（农业电气化与自动化专业论文）脑电信号采集系统设计与研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 脑部疾病是导致人类死亡的主要疾病之一，它的临床诊断一般都通过分析 患者的脑电波来完成，可见脑电波分析是临床脑部疾病诊断的一种重要手段。而 获取脑电信号的主要工具是脑电信号采集系统，它的重要性也因此显得尤为突 出。 本文在分析脑电研究现状及发展趋势的基础上，针对脑电信号采集的各个方 面进行了深入研究，并分系统单元电路设计、系统接口电路设计、系统固件 ( f i r m w a r e ) 设计三部分详细描述了整个系统的设计过程。 在单元电路设计部分引入了带差分共模屏蔽驱动电路的前置放大电路设计 和基于u a f 4 2 的陷波器设计，分别实现对脑电信号的放大和5 0 h z 工频干扰的 去除。在接口电路设计部分采用e z u s bf x 2c y 7 c 6 8 0 1 3 单片机实现采集控制 与数据传输，并利用a i a 接口外接u s b 硬盘进行存储扩展，使系统的可靠性和 灵活性得以加强。在固件设计部分完成了基于u s b 固件框架的脑电信号采集固 件设计、u s b 传输固件设计及u s b 硬盘固件设计。 该新型脑电信号采集系统能够充分利用其合理的软硬件设计完成效果较好 的脑电信号采集，可有效改善各项技术指标，进而提高脑部疾病的诊断效率，并 为现代医疗、家庭保健等领域提供良好的基础支持。 【关键词】脑电信号采集，通用串行总线( u s b ) ，u s b 硬盘 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t b r a i nd i s e a s ei so n eo f t h em a i nc a u s e so f h u m a nd e a t h t h ec l i n i c a ld i a g n o s i so f b r a i nd i s e a s ei su s u a l l yp e r f o r m e db ya n a l y z i n gt h ep a t i e n t se e gi ts h o w st h a te e g a n a l y s i si sa ni m p o r t a n tm e t h o df o rt h ec l i n i c a ld i a g n o s i so fb r a i nd i s e a s e t h em a i n t o o lt oa c q u i r ee e g s i g n a li se e g d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，w h i c ht h e r e f o r es h o w si t s p a r t i c u l a ri m p o r t a n c e b a s e do nt h ea n a l y s i so nt h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dt r e n do fe e g r e s e a r c h i n d e p t h r e s e a r c ho nv a r i o u sa s p e c t so f e e gd a t aa c q u i s i t i o ni sp e r f o r m e di nt h ep r e s e n tt h e w s a n dt h ed e s i g no ft h ew h o l es y s t e mi sd e t a i l e db yd i v i d i n gi n t ot h i n ep a r t s ：u n i t c i r c u i t sd e s i g n ，i n t e r f a c ec i r c u i t sd e s i g na n d f i r m w a r ed e s i g n t h ep r e a m p l i f i e rw i t hd i f f e r e n t i a t ec o m m o nm o d es h i e l dd r i v e ra n dt h en o t c h f i l t e rb a s e do nu a f 4 2 ，r e a l i z i n gt h ea m p l i f i c a t i o no fe e g s i g n a la n dt h ee l i m i n a t i o n o f5 0 h zp o w e r - l i n ei n t e r f e r e n c e ，r e s p e c t i v e l y ，a r ea d o p t e di nt h eu n i tc i r c u i t sd e s i g n m e a n w h i l e ，e z - u s bf x 2c y 7 c 6 8 0 1 3s i n g l e - c h i pm i c r o p r o c e s s o ri se m p l o y e df o r a c q u i s i t i o nc o n t r o la n dd a t ac o m m u n i c a t i o n ，a n dt h eu s bh d dc o n n e c t i n gt ot h e m i c r o p r o c e s s o r s a t ai n t e r f a c ei s a d o p t e df o rs t o r a g ee x p a n s i o n t h i sd e s i g n s t r e n g t h e n st h es y s t e m sr e l i a b i l i t ya n df l e x i b i l i t y a n di nt h ef i r m w a r ed e s i g np a r t , t h ed e s i g no f e e gd a t aa c q u i s i t i o nf i r m w a r e ，u s bc o m m u n i c a t i o nf i r m w a r ea n du s b h d df i r m w a r ea r ec a r r i e do u t t h i sd e s i g n e dn e we e gd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sa b l et oa c q u i r eh i g h - q u a l i t y e e gs i g n a l sb yt a k i n gt h ea d v a n t a g eo ft h ea p p r o p r i a t eh a r d w a r e s o f t w a r ed e s i g n i n t h i sd e s i g n ，v a r i o u st e c h n i c a lt a r g e t sa r eg r e a t l yi m p r o v e dt oi n c r e a s et h ee f f i c i e n c yo f d i a g n o s i sa n dp r o v i d es t r o n gb a s i cs u p p o r tf o rm o d e r nm e d i c a lt r e a t m e n ta n d 1 1 0 n s e h o l dh e a i t hc a r e k e yw o r d s ：e e gd a t aa c q u i s i t i o n ，u n i v e r s a ls e r i e sb u s ( u s b ) ，u s bh d d l l 学位论文版权使用授权书 。匕0 1 3 8 8 9 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 学位论文作者签名： 保密口，在 年解密后适用本授权书。 不保密 毛奄找毳 指导教师签名：刁 1 。6 年月功日夕，。多年多月日 2 墨 e 8 8 l 工0 l 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： f 等栉磊 日期：洳降月坜 江苏大学硕学位论文 第一章绪论 1 1 脑电研究的历史和现状 人脑是世界上最精巧复杂的一个系统，它是人体最重要的一个器官之一，脑 部疾病也是人类死亡率最高的疾病之一。当前人类的科学虽然已经进入了信息和 网络时代，但是对人脑的认识还非常缺乏。 1 8 7 5 年，c a t o n 发现了脑电波，开始了解脑电活动的几个主要特征。但是当 时所有的实验工作都是在低等动物上完成的。第一个对人脑电位活动进行记录、 分析的是德国神经生理学家h a n sb e r g e r ，他在女儿做心算时发现她的脑电波活 动增加，从而推论脑电频率反映了大脑功能活动，并于二十年代初期开始对之进 行研究，并将它命名为脑电图( e l e c t r o e n e e p h a l o g r a g h ，e e g ) ，从此脑电图成为 了对大脑表层神经细胞生理活动进行非创伤检测的一个工具，同时也为人们了解 人脑打开了一扇窗户【2 1 。e e g 很快被引入到临床，并且发现脑电图记录有助于 癫痫和脑肿瘤的诊断。时至今日，随着现代科学技术的发展，脑电图已广泛应用 于临床医学、心理学、生理学、刑侦测谎等领域。例如，心理学家利用脑电图来 研究认知心理学、分析人类意识；运动科学研究者将它作为选拔和训练运动员的 辅助工具；司法部门用来做测谎技术等。 早期的脑电图分析是脑电图专家通过阅读记录纸上的多道脑电图完成的，即 通过目测脑电图并根据经验对之进行理解、评价。这种方法的实质是借助复杂对 象的模式识别方法对脑电记录进行特征提取，得到较少的规范描述来评价e e g ， 并用一些公认的指标来鉴别其模式。e e g 专家通常利用经验来消除噪音，并根 据波形的各个数据对脑电图进行分类，进而得出评价和结论f 3 】【4 1 。 从四十年代末期开始，神经生理学家开始将科学技术发展所带来的新手段 ( 如电子计算机、脑电波分析仪器、微电极记录技术及在入脑内埋藏电极等) 应 用于脑电研究中，脑电研究水平上了一个新的台阶。 八十年代以来，非线性理论在e e g 研究中得到了广泛的应用，同时随着计 算机技术、现代电子技术和信息处理技术的不断发展，涌现出了很多脑电分析的 新手段和新方法。它们可以揭示大脑在生理和病理状态下活动的特征和规律，从 江苏大学硕士学位论文 而为脑部疾病的早期诊断、治疗及预后评价提供客观的科学依据和理论基础 2 1 。 九十年代至今，随着计算机科学、信号处理技术、机器学习理论的进一步发 展，使得从脑电信号中提取与心理任务相关的模式成为可能，脑机交互 ( b r a i n c o m p u t e ri n t e r f a c e ，b c i ) 研究逐渐成为该领域的研究热点。b c i 脑机交 互即支持人脑和计算机交互，实现信号在计算机和人脑之间的直接接收和发送， 从而改变原有的人机交互方式。n a t u r e 杂志在2 0 0 0 年刊载了题为“r e a lb r a i n sf o r r e a lr o b o t s ”的文章，报道了从猴子大脑皮层获取的神经信号实时控制千里之外 的一个机器人。有代表性的b c i 相关实验举例【7 】【1 2 1 1 3 j ： p 3 0 0 事件相关电位：1 9 8 8 年，美国i l l i n o i s 大学的f a r e w e l l 与d o n c h i n 等人利 用p 3 0 0 设计出了虚拟打字机。其准确率为8 0 ，速度为每分钟7 8 字符。 稳态视觉诱发电位( s s v e p ) ：2 0 0 2 年，清华大学程明、高上凯教授等人利用 s s v e p 开发了可实现电话拨号的实验系统。 事件相关同步( e r s ) 和事件相关去同步电位( e r d ) ：奥地利g r a z 科技大学 开发的g r a z i 准确率达8 5 ，g r a z i i 的准确率为7 7 。 皮层慢电位( s c p ) ：德国n b i r b a u m e r 实验室利用头皮电极记录的s c p 为a l s 瘫痪病人设计了名为t h o u g h t t r a n s l a t i o n d e v i c e ( t t d ) 的b c i 设备。 自发脑电信号：纽约w a d s w o r t h 中心的w o l p a w 等人通过训练受试者学习控制 8 1 2 h z 的m u 节律幅度来控制光标运动。 近年来，同样得益于电子计算机技术的迅猛发展，使得大量复杂而不规则的 大脑生物电可以通过计算机进行二次处理，转换成一种既能反映量变、又能进行 定位的图像，即脑电地形图，从而可以醒目而直观地显示大脑机能的变化情况。 它为颅内疾病的诊断和大脑功能的定量分析研究提供了可靠的依据。 1 2 脑电信号采集系统简述 脑电来自大脑神经组织的电活动，可分为自发脑电和诱发脑电两种，它们分 别是大脑在安静无刺激时和受刺激时所产生的不同电位。脑电自发节律主要来自 大脑神经细胞自发节律活动，它是维持大脑兴奋水平所必需的，大脑的兴奋性与 白发脑电的节律波相对应。 脑电图就是通过电极和导线从头皮上或者直接从大脑皮层上将这些由大脑 江苏大学硕士学位论文 产生的节律性电位变化传送至专门的记录装置上记录下来之后所形成的动态曲 线，它反映了大脑皮层的自发脑电活动。直接在大脑皮层表面记录的皮层自发电 位活动称为皮层脑电图，而通过埋在皮层下或埋入大脑深部结构的电极记录下来 的深部脑结构电活动称为深部脑电图。 脑电信号采集系统( e e gd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ) 就是用来把脑电信号放 大并记录下来的装置。随着计算机技术和大规模集成电路的逐步发展，脑电信号 采集系统经历了很长一个阶段的发展，从最早的走纸式脑电图机到现在的数字脑 电仪，前者主要以n i h o nk o h d e n 公司的e e g - - 4 4 1 8 为代表，该机使用分立元件 的三运放电路为仪表放大器，采用墨水笔在纸介质上进行描记，它没有a d 转 换电路，并且每一个通道都是使用单独的电路板，其总体特点是体形庞大、不便 于移动、需要分别对各个参数进行严格调节、并需要屏蔽房和高性能的隔离变压 器柬达到仪器的安全性能要求；后者普遍采用单片机控制、便携性强、抗电磁干 扰能力强，便于脑电信号的无失真地保存、远程传输、存储及计算机处理，可广 泛应用于各个领域。描记下来的脑电图可供临床诊断和神经生理研究( 如诊断颅 内病变、癫痫和航空神经生理研究) 之用。一个完整的脑电信号采集系统通常由 三部分组成，即信号获取部分、信号加工部分及记录与显示部分，一般可以同时 记录多通道的脑电信号3 j 4 1 t 引。结构如图1 1 所示。 信号获取部分 ( 电极) 信号加工部分 ( 信号放大、调 理、存储与处理) 记录与显示部分 ( 示波器等) 图1 1 脑电信号采集系统的基本组成 信号获取部分通常采用电极来实现，其功能在于感知脑电信号，并将之转换 成为易于测量和加工的电信号。电极是脑电信号采集系统与大脑相耦合的界面， 是系统的一个重要部分。对系统及人体的安全起决定性作用。 信号加工部分用以对用电极获取的信号进行放大、存储、信号处理等必要的 加工，以适用于对信号的分析、识别和研究，并提供给记录与显示部分。随着电 子技术的进步，该部分已普遍采用数字技术和计算机技术，并将各种不同的算法 应用于信号处理中，使系统的整体功能越来越强。这个部分对整个系统的功能起 着关键性作用。 江苏大学硕士学位论文 记录与存储部分是将采集结果以一定形式显示出来，并按需要记录下来供研 究分析。记录与显示的方式有多种多样，但必须应具备良好的入机界面和适宜性 能，以便于采集结果的应用【3 】。 1 3 本课题的研究目的及意义 在国外，脑电信号采集仪器早在上世纪中叶就开始应用于医疗领域，民用产 品也在随后逐渐发展起来，开发与生产脑电仅器的知名企业有d w l ( 德国) 、 o x f o r d ( 英国) 、e m s ( 奥地利) 、n e u r o s c a n ( 美国) 、e g i ( 美国) 等。而国内 则起步较晚，技术也相对比较落后，目前从事脑电信号采集仪器丌发与生产的知 名企业有广州三瑞、无锡中健科仪、北京北科等。 国外产品虽然在技术上比较成熟，但是要求用户有一定的价格承受能力；而 国内产品技术成本比较高，从而导致目前市场上脑电仪器产品价格昂贵。因此有 必要在不影响系统整体性能的前提下，研究创新设计并采用一系列高性价比的部 件，从而有效控制产品的成本。 另一方面，目前市场上的很多脑电仪器尚存在各种各样的缺陷，比如抗干扰 能力、易用性( 接口) 等，都有待进一步改进。 本课题的研究目的在于开发一套研发成本相对较低，可最大程度抑制干扰、 解决易用性问题的新型多通道脑电信号采集系统。它可大大提高脑部疾病的诊断 效率，并为现代医疗、家庭保健等领域提供良好的基础支持。 1 4 本课题的研究内容 本课题研究内容为在综合研究脑电信号采集相关理论的基础上开发出一种 新型的多通道脑电信号采集系统，并要求该系统具有离输入阻抗、高共模抑制比、 低噪音、低漂移( ： ( 3 0 0 9l 8 。一9 1 2 s 5 ) i o h z1 0 h z1 0 0 h z1 o k h 2 d b 图3 7 低通滤波器，截止频率为3 7 h z - - 3 d b 3 2 35 0 h z 陷波器 如第二章所述，脑电信号中的干扰以5 0 h z 工频干扰最为严重。工频干扰是 由输电线、周围的仪器设备及体内分布电容引起的。虽然前置放大器对共模干扰 具有很强的抑制作用，但有部分工频干扰是以差模信号方式进入电路的，且频率 处于脑电信号频带之内，加上电极和回路不稳定因素，前级电路输出的脑电信号 还是存在较强的工频干扰，必须加以滤除。为了去除人体或测试系统中产生的工 频5 0 h z 干扰，需用陷波器加以抑制。 以往文献中对脑电信号采集仪器普遍采用双t 陷波电路来滤除工频干扰， 但此类有源陷波电路的频率特性对电路元件的参数灵敏度较高，难以精确调试， 江苏大学硕士学位论文 电路稳定性不高。因此，本系统采用了b u r r - b r o w n 公司近年推出的u a f 4 2 集成 芯片设计的5 0 h z 陷波器。由于u a f 4 2 内部集成有所需的四级精密运算放大器、 5 0 土0 5 k f 2 的精密电阻和1 0 0 0 + 0 5 p f 的精密电容器，这就解决了在有源滤波 器的设计中难以获得电容、电阻的匹配和较低的损耗问题。使用u a f 4 2 设计时， 只要根据相应的设计公式计算出合适的外接电阻，经过简单的连接就能很好地满 足要求。 ( 1 ) u a f 4 2 的性能与结构【2 7 1 u a f 4 2 是一个二阶的单片有源模块，它的工作电压为+ 6 v - - d ：1 8 v ；电流范围 为士6 m a ；温度范围为2 5 一+ 8 5 。c ；输入最大电压为：土1 1 5 v ；共模抑制比为9 6 d b ； 开环增益为1 2 6 d b 。负载最大短路电流为：t ：2 5 m a 。u a f 4 2 有三种封装形式，本系 统采用1 4 脚的塑封u a f 4 2 a p ，内部结构图如图3 8 所示。从图中可以看 h 婚h 啪鹊b 引蚶中羽咚l a w - p a s s o u to u to u t m + 2 l 飞 3 吡 2 ”4 图3 8u a f 4 2 内部结构图 出有三个输入端( 其中i n l 为反相输入端、i n 2 和i n 3 为同相输入端) 和三个输 出端( 高通h i g h p a s so u t 、低通l o w - p a s so u t 、带通b a n d p a s so u t ) 。n 4 是一个 高性能的辅助运放，可方便地将其设计成缓冲器、放大器或求和电路。 ( 2 ) 5 0 h z 陷波电路设计与参数计算2 8 1 1 2 9 1 3 0 1 1 3 1 1 1 3 2 1 使用u a f 4 2 设计陷波器非常容易，只要外接6 个电阻就能实现。本系统采 用的5 0 h z 陷波电路如图3 9 所示。其参数电路通过下列公式计算。 江苏大学硕士学位论文 陷波器率：。= 辱弓 c ，吲 其中，a l l 为低通滤波器在f = o h z 时的增益；a i p 为高通滤波器在， 厶时的 3 9 利用u a f 4 2 a p 设计的5 0 h z 陷波电路 增益。五为滤波器的响应频率。一般情况下取舞鲁等于1 ，此时k 瑚变 为： 。= 兀( 3 一) 而兀的计算公式是：，o = r ，, x 三c x 2 z r 式( 3 7 ) 中，r 十= r f l = r f 2 ，c = c 1 = c 2 。 陷波器带宽的确定： 口矽，。= ? 名 其中，君辟i ，。= 0 一a ，q 为品质因素。 驴署 求和放大器增益的确定：q = 鲁= 鲁 ( 3 7 ) 江苏大学硕士学位论文 ( 3 1 0 ) 中，r z 3 为n 4 运放的反馈电阻，r z i 和r z a 为n 4 的输入电阻。因此针 对工频陷波器的设计步骤如下： 由( 3 7 ) 得：0 = f o = 5 0 h z ； 由( 3 _ 7 ) 得：腰= 面1 = 丽而1 i 石丽z 3 1 8 脚= 月，2 月，： 取b w 3 = l h z ，由( 3 7 ) 得q 2 5 0 由( 3 _ 9 ) 得：r q a5 1 0 f ) ； 取r z 3 = 1 0 0 k f l ，由式( 3 一l o ) 可知r z l = r z 2 = 2 k f 2 。 利用u a f 4 2 a p 设计的5 0 h z 工频陷波电路如图3 9 所示。 3 3 主放大电路 脑电信号经前置放大和滤波处理后，得到所需频带为1 5 h z - 3 7 h z 的信号， 但仅在前置级及低通滤波器对信号放大了1 1 2 5 = 2 7 5 倍，其幅值仍较低。为了 提高采集精度，必须对其进行进一步放大。本系统采用的a d c 的刻度范围为 0 - + 5 v 。主放大电路需要将幅值只有5 0 , u v 左右的信号放大至数伏且不超过a d c 的正满刻度电压。因此将主放大电路的放大倍数设定为8 0 倍，此时加上前面的 2 7 5 倍，系统总增益约为2 2 0 0 0 ，可以将5 0u v 的信号放大至1 1 v ，正好落在 a d c 的刻度范围之内，可获得很好的采集效果。 主放大电路采用简单的同相比例放大电路，为防止放大过程中由于运算放 大器电源过低导致输出信号达不到电路设计要求，因此主放大电路的运算放大器 o p 0 7 使用a ：1 2 v 的工作电压。主放大电路如图3 1 0 所示，主放大电路增益为8 0 。 江苏大学硕士学位论文 r 1 3 ，1 0 主放大电路 由此可见，由于采用了a d 6 2 0 ，使得原来复杂的前置放大器设计得以大大 简化；同时，调整元件和分立元件的减少还大大提高了电路的可靠性。至此，脑 电信号的采集调理电路的设计已完成，下一步将经过a d 转换送入单片机处理 器模块，通过处理器和外围处理设备对信号进一步的处理，以满足系统采集、存 储与传输等需求。 3 4 信号隔离电路 由于脑电仪器产品安全级别属于医疗器械1 类b f 型，因此需要采用隔离 技术：同时高速数字光电耦合器的不断成熟使得高速数字隔离得以实现。通过 实验发现，数字光电耦合隔离与模拟光电耦合隔离相比较有很多优点口3 i 。 第一，由于是先经过a d 转换将模拟信号转换成数字信号后再通过光电 耦合，因此光电耦合的噪声不对信号产生影响，使放大器的输入短路噪声大幅 降低。 第二，由于模拟隔离是在每一个放大通道上设置光电隔离，共需要1 6 个 光电耦合器，因此隔离性能会大大降低。泄露到a d 转换前的5 0 h z 干扰较多， 使脑电图的基线变粗。同时漏电流增加，安全性能降低，而数字隔离则只需要 4 个光电耦合器。 第三，脑电放大器要求1 6 个通道严格一致。但是模拟光电祸合的参数一 致性很差，因此需要逐个调节，给生产带来麻烦，不利于产品的性能稳定。数 江苏大学硕士学位论文 字光电耦合则不存在这些问题。 本系统采用的是h c p l 2 6 3 0 双通道光电耦合器，速度达到1 0 m b i t s s ，电 路简单，基本无须调试。实验证明完全满足使用要求。电路如图3 1 1 所示。 图3 1 1h c p l 2 6 3 0 光电耦合电路 江苏大学硕士学位论文 3 1 2 模拟电路原理图 江苏大学硕士学位论文 第四章系统接口电路设计 本章主要描述接口电路的设计过程，主要包括a d 接口、u s b 传输接口、 u s b 硬盘扩展接口等。 4 1e z - u s bf x 2c y 7 c 6 8 0 1 3 简介 由于e z u s bf x 2c y 7 c 6 8 0 1 3 单片机在本系统中的应用是本系统的一个特 点，所以本文先从u s b 总线的优点、基本架构、传输模式等方面对u s b 总线作 一简单介绍，并详细介绍e z u s bf x 2c y 7 c 6 8 0 1 3 单片机的启动方式和枚举、 程序数据存储器、端点缓冲区、外部f i f o 接口、中断资源。 通用串行总线( u s b ) 是c o m p a q 、i b m 、i n t e l 、m i c r o s o f t 、n e c 等7 家主 要计算机与电子科技大厂联合研发和规划出来的一种新的串行总线标准，主要应 用于p c 机及其外围设备的互联。u s b 总线具有成本低、使用简单、支持即插即 用及热插拔、易于扩展等优点，已被广泛应用于p c 机及嵌入式系统。目前，u s b 端口已成为微机主板上的标准端1 3 ，并且大多数微机外设( 如鼠标、键盘、显示 器、打印机、扫描仪、数码相机等) 都支持通过u s b 与计算机相连【3 4 1 【3 5 】。与传 统的总线相比，u s b 总线具有以下优点【3 6 】： ( 1 ) 使用简单 u s b 接口统一了各种接口设备的连接头，如通信接口、打印机接口、存储 设备等都采用相同的u s b 规范，连线简单。 ( 2 ) 总线供电 u s b 总线可为与其连接的设备提供5 v 电压1 0 0 m a 电流( 最大5 0 0 m a ) 的 供电。u s b 设备也可采用自供电方式。 ( 3 ) 即插即用 能自动检测和配置系统资源，无须另外设置i r q 中断、i o 地址以及d m a 等系统自由；支持热插拔，即在操作系统已开机的执行状态下添加删除设备系 统都不需要重新启动。 ( 4 ) 纠错能力强 江苏大学硕士学位论文 u s b 系统可设备的插拔进行实时管理。在u s b 协议中包含了传输错误管理、 错误恢复等功能，可以根据不同的传输类型来处理传输错误。 ( 5 ) 成本低 u s b 接口电路简单，易于实现，特别是低速设备更是如此。u s b 系统接i s i 电缆也比较简单，成本比串口并口低。 ( 6 ) 应用范围广 u s b 系统数据报文附加信息少，带宽利用率高，可同时支持同步传输和异 步传输两种方式。一个u s b 系统最多可连接1 2 7 个接口设备。u s b 设备的带宽 可从几k b p s 到几m b p s 或几百m b p s 。一个u s b 系统可同时支持不同速率的设 备，如低速的键盘、鼠标，全速的i s d n 、语音高速的图像等。 它所存在的缺点： 经过将近1 0 年的发展，u s b 硬件规范已从原来的u s b l 0 发展到现在的 u s b 2 0 ，其最高传输速度也从当时的1 2 m b p s 提高到4 8 0 m b p s 。u s b l 1 的接口 设备采用两种不同的速度：1 2 m b p s ( 全速) 和1 5 m b p s ( 慢速) 。其中慢速主要 应用于人机接口( h i d ) 上。这是一个用于连接鼠标、键盘、摇杆等设备的u s b 群组。u s b 2 0 利用传输时序的缩短( 微帧) 以及相关的传输技术，成功地将整 个传输速度提高了整整4 0 倍，最高可达4 8 0 m b p s ，即在一分钟内就可以完成2 g b 数据的传输，因此它能够有效地解决建置于v 1 0 及v 1 1 版设备的传输瓶颈。另 外，在连接端口扩充的同时，各种采用u s b 2 0 的设备仍可以维持4 8 0 m b p s 的最 高传输速度。在兼容性方面u s b 2 0 采用了向下兼容的做法，即可向下支持各 种以u s b l 1 为传输接口的各种外围产品( 不过，若要达到4 8 0 m b p s 的速度，还 是需要使用u s b 2 0 规范的u s bh u b ) 。 一般地，u s b 系统的基本架构可以分为三个主要部分：u s b 主机控制器根 集线器( h o s tc o n t r o l l e r r o o th u b ) 、u s b 集线器( u s bh u b ) 和u s b 设备( u s b d e v i c e ) 。如图4 1 所示。 江苏大学硕士学位论文 图4 1 u s b 基本架构图 ( 1 ) u s b 主机控制器根集线器( h o s tc o n t r o l l e r r o o th u b ) 所有在u s b 系统上的通信都是在软件控制下由p c 主机激活而实现的。主机硬 件包括u s b 主机控制器( u s bh o s tc o n t r o l l e r ) 与u s b 根集线器( u s br o o th u b ) 两种。一个u s b 主机控制器总与一个u s b 根集线器相连。 u s b 主机控制器一整个u s b 系统的大脑，负责激活u s b 系统上的处理动作。 目前有开放式主机控制器与通用式主机控制器两种。 u s b 根集线器提供u s b 连接端口( u s bp o r t ) 给u s b 设备或u s b 集线器 使用。主机控制器只要对根集线器下命令，然后再由根集线器传到正确的设备地 址。 ( 2 ) u s b 集线器( u s bh u b ) u s b 集线器用于设备扩展连接，所有u s b 设备都连接在u s b 集线器的端口上。 u s b 集线器为其每个端口提供l o o m a 电流供所连接的设备使用。同时u s b 集 线器可以通过端口电气特性的变化来判断设备的插拔操作，并通过相应u s b 主 机控制器的的数据包把端口状态汇报给u s b 主机控制器。一般来说，u s b 设备 与u s b 集线器之间的连线长度不超过5 米，u s b 系统的级连不超过5 级( 包括 u s b 根集线器) 。 ( 3 ) u s b 设备( u s bd e v i c e ) u s b 设备就是指u s b 外围设备，依照目前u s b 产品的规范，可以分为以下三种 江苏大学硕士学位论文 类型：低速设备、全速设备、高速设备。在个u s b 系统中，u s b 设备和u s b 集线器的总数不能超过1 2 7 个。u s b 设备接收u s b 总线上的所有数据包，通过 数据包的地址域来判断是不是发给自己的数据包：若地址不符，则简单地丢弃该 数据包；若地址相符，则相应u s b 主机控制器的数据包与主机控制器进行数据 传输。 u s b 系统的物理结构是一个星形结构，但在逻辑结构上，每个u s b 逻辑设 备都是直接与u s b 主机控制器相连而实现数据传输的。在u s b 总线传输中，因 不同的外围设备的类型与应用，制定了4 种传输模式：控制传输( c o n t r o l t r a n s f e r ) 、中断传输( i n t e r r u p tt r a n s f e r ) 、批量传输( b u l kt r a n s f e r ) 、等时传输 ( i s o c h r o n o u st r a n s f e r ) 。 表4 1 各种传输模式的相关特性 传输模式控制传输中断传输批量传输等时传输 传输速率 1 5 1 2 1 2 1 2 1 2 ( m b p s ) ( 1 5 ，低速) 数据最大长度1 6 4 ( 1 1 6 4 ( 1 8 ，8 16 3 2 6 41 1 0 2 3 ( 字节)8 ，低速)低速) 数据周期性无有无有 发生错误 可可可不可 时再传输 应用设备键盘、鼠标等打印机、麦克风、音响等 扫描仪等 最大带宽6 7 2 8 ( o 0 5 19 7 2 81 0 2 4 0 ( m b p s )低速) ( 1 ) 控制传输一它是u s b 传输中最重要的传输模式，惟有正确地执行完控制 传输，才能进步执行其它传输模式。这种传输用来提供介于主机与设备之间的 配置、命令或状态的通信协议，因此需以双向传输来达到这个请求。它包含三种 控制传输类型：控制读取、控制写入、无数据控制。 ( 2 ) 中断传输一它用于支持数据量少的周期性传输要求。全速设备的中断传 输周期可为1 2 5 5 m s ，而低速设备的中断传输周期为1 0 2 5 5 m s 。 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) 批量传输它是非周期性的数据传输，只有全速，高速设备支持此传输模 式，而且当且仅当总线带宽有效时才可进行批量传输。 ( 4 ) 等时传输仅适用于全速高速设备。它每m s 进行一次传输，并具有较 大的带宽。 c y p r e s s 公司生产的e z u s b f x 2 系列单片机是世界上第一款集成了u s b 2 0 的微处理器，它系统地集成了u s b 2 0 收发器、s i e ( 串行接口引擎) 、增强型 8 0 5 1 微控制器和可编程的外围接口。f x 2 系列单片机的这种独创性结构可使数 据传输率达到5 6 m b p s ，即u s b 2 0 允许的最大带宽。在f x 2 系列单片机中，智 能的串行接口引擎可以满足许多u s b i 1 和u s b 2 0 协议的处理，从而减少了开 发时间和确保了u s b 的兼容性。通用可编程接口( g e n e r a lp r o g r a m m a b l e i n t e r f a c e ，g p i f ) 和主从端点f i f o ( 8 位或1 6 位数据总线) 为a t a 、u t o p i a 、 e p p 、p c m c i a 和d s p 等提供了简单的无缝连接接口 3 7 1 o 4 1 1 基本结构 e z u s b f x 2 c y 7 c 6 8 0 1 3 结构图如图4 2 所示。它有三种封装形式：5 6 s s o p 、 1 0 0 t q f p 和1 2 8 t q f p 。 d + i ) - 图4 2e z u s bf x 2c y 7 c 6 8 0 1 3 结构图 江苏大学硕士学位论文 e z u s bf x 2c y 7 c 6 8 0 1 3 集成了以下特性： u s b 2 0 收发器、s i e ( 串行接口引擎) 和增强型8 0 5 1 微处理器； 软件运行：8 0 5 1 程序从内部r a m 开始运行，可以借助下列几种方式进行程序 装载： ( 1 ) 通过u s b 下载； ( 2 ) 从e e p r o m 中装载； ( 3 ) 通过外部存储器设备。 四个可编程b u l 刚糯r r u p i 竹s o c h r o n o u s 端点； 可选双、三和四缓冲 8 位或1 6 位外部数据接口 通用可编程接口( g p l f ) ( 1 ) 可以直接连接到并口，8 位和1 6 位； ( 2 ) 可编程波形描述符和配置寄存器； ( 3 ) 支持多个r e a d y 输入和c o n t r o l 输出。 集成标准8 0 5 1 内核，且具有下列增强特性： ( 1 ) 可以达到4 8 m h z 时钟； ( 2 ) 每条指令占四个时钟周期； ( 3 ) 两个u a r t ； ( 4 ) 三个定时肼数器； ( 5 ) 扩展的中断系统； ( 6 ) 两个数据指针。 3 3 v 电源系统； 智能串行引擎( s i e ) ； 矢量u s b 中断； 独立的数据缓冲区供s e t u p 和d a t a 包控制传输； 集成1 2 c 控制器，运行速度可达1 0 0 或4 0 0 k h z ； 四个f i f o ，可与a s i c 和d s p 等无缝连接； 专门的f i f o 和g p i f 自动矢量中断； 可用于d s l m o d e m s 、a t a 接口、h o m e p n a 、w l a n 、网络等。 江苏大学硕士学位论文 4 1 2u s b 启动方式和枚举 上电时，内部逻辑会检查连接到1 2 c 总线上的e e p r o m 中的第一个字节 ( 0 x c 0 或0 x c 2 ) 。如果是0 x c 0 ，就会使用e e p r o m 中的v i d p i d d i d 来替代 内部存储值；如果是o x c 2 ，内部逻辑就会把e e p r o m 中的内容装入到内部r a m 中；如果没有检查到e e p r o m ，e z u s bf x 2c y 7 c 6 8 0 1 3 就会使用内部存储的 描述符来枚举。e z - u s bf x 2c y 7 c 6 8 0 1 3 缺省的v i d p i d d i d 是0 x 0 4 8 4 0 x 8 6 1 3 0 x x x y y 。 。 当首次插入u s b 时，e z u s bf x 2c y 7 c 6 8 0 1 3 通过u s b 电缆会自动枚举且 下载固件和u s b 描述符表；接下来，f x 2 再次枚举，这次主要通过下载的信息 来定义设备。这两个步骤就叫做重枚举，当设备插入时它们就立即执行。 4 1 3 程序，数据存储器 ( 1 ) 内部数据r a m 如图4 3 所示，f x 2 的内部数据r a m 被分成三个不同的区域：低( l o w ) 1 2 8 、高( u p p e r ) 1 2 8 和特殊功能寄存器( s f r ) 空间。低1 2 8 和高1 2 8 是通用 r a m ，s f r 包括f x 2 控制和状态寄存器。 一l o w e r 1 2 8 l n d i r 。h “ c i n hr o x 7 r 。岁一”5 5 q 0 ”w g e n e r a l -、 o x f f ， o x f f p u m o s e u p p e rt 2 8 s f rs p a c e o x 3 f o x 2 f7 8 7 o x b ox n y a n r e g i s t e r b i c - a d d r e s s a b l e o x t f 1 3 a n ks e b d r p 州 i p s w 4 ：3 ) l o w e r1 2 b d l r o d 攥| d r e s s i n a i o z x0 0 o n l y 0 xf 1 1 o x r 0 - r 7f b a n k3 ) 弋 o x 。j 1 0 0 x f b o - r 7 ( b a n k2 o x o c ， 0 x o l ro - r 7f b a n k1 ) 驯州甜m ”删删岫蚓叼 0 0 x o j 0 x u l 0 0 x o rr 0 - r 7 ( b a n ko l 图4 3 内部数据r a m 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) 外部程序存储器和数据存储器 f x 2 有8 k 片上r a m ，位于0 x 0 0 0 0 - - 0 x l f f f ；5 1 2 字节s c r a t c hr a m ，位 于0 x e 0 0 0 - - 0 x e l f f 。尽管s c r a t c hr a m 从物理上来说位于片内，但是通过固件 可以把它作为外部r a m 一样来寻址。 f x 2 保留7 5 k ( 0 x e 2 0 0 0 x f f f f ) 数据地址空间作为控制，状态寄存器和 端点缓冲器。只有数据内存空间保留，而程序内存( o x e o o o - - o x f f f f ) 并不保 留。 4 1 4 端点缓冲区 f x 2 包含3 个6 4 字节端点缓冲区和4 k 可配置成不同方式的缓冲，其中3 个6 4 字节的缓冲区为e p 0 、e p i i n 和e p l o u t 。e p 0 作为控制端点用，它是一 个双向端点，既可为i n 也可为o u t 。当需要控制传输数据时，f x 2 固件读写 e p 0 缓冲区，但是8 个s e t u p 字节数据不会出现在这6 4 字节e p 0