基于USB傳輸之嵌入式生理量測(cè)系統(tǒng)之研制

圖 5-2 數(shù)位區(qū)塊配置示意圖

本系統(tǒng)采用型號(hào)為CY8C24794 之PSoC 晶片，經(jīng)由儀表放大器放大後之波形輸入至PSoC 內(nèi)部做訊號(hào)處理和轉(zhuǎn)換。波形先經(jīng)過(guò)低通濾波器(Low Pass Filter)將20Hz 以下之雜訊濾除，再通過(guò)高通濾波器(HighPass Filter)將180Hz 以上之雜訊濾除，由於會(huì)跨過(guò)電源頻率60Hz，因此還需要使用陷波器將其雜訊濾除。濾除過(guò)後之訊號(hào)再透過(guò)放大器(PGA)做二級(jí)放大。處理過(guò)後之波形訊號(hào)透過(guò)ADCINC(A/D 轉(zhuǎn)換模組)將類比訊號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)位訊號(hào)。選用此顆PSoC 晶片主要之目的是為了運(yùn)用其USB 模組，透過(guò)USB 通訊協(xié)定設(shè)定，將心電訊號(hào)數(shù)據(jù)資料轉(zhuǎn)換成USB 封包格式，利用USB介面傳輸把數(shù)據(jù)資料傳送到系統(tǒng)平臺(tái)或儲(chǔ)存到儲(chǔ)存裝置。如圖6 所示為運(yùn)用USB 介面傳輸資料之示意圖。

圖6 運(yùn)用USB 介面傳輸資料之示意圖

第三部份 USB 介面?zhèn)鬏攨f(xié)定分析

應(yīng)用CY8C24794 晶片設(shè)計(jì)本系統(tǒng)之硬體架構(gòu)，它提供了USB2.0 的傳輸速度。此顆IC 在USB 模組方面設(shè)計(jì)了USB Setup wizard 選單，使用者能新增移除選單上預(yù)設(shè)的描述元符號(hào)(Descriptor)、字串/語(yǔ)言特性(String/LANGID)和人機(jī)介面裝置回報(bào)描述符號(hào) (HIDReport Descriptor)，如圖7 所示為USB Setup wizard 設(shè)計(jì)介面。

圖 7 USB Setup wizard 設(shè)計(jì)介面

USB 的傳輸方式可分為：控制、中斷、等時(shí)和巨量等四種不同傳輸型態(tài)。資料傳輸可細(xì)分三大交易階層：設(shè)置(Setup)、資料(Data)、狀態(tài)(State) 等。每個(gè)階層可分類成三種封包型態(tài)：執(zhí)照(Token)、資料(Data)、交握(Handshake)等。如圖8 所示為USB 資料傳輸之樹狀結(jié)構(gòu)。在自制板與主機(jī)端之間的傳輸中，當(dāng)主機(jī)在設(shè)置階層時(shí)，是以控制傳輸方式來(lái)達(dá)成。當(dāng)主機(jī)與裝置在進(jìn)行資料交易時(shí)，是以中斷傳輸方式來(lái)達(dá)成。

圖 8 USB 資料傳輸之樹狀結(jié)構(gòu)

如圖9 所示，USB 資料傳輸型式是由主機(jī)端與裝置端之間相互溝通，當(dāng)裝置(Device)連接主機(jī) (Host)時(shí)，主機(jī)會(huì)先以預(yù)設(shè)位址0 (Addr )和端點(diǎn)0 (EP)向裝置詢問(wèn)其為何種描述字元、裝置型態(tài)和重新設(shè)定新的傳送位址和端點(diǎn)，往後的資料傳送都依據(jù)新的位址和端點(diǎn)來(lái)發(fā)送。確定好位址後，裝置會(huì)將其列舉資訊與HID 報(bào)告回報(bào)給主機(jī)端，當(dāng)雙方在傳輸協(xié)定上達(dá)成協(xié)議時(shí)，資料才能開始進(jìn)行傳送的動(dòng)作。

圖 9 裝置連結(jié)主機(jī)相互溝通之方塊圖

主機(jī)端(PC、系統(tǒng)平臺(tái))傳送訊息至裝置端(自制板)是透過(guò)位址3 和端點(diǎn)4 來(lái)傳輸和要求資料。裝置端是透過(guò)位址3 和端點(diǎn)3 來(lái)向主機(jī)傳輸和要求資料。我們?cè)O(shè)置訊框輪詢時(shí)間(Interval)時(shí)間為5msec，而所量測(cè)的心電訊號(hào)經(jīng)由PSoC 轉(zhuǎn)換成USB 封包格式傳送，每次傳送2Bytes 心電訊號(hào)資料。心電訊號(hào)的取樣率為240(sps)：每一秒取樣240 個(gè)取樣點(diǎn)。

三、系統(tǒng)平臺(tái)

本文中的系統(tǒng)架構(gòu)是以EDUKIT III Embest ARM開發(fā)平臺(tái)為基礎(chǔ)架構(gòu)，再基礎(chǔ)架構(gòu)上整合開發(fā)心電圖訊號(hào)量測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)核心為S3C2410X ARM920T，在程式設(shè)計(jì)方面以Embedded Linux 來(lái)開發(fā)程式。然而如果要將心電圖量測(cè)裝置掛載至系統(tǒng)平臺(tái)，需要撰寫適合硬體裝置之驅(qū)動(dòng)程式才得以驅(qū)動(dòng)運(yùn)作。嵌入式Linux 下之設(shè)備驅(qū)動(dòng)程式，是介於作業(yè)系統(tǒng)核心和硬體之間的介面，從應(yīng)用程式層面來(lái)看硬體設(shè)備，其就像是一個(gè)設(shè)備檔案，應(yīng)用程式如要針對(duì)設(shè)備檔案進(jìn)行操作，只要像一般檔案一樣的操作方式即可達(dá)到讀寫和控制之目的。

圖 10 驅(qū)動(dòng)程式設(shè)計(jì)之流程

如圖10 所示，當(dāng)裝置掛載至系統(tǒng)平臺(tái)時(shí)，其設(shè)計(jì)流程可分為以下幾個(gè)步驟：(1)透過(guò)Insmod 指令將kernel module 載入到kernel 的address space(2)對(duì)裝置做初始化的動(dòng)作(3)裝置向主機(jī)注冊(cè)成為裝置節(jié)點(diǎn)(4)應(yīng)用程式可透過(guò)驅(qū)動(dòng)程式所提供的入口點(diǎn)(open、read、write、 close、ioctl)詢問(wèn)主機(jī)是否可讀取資料或裝置是否可寫入資料(5)裝置向主機(jī)取消注冊(cè)(6)清除裝置(7)透過(guò)rmmod 指令卸載核心模組。以上說(shuō)明為驅(qū)動(dòng)程式設(shè)計(jì)之流程。

四、系統(tǒng)架構(gòu)整合

如圖11 為本論文之系統(tǒng)架構(gòu)之整合。

如圖11 系統(tǒng)架構(gòu)整合圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

心電圖訊號(hào)透過(guò)感測(cè)元件的擷取，再經(jīng)由硬體裝置的訊號(hào)轉(zhuǎn)換，利用USB 介面?zhèn)鬏斢嵦?hào)至電腦PC 上顯示。如圖12 所示為量測(cè)到的心電圖訊號(hào)。

圖 12 心電圖訊號(hào)呈現(xiàn)

PQRST 特性說(shuō)明：

P 波：心房去極化。QRS 波前會(huì)出現(xiàn)，P-P 心房之速率。

PR 區(qū)間：從心房去極化傳到心室去極化。

QRS 波：心室的去極化。

ST 區(qū)間 (代表時(shí)間)：從QRS 的末端至T 波的開始。

T 波：心室的再極化。

QT 區(qū)間(代表時(shí)間)：從QRS 的開始至T 波的結(jié)束。

所量測(cè)之心電訊號(hào)能夠在行動(dòng)平臺(tái)上呈現(xiàn)其結(jié)果，如圖13（a）是連接到PC 端接收的軟體執(zhí)行結(jié)果，圖13（b）是連接到嵌入式平臺(tái)上應(yīng)用軟體執(zhí)行結(jié)果。