EZ-USB FX2接口在生物電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 引言
生物電信號(hào)是由生物體發(fā)出的不穩(wěn)定的微弱電信號(hào)，主要包括心電、肌電、腦電信號(hào)，其特點(diǎn)表現(xiàn)為信號(hào)弱、干擾強(qiáng)、精度高。因此，在生物體的多參數(shù)測量中，高精度尤為重要，這對(duì)信號(hào)采集速率、實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性等提出更高要求。
根據(jù)生物電信號(hào)特點(diǎn)，介紹一種基于Ez-USB FX2接口的生物電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它將傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)儀器的優(yōu)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力以及良好的人機(jī)界面相結(jié)合，符合醫(yī)學(xué)儀器數(shù)字化、模塊化、小型化的發(fā)展趨勢(shì)，具有很好的應(yīng)用前景。

2 EZ-USB FX2接口簡介
高速設(shè)備通常具有支持高速傳輸?shù)腢SB控制器以實(shí)現(xiàn)高速傳輸，選用內(nèi)置增強(qiáng)型微處理器8051、可動(dòng)態(tài)加載固件的USB2．0控制器EZ-USB FX2(CY7C68013)，該器件相對(duì)于其他USB控制器，功能強(qiáng)大，開發(fā)難度較小且性價(jià)比較高。
2．1 基本特性
EZ-USB FX2功能強(qiáng)大，既負(fù)責(zé)USB事務(wù)處理，也兼具微處理器的控制功能，可用作USB外設(shè)主控器件。該器件集USB2．0收發(fā)器、串行接口引擎、增強(qiáng)型 8051、I2C總線以及通用可編程接口于一體，體積小巧，性價(jià)比高，廣泛應(yīng)用于存儲(chǔ)器、打印機(jī)、掃描儀等各種USB外設(shè)。
2．2 端點(diǎn)緩存
USB規(guī)范定義端點(diǎn)作為發(fā)送數(shù)據(jù)的起始點(diǎn)或接收數(shù)據(jù)的目的地址。EZ-USB FX2包含3個(gè)64 B的端點(diǎn)緩沖區(qū)和4 KB的可配置端點(diǎn)緩沖區(qū)。其中3個(gè)64 B的緩沖區(qū)分別用于EP0，EPlIN和EP1OUT，而4 KB的可配置緩沖區(qū)用于EP2，EP4，EP6和EP8。端點(diǎn)0默認(rèn)為控制端點(diǎn)，支持OUT和IN雙向傳輸；端點(diǎn)1支持批量、中斷和同步傳輸；而端點(diǎn)2、 4、6和8則是高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸端點(diǎn)，可配置成不同方式以適應(yīng)不同帶寬要求。
2．3 GPIF接口
EZ-USB FX2系列器件提供3種可用接口模式：端口模式、從屬FIFO模式和GPIF主控制模式。端口模式下，所有I／O引腳都可作為8051的通用I／O接口；從屬FIFO模式下，外部邏輯或外部處理器直接與EZ-USB FX2的端點(diǎn)FIFO相連，外部設(shè)備作為控制器，像普通FIFO一樣對(duì)EZ-USB FX2中的端點(diǎn)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進(jìn)行讀寫；而GPIF模式是一種內(nèi)部主機(jī)控制模式，使用內(nèi)部集成的高效控制邏輯取代外部微控制器來控制Ez-USB FX2端點(diǎn)FIFO。在EZ-USB FX2內(nèi)部，GPIF內(nèi)核就是一個(gè)可編程的狀態(tài)機(jī)。
EZ-USB FX2使用4個(gè)用戶定義的波形描述符控制狀態(tài)機(jī)．從而實(shí)現(xiàn)FIFO以及單字節(jié)數(shù)據(jù)的讀寫操作。每個(gè)GPIF波形描述符都由7段組成：S0～S6。執(zhí)行完 S0～S6的動(dòng)作后，進(jìn)入idle狀態(tài)(S7)即空閑狀態(tài)，以準(zhǔn)備啟動(dòng)下一次GPIF動(dòng)作。每個(gè)state可定義為無判斷不轉(zhuǎn)移態(tài)(NDP)或判斷轉(zhuǎn)移態(tài) (DP)。當(dāng)某個(gè)state定義為NDP時(shí)，這個(gè)state動(dòng)作的執(zhí)行只是簡單延時(shí)，用于確定產(chǎn)生指定電平的延續(xù)時(shí)間；當(dāng)定義為DP時(shí)，它將根據(jù) RDY0～RDY5上的輸入信號(hào)狀態(tài)，以及內(nèi)部FIFO的可編程標(biāo)志和內(nèi)部自定義的Ready標(biāo)志，將這些信號(hào)進(jìn)行邏輯“與”、“或”、“異或”運(yùn)算，并根據(jù)得到的邏輯結(jié)果在S0～S6中選擇一個(gè)即將執(zhí)行的state。執(zhí)行每個(gè)state時(shí)，都可指定CTL0～CTL5輸出用戶指定的狀態(tài)。通過RDYx和 CTLx以及內(nèi)部一些標(biāo)志位的組合，即能完成各種復(fù)雜時(shí)序電路的控制。由于GPIF接口的配置靈活，使得FX2可方便地和其他邏輯微處理器(例如單片機(jī)、 DSP、CPLD和FPGA等)進(jìn)行數(shù)據(jù)的主動(dòng)讀寫，這樣便大大擴(kuò)展GPIF模式的使用范圍。GPIF模式下，8051可不參與數(shù)據(jù)傳輸，以突破高速、全速下的傳輸模式進(jìn)一步接近EZ-USB FX2的傳輸帶寬480 Mb／s。同時(shí)根據(jù)生物電信號(hào)的頻率特征，將每個(gè)通道最大采樣頻率設(shè)為100 kHz，在GPIF接口模式下完全能夠滿足系統(tǒng)要求。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。通過導(dǎo)聯(lián)由人體采集到的心電、腦電、肌電等信號(hào)調(diào)理電路后，由FPGA內(nèi)部邏輯控制A／D轉(zhuǎn)換對(duì)其采樣。將經(jīng)采樣并通過A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)暫時(shí)緩存到EZ-USB FX2的內(nèi)部FIFO中，供PC機(jī)讀取。整個(gè)系統(tǒng)涉及A/D轉(zhuǎn)換及其通道選擇、信號(hào)放大、FPGA控制和EZ-USBFX2接口設(shè)計(jì)，這里主要介紹EZ- USB FX2接口設(shè)計(jì)，以及相應(yīng)固件程序的開發(fā)與GPIF波形設(shè)計(jì)。

4 器件資源分配
4．1 EZ-USB FX2與FPGA的硬件連接
EZ-USB FX2采用GPIF接口和FPGA相連，其硬件連接電路如圖2所示。EZ-USB FX2與FPGA連接的引腳分配如下：FD0～FD15為GPIF雙向數(shù)據(jù)線，負(fù)責(zé)讀寫數(shù)據(jù)：CTL0、CTL1分別為讀(REN#)、寫(WEN#)使能信號(hào)；RDY0為FPGA發(fā)出的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好信號(hào)；PA2與FPGA的H4引腳連接，用于數(shù)據(jù)采集開始時(shí)點(diǎn)亮LED。