃｈａｎｎｅｌ
Ｃａｒｄｉｏｇｒａｐｈ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ
Ｈａｎ Ｈａｉｌｉａｎｇ，Ｓｕ Ｓｈａｏｊ ｉｎｇ，Ｗａｎｇ Ｙｕｅｋｅ，Ｗａｎｇ Ｘｉａｎｇｑｉ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｎｉｖ．ｏｆ Ｄｅｆｅｎｓｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００７３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａ￣：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｍｕｌｔｉ—ｃｈａｎｎｅｌ ｃａｒｄｉｏｇｒａｐｈ ｔｅｓｔｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｗｉｄｅ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｏｆ ｄａｔａ—ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ
ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｏｆ ＰＣ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ．ａｄｏｐｔｉｎｇ ＵＳＢ２．０’Ｓ ４８０Ｍｂｐｓ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｄａｔａ—ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ＂ｍｏｄｅ，ａ ｄａｔａ—ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ
ＵＳＢ２．０ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｉｃｒｏＤｒｏｃｅｓｓｏｒ ＡＤＳＰ２１８８ ａｎｄ ＵＳＢ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｃｈｉｐ ＣＹ７Ｃ６８００１ ｏｆ ＥＺ—ＳＸ２ ｓｅｒｉｅｓ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．ａｎｄ ａ ｄｅｔａｉｌ ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ ａ—
ｂｏｕｔ ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｎ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｓ ｍａｄｅ．Ａｆｔｅｒ ｔｅｓｔｉｎｇ・ｔｈｅ ｄａｔａ—ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｗｅｌｌ ｓａｔｉｓｆｉｅｓ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｄ
ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ａｎｄ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＵＳＢ２．０；ｄａｔａ—ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ；ｃｏｍｐｕｔｅｒ－－ｔｅｓｔｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
Ｏ前言
心室晚电位（㈣是指发生在心电图ＱＲＳ波末端并延伸至
ＳＴ段内的一种微伏级的高频低幅异常心电信号，它与恶性室性心
率失常有着密切关系。心室晚电位的检测对心脏疾病的预防和诊
断有着重要的临床价值，多通道心电测试仪主要就是采集、处理
这种信号。目前研制的心电测试仪的总通道数已经由最初的２４道
升级到了１２８道。由于通道数增多，采集速度加快，使得单位时
图１系统示意图
间内采集的数据量大大增加，这就对信号测试仪与ＰＣ机之间的
数据传输接口的传输带宽提出了很高的要求。随着ＵＳＢ２．０规范
度的周边设备都可被连接到ＵＳＢ２．０的线路上，并且高带宽使
的推出，ＵＳＢ２．０数据传输接口以其４８０ Ｍｂｐｓ的高速数据传输模
得更多的设备无需担心数据传输时会发生瓶颈效应。ＵＳＢ２．０
式，很好的满足了这一要求；同时，ＵＳＢ２．０接口的即插即用和支 可使用原来ＵＳＢ定义中同样规格的线缆，接头的规格也完全
持热插拔的特殊性能也是其它传输接口所不具备的。整个心电测
相同；在高速的前提下同样保持了ＵＳＢ１．１支持热拔插等的特
试系统图如图１所示。 点，也保证了向下兼容性。
１ ＵＳＢ２．０技术规范介绍［１］
ＵＳＢ２．０中的“增强主机控制器接口”（ＥＨＣＩ）定义了一
新一代的标准ＵＳＢ２．０规范在现行的ＵＳＢ１．１规范上增加
个与ＵＳＢ１．１相互兼容的架构，它可使用ＵＳＢ２．０的驱动程序
了高速数据传输模式（４８０ Ｍｂｐｓ）。高速数据传输模式的速率
驱动ＵＳＢ１．１设备，所有支持ＵＳＢ１．１的设备都可直接在
比ＵＳＢ１．１标准定义的中速快４Ｏ倍左右，这使得具有多种速
ＵＳＢ２．０的接口上使用而不必担心兼容性问题，而且像ＵＳＢ
传输线、插头等附件也都可直接使用。
收稿日期：２００６—０６—１３； 修回日期：２００６一Ｏ７—２Ｏ。
２系统的硬件结构设计
基金项目：国防科技大学人才基金资助项目（２００６０３０３０１）。
整个ＵＳＢ２．０接口的硬件结构主要用到三类芯片，分别
作者简介：韩海亮（１９８２一），男，浙江省湖州市人，硕士，主要从事数
是：外部微控制芯片、译码芯片和ＵＳＢ接口芯片。
字化测试技术方向的研究。
（１）外部微控制芯片：在心电测试仪中因为数据传输量
王跃科（１９５７一），男，教授，博士生导师，国务院学科评议组委员，仪
大，为了防止数据在传输时被堵塞进而导致数据的丢失，设计
器仪表学会理事。长期从事数字化测试、军用测控领域的研究。获军队
过程中期望能采用具有大容量存储空间和高速数据处理能力的
科技进步奖、发明专利多项。
数字信号处理器作为外部主控芯片以起到数据缓冲和高速处理
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第４期 韩海亮，等：多通道心电测试仪的ＵＳＢ２．０计算机接口设计
ＵＰ、ＵＳＢ
—
・ ４９９ ・
Ａ０、ＵＳＢ
—
—
的作用，从而有效地消除数据传输瓶颈。经综合考虑，这里选
择ＡＤ公司的２１系列芯片ＡＤＳＰ２１８８。
（２）译码芯片：译码芯片主要完成译码逻辑，这里选用
Ｌａｔｔｉｃ公司生产的ＣＰＬＤ芯片ＩＳＰ２０３２ＶＥ。该芯片性价比高，
ＲＳＴ、ＵＳＢ
—
ＣＳ、ＰＫＴＥＮＤ、ＵＳＢ
Ａ１、ＵＳＢ Ａ２、Ｄ１３、Ｄ１４、Ｄ１５。
（２）ＩＳＰ控制方程式：
①ＵＳＢ ＣＳ＝Ａ５＋Ａ４＊Ａ３＋ＩＯＭＳ
②ＳＬＯＥ－－Ａ５＋Ａ４＋Ａ３＋ｌ０ＭＳ
③ＳＬＲＤ＝Ａ５＋Ａ４＋Ａ３＋１０ＭＳ＋ＲＤ
功耗低，编程简单。
（３）ＵＳＢ接口芯片：从芯片的总体构架来划分，现有的
ＵＳＢ控制器芯片可以分为不需要外接微处理器的芯片和需要
外接微处理器的芯片。不需要外接微处理器的芯片又可以分为
④ＳＬｗＲ＝Ａ５＋Ａ４＋！Ａ３＋１０ＭＳ＋ｗＲ
⑤ＵＳＢ Ａ２一Ａ２
ＵＳＢ接口专用芯片和嵌入通用微控制器内核的芯片。
需要外接微控制器的芯片，只处理与ＵＳＢ相关的通信工
作，而且必须由外部微控制器对其控制才能正常工作，所以这
些芯片必须提供一个串行或并行的数据总线与微控制器进行连
接。此外，还需要一个中断引脚，当数据收到或发送完，这个
中断引脚会向微控制器发出中断请求信号。其优点是芯片价格
便宜，而且便于用户使用自己熟悉的微控制器进行开发，应用
更加灵活。
在整个心电测试系统中，ＵＳＢ接口是信号采集板和ＰＣ主
机的数据传输中介，它主要完成三方面的工作：①与信号采集
板通讯，从信号采集板中取得数据；②与ＰＣ主机通讯，把从
信号采集板接收到的数据上传给ＰＣ主机；③从ＰＣ主机获得
命令字，并作相应的判断完成特定的功能。据此，这里采用
Ｃｙｐｒｅｓｓ公司生产的需要外部微控制器的ＥＺ—ＵＳＢ ＳＸ２系列
ＵＳＢ接口芯片ＣＹ７Ｃ６８００１，通过对外部主控制器ＡＤＳＰ２１８８
的编程来控制ＣＹ７Ｃ６８００１完成上述三项功能。
其中ＣＹ７Ｃ６８００１实现了高速ＵＳＢ和最初ＵＳＢ规范的物
理层和数据协议层的任务，其内部集成的串行接口引擎
（ＳＬＥ）控制完成所有ＵＳＢ协议层的功能，这些功能包括同步
方式的识别、并行／串行转换、位填充／解除填充、ＣＲＣ校验／
产生、分组标志校验／产生、地址识别和握手评估／产生。这些
功能完全由硬件来实现而不需要固件的参与口］。
ＵＳＢ２．０接口电路主芯片的连接示意图如图２所示。
Ｄ［８－２３１ ：ｌ ： ＶＤｆｏ－ｚｓｊ
ｏ－ｓ】 ｅＡＩｏ－２ｌ
Ｊ嗍 船用暇
ＲＤ 豇皿
ＷＲ ＳＬＲＤ
Ｌ
Ｐｐ６ ＲＥＡＤＹ
聃 删
ＡＩ｝ＳＰ２１８８ ＣＹ７Ｃ６３０ｏ１
图２主芯片连接示意图
ＣＹ７Ｃ６８００１通过１６根并行的数据总线与ＡＤＳＰ２１８８相
连。通过ＩＳＰ２０３２ＶＥ的地址译码，ＣＹ７Ｃ６８００１的读写地址被
映射成ＡＤＳＰ２１８８的Ｉ／０端口，这样就使得外部控制器对
ＵＳＢ接口芯片的读写操作等同于对外部控制器的Ｉ／Ｏ端口的
操作，极大的简化了电路设计和软件编程。
ＩＳＰ２０３２ＶＥ的译码方程如下：
（１）ＩＳＰ输入／输出管脚说明：
①输入管脚：１０ＭＳ、ＲＤ、ｗＲ，Ａ５，Ａ４、Ａ３、Ａ２，
Ａ１、Ａ０、ＵＳＢ
—
ＩＮＴ、ＵＳＢ
—
ＲＤＹ、ＵＳＢ
—
ＦＬＡ、ＵＳＢ
—
ＦＬＢ、ＵＳＢ
ＦＬＣ；
—
②输出管脚：ＰＦ４、ＰＦ６、ＳＬｗＲ、ＳＬＲＤ、ＳＬＯＥ、ＷＫ—
⑥ＵＳＢ—Ａ１一Ａ１
⑦ＵＳＢ—Ａ０一Ａ０
⑧）ＰＦ４＝ＵＳＢ ＩＮＴ
⑨ＰＦ６＝ＵＳＢ—ＲＤＹ
整个接口电路是由ＰＣ机通过ＵＳＢ接口电缆的ＶＢＵＳ线
提供电源，电源大小为５ Ｖ；而ＡＤＳＰ一２１８８、ＩＳＰ２ｏ３２ＶＥ、
ＣＹ７Ｃ６８００１的工作电压都为３．３ Ｖ，所以电源电压需转换为工
作电压，转换电路图如图３所示。
图３电压转换示意图
为了预防ＤＳＰ的程序运行时出现“跑飞”现象，专门为
ＤＳＰ设计了一个看门狗电路，其硬件原理图如图４所示。
图４看门狗电路
ＤＳＰ需定时给ＡＤＭ７０６的ＭＤＩ管脚输入脉冲信号，否则
ＡＤＭ７０６将在ＲＥＳＥＴ管脚产生一个复位信号，使得ＤＳＰ复
位，程序从新执行。在ＤＳＰ的程序中，可以每隔一定的执行
时间添加一条语句：ＴＯＧＧＬＥ ＦＬ２，即给ＡＤＭ７０６一个脉冲。
一
旦程序跑飞，ＡＤＭ７０６的ＭＤＩ管脚将不能定时获得脉冲信
号，从而使得ＤＳＰ复位，并从新执行程序，这样就有效的处
理了程序“跑飞”现象。
３系统的软件设计
系统的软件设计主要分为固件设计、驱动程序设计、应用
软件设计。
其固件流程与ＵＳＢ１．１规范基本上一致，如图４所示。
ＵＳＢ２．０规范采用微帧结构。在高速模式下，每帧被分为
１２５个微帧，主机每隔一个微帧发出一个ＳＯＦ数据包（Ｓｔａｒｔ
ｏｆ Ｆｒａｍｅ），最大有效载荷包是５１２字节，该最大有效载荷只
有在高速模式下才有效［３］。其设置是通过在ＣＹ７Ｃ６８００１的枚
举过程中对寄存器ＲＥＧ—ＥＰ２ＰＫＴＬＥＮＨ、ＲＥＧ一
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５００・ 计算机测量与控制 第１５卷
统能够识别ＵＳＢ设备，并建立起主机端和设备端之间的通讯。
Ｗｉｎｄｏｗｓ平台下的ＵＳＢ设备驱动必须遵循微软在Ｗｉｎｄｏｗｓ９８
和更新的版本中为用户定义的Ｗｉｎ３２驱动模型（ＷＤＭ）［３３。
此处采用了阶层式的驱动模式，每个驱动程序阶层负责处理一
部分通信工作，设备驱动程序与系统的总线驱动程序通信，总
线驱动程序用来处理ＵＳＢ的硬件。在设计过程中以ｗｉｎ—
ｄｏｗｓ２０００ ＤＤＫ作为编制工具，遵循ＷＤＭ驱动程序的核心概
念和基本结构，编写的驱动程序ＢＵＬＫＵＳＢ运行在ｗｉｎ—
ｄｏｗｓ２０００平台上，并使用文件ＢＵＬＫＵＳＢ．ＩＮＦ来控制与安装
Ｙ
驱动程序相关的大部分活动。
在编写应用软件时，预先用开发环境Ｃ＋＋Ｂｕｉｌｄｅｒ５．０编
写了ＤＬＬ文件ｕｓｂｄｌｌｐ．ｄｌｌ，该文件包含了两个函数，分别是：
ＷＲＩＴＥ ＰＩＰＥ（ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｌｏｎｇ，ｃｈａｒ＊）和ＲＥＡＤ ＰＩＰＥ
（ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｌｏｎｇ，ｃｈａｒ＊），其中ＲＥＡＤ—ＰＩＰＥ为读数据函数，
ＷＲＩＴＥ
—
ＰＩＰＥ为写数据函数。在应用软件中通过下面的程序
代码打开ｕｓｂｄｌｌｐ．ｄｌｌ后，就可以直接调用这两个函数对ＵＳＢ
接口进行读写数据了。
ＤＬＬＩｎｓｔ—ＬｏａｄＬｉｂｒａｒｙ（”ＵＳＢＤＬＬＰ．ｄｌｌ”）；
ＷＲＩＴ
ｌ＊） （ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｌｏｎｇ，ｃｈａｒ＊））
—
ＰＩＰＥ一（ｉｎｔ（
ｓｔｄｃａｌ
一
ＧｅｔＰｒｏｃＡｄｄｒｅｓｓ（ＤＬＬＩｎｓｔ，”
一
ｗｒｉｔｅ
—
ｐｉｐｅ”）；
图５固件流程
ＲＥＡＤ
—
ＰＩＰＥ＝（ｉｎｔ（
一
ｓｔｄｃａｌｌ＊） （ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｌｏｎｇ，ｃｈａｒ＊））
ＧｅｔＰｒｏｃＡｄｄｒｅｓｓ（ＤＬＬＩｎｓｔ，” ｒｅａｄ ｐｉｐｅ”）；
ＥＰ４ＰＫＴＬＥＮＨ、 ＲＥＧ ＥＰ６ＰＫＴＬＥＮＨ、 ＲＥＧ
—
ＥＰ８ＰＫＴＬＥＮＨ写“０ｘｌ２”来完成的∞］。
ＣＹ７Ｃ６８００１有两种枚举模式：①通过外部ＥＥＰＲＯＭ自动
４ 结论
导入描述符；②标准自举，由外部控制器写入描述符 ］。设计
文章详细介绍了多通道心电测试仪的ＵＳＢ２．０计算机接口
过程中采用了标准自举。
的软硬件设计。其中的ＵＳＢ接口芯片采用了ＣＹＰＲＥＳＳ公司
ＣＹ７Ｃ６８００１内部有一个５００Ｂｙｔｅ的描述符ＲＡＭ，通过寄
生产的需要外部微控制器的ＣＹ７Ｃ６８００１，通过对外部微控制
存器ＤＥＳＣ导入描述符，其过程为：①外部控制器发一个写寄
器的编程，大大提高了数据传输的灵活性。经过实际测试，数
存器ＤＥＳＣ的请求；②写入描述符的长度（两个字节），分两
据传输速率完全满足了测试仪对传输通道提出的要求，并已经
次写，低字节在前，高字节在后；③依次写入描述符。
获得了实际应用。
值得注意的是在写描述符的整个过程中，寄存器ＤＥＳＣ的
写命令地址字节只写一次。
参考文献：
在枚举过程中，ＵＳＢ２．０系统需要判断主机是ＵＳＢ１．１接
［１］萧世文．ＵＳＢ２．０硬件设计［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００２．
口还是ＵＳＢ２．０接口，并根据主机接口传回相应的设备描述
［２３ Ｊｏｓｅ Ｓ．ＣＹ７Ｃ６８００１—５［ｚ］．Ｃｙｐｒｅｓｓ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ，２００５．
符，确定系统工作于高速模式还是全速模式。
［３］马伟．计算机ＵＳＢ系统原理及其主／从机设计［Ｍ］．北京：北
ＵＳＢ驱动程序在整个系统中处于主机端应用程序和设备
京航天航空大学出版杜，２００４．
［４］吴敏渊．ＡＤＳＰ系列数字信号处理器［Ｍ］．北京：电子工业出版
端固件之间，负责对底层硬件进行操作。主要作用是使操作系
社，２００２．
（上接第４５４页）
［１３吴雄斌，杨绍麟，程丰，等．高频地波雷达东海表面矢量流探
测实验［Ｊ］．地球物理学报，２００３，４６（３）：３４０—３４６．
４小结
［２］侯杰昌．关于海态检测分析雷达（ＯＳＭＡＲ）的研究［Ｊ］．武汉大
学学报（自然科学版海洋探测专刊），１９９４，（ｓ）：１—３．
本文讨论了定向误差系数和ＯＳＡＭＡＲ实测流速误差的相
［３］杨子杰，吴世才，侯杰昌，等．高频地波雷达总体方案及工程实
关性，实测数据计算结果表明二者具有显著相关性，得到了定
施中的几个主要问题［Ｊ］．武汉大学学报（理学版），２００１，４７
向误差是高频雷达海流测量误差的重要来源这一结论。并计算
（５）：５１３—５１８．
出了ＯＳＭＡＲ在雷达波束覆盖中心区域的定向误差为１ｏ左右。
［４］Ｂａｒｒｉｃｋ Ｄ Ｅ．Ｆｉｒｓｔ—ｏｒｄｅｒ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ＭＦ／ＨＦ／ＶＨＦ
该结论对于提高高频地波雷达测量准确度具有直接的指导意
ｓｃａｔｔｅｒ ｆｏｒｍ ｔｈｅ ｓｅａ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ａｎｔｅｎｎａｓ Ｐｒｏｐａｇａｔ，
义。
１９７２，２０（１）：２—１０．
［５３胡 波，梁星霞，练学辉．雷达系统误差的测量和修正方法［Ｊ］．
雷达与对抗，２００５，（４）：１２—１５．
参考文献
中华测控网
ｃｈｉｎａｍｃａ．ｃｏｒｎ