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本设计的工作
分析心电数据记录的要求和研究 USB 规范的基础上，提出了对标准Ⅱ导联心电图同步采集并且利用 USB 2.0 接口和主机通信的一种仪器设计方案，论文主要完成以下几个方面的工作：
1、总体方案设计： 依据一般心电图仪的结构布置，提出基于 USB2.0 的标准Ⅱ导联心电记录仪的布置。
2、前置放大滤波设计：为了获得有效的，干净的心电信号，送入 A/D 进行模数转换，需要前置放大级对信号进行放大滤波，这里采用两级放大结构，G=25×32=800，通带范围 0.05 Hz ~100Hz，和 50Hz 工频陷波。
3、A/D 模块设计：采用了Microchip公司生产的4通道12位的逐次逼近串行A/D转换器MCP3204。
4、USB 模块设计：使用 Cypress 公司 EZSB FX2 系列的 CY7C68013 实现对仪器与 PC 的数据传输的控制。
系统的整体方案设计
本系统包括心电信号采集电路、USB2.0接口电路、CPLD控制电路、光电隔离、A/D转换等电路，如图3-1所示。
图3-1 系统构成
该系统用于完成心电(ECG)的模拟信号的拾取、放大和预处理功能。经A/D转换后，将心电信号数据送入PC平台显示、保存和分析[5]。
3.2 系统的设计要求和方案选择
3.2.1 系统设计要求
根据生物电信号的特征，为了实现精确、实时的采集，该系统应满足以下要求[6][7]：
系统要求数据能够实时传输，以实现实时通信，达到实时监护的目的；
该系统为低速数据采集系统，仅要求能实现的最高采样频率范围为100KHz；
针对生物电的低频微弱信号（毫伏级）的特征，要求数据采集模块的放大倍数达到500~1000倍；
待测生理信号处于强噪声背景下，所以要求整个系统将低频噪声、热噪声和工频干扰降到最低；
为了降低数字信号和模拟信号间的相互干扰，提高系统安全性，系统硬件需要分割为数字电路和模拟电路，电路模块之间由光电隔离电路实现数据通信。
3.2.2 信号转换模式的选择
通常在设计信号采集系统时，首先根据被测信号的特点及对系统性能的要求，选择系统的结构形式。进行结构设计时，主要考虑被测信号的变化速率和通道数，对测量精度、分辨率、速度的要求等。此外，还要考虑性能价格比等。常见的数据采集系统有多通道共享采样/保持器型数据采集系统、多通道同步型数据采集系统和多通道并行数据采集系统。本系统中选择了如图3-2所示的多通道共享采样/保持器型数据采集系统。
图3-2 多通道共享采样/保持器型数据采集模式
这种结构形式采用分时复用转换器的工作方式，多路被测信号共用一个采样/保持器和一个转换器。在某一时刻，多路开关只选通其中的一路输入信号，将它接入到采样/保持器的输入端。当采样保持器的输出己充分逼近输入信号时，在控制命令的作用下，采样保持器由采样状态进入保持状态，转换器开始进行模/数转换，转换完毕后输出数字信号。就在转换期间，多路开关将下一路被测信号接通到采样保持器的输入端。系统不断重复上述操作。这种结构简单，所用芯片数量少，它适合于信号变化速率不高，对信号采样同步要求不高的场合。若信号变化速率很慢，也可以不用采样/保持器。如果信号比较弱，混入的干扰信号比较大，则需要放大器和滤波器，对目标信号进行预处理。
3.2.3 数据传输模式的选择
由于本设计中，需要采集和传输的信号是缓变的低频信号，所以对于本系统的传输速度要求其实并不高，但是必须保证数据传输的准确性。在USB协议定义的四种传输模式中,批量传输具有差错校验,可以保证数据传输的正确性。所以在本例中,选择准确性较高的批量传输方式，并将端点2设成512字节四重缓冲数据缓存器（FIFO），如图3-3所示。USB执行IN传输，外围器件端若有1个FIFO为“半满”，就可以继续发送数据，当前操作的FIFO写“满”时，FX2自动将其转换到USB接口端，排队等待读取；并将外围器件接口队列中下一个为“空”的FIFO转移到外围接口上，供其继续写数据。
图3-3 四倍缓冲方式
USB接口端与此类似，只要有1个FIFO为“半满”，就可以继续读取数据。当前操作的FIFO读“空”时，FX2自动将其转换到外围器件接口端，排队等候写入；并将USB接口队列中下一个为“满”的FIFO转移到USB接口上，供其继续读取数据。从而大幅提高了数据传输率，最高可达480Mb/s。
3.2.4 光电隔离电路的选择
在本系统的信号采集电路中,需要将被检测的人体生理信号放大到所要求的强度,考虑到人体安全和抗干扰的因素,要对信号进行有效的隔离。光电耦合器构成的隔离电路结构简单,且隔离效果好。如果将光电耦合电路放置于A/D转换器之前，即对模拟信号进行光电隔离，我们就需要选择高性能的光电耦合器或者增加补偿电路，以满足系统对于信号线性度的要求，并消除温漂的影响，这样既增加了电路的设计难度，又提高了系统成本。所以在本系统中，我们设计将光电耦合电路放置于A/D转换器之后，只需简单的电路就可以实现隔离功能，如图3-4所示。
图3-4 控制与A/D转换电路
光电耦合器内部的光电晶体管工作在开关状态，因此不受非线性和温漂的影响，从而不会影响整个系统的线性度和精确度。
3.2.5 系统芯片的选择
我们以系统设计整体方案为指导，根据具体的设计要求，对组成各个功能电
路的核心芯片进行了选择，本设计利用CY7C68013作为USB2.0接口芯片；低成本的可编程逻辑器件EPM7128用于完成硬件系统的时序编程和控制信号的产生；综合考虑性能和价格因素，选用MICROCHIP公司生产的MCP3204芯片作为数据采集系统的A/D转换器；对于系统中使用较多的仪表放大器，这里选择了高性能的LF347构成放大、整流和滤波电路；出于对模拟电路的动态范围的考虑，我们使用逆变电源模块SR5D12S5，为整个模拟电路提供5V和±12V的电压。在表3-1中列出了整个硬件系统所选则的主要芯片的型号、厂商以及性能等参数说明。
表3-1 系统芯片选择
芯片型号 厂商 主要性能参数 功能 性能描述
USB
CY7C69013
CYPRESS MCU 增强8051 与PC进行告诉数据传输，并控制I/O 接口性能高于本系统要求，为换代产品留有扩展空间
端点 2.4.6.8端点
从属FIFO 512*4
传输速率 12~480Mbps
CPLD
EPM7128
ALTERA I/O 68 格式转换和时序控制 速度快，I/O和可用门数达到要求
可用门 2500
速度 147.1MHZ
A/D
MCP3204
MICROCHIP 转换精度 12位 高精度的模数转换 精度和速度都满足要求
采样率 100Ksps
通道数 4通道
放大器
LF347
AK 增益带宽 4MHz 模拟信号放大 滤波和整流 噪声小，频带宽，能够满足生物点检测的高输入阻抗的要求
输入阻抗 1012 Ω
噪声 0.1pA
电源
SR5D12S5
SAPS 输入电压 4.75V ~5.75V 电压变换 输出电压和电流符合系统要求
输出电压 ±12V 、5 V
输出电流 100mA
3.3 系统开发方法和开发工具
3.3.1 系统的开发方法
在开发的前期论证阶段，利用Protel进行电路原理图绘制和PCB板的设计[8]，采用Multisim2001进行调试和防真；而CPLD的开发，仿真和调试是借助于ALTERA公司的Quartus II 平台，且采用VHDL语言编写控制程序[9]，以实现需要的功能。
在调试USB接口（CY7C68013）时所利用的是CYPRESS公司提供的CY3681开发套件（EZ-USB FX2 Development Kit）。固件程序采用C51 语言编写，利用Keil C51的uVision2编译器进行编译[10]。
通过CYPRESS公司提供的EZ－USB控制面板（EZ－USB Control Panel）进行固件代码调试。通过它，可以将编译好的固件代码下载至目标芯片中，并能够详细观察到USB芯片的各种工作参数。
3.3.2 系统的开发工具
系统开发分为采集设备开发和主机系统开发两部分，采集设备的开发采用CYPRESS公司提供的EZ-USB FX2 Development Kit开发工具，其中包括以下USB2.0系统开发工具：
EZ-USB FX2开发板；
EZ-USB FX2固件库函数和固件框架；
EZ-USB FX2通用设备驱动程序；
EZ-USB FX2固件例程；
EZ-USB FX2控制面板；
EZ-USB FX2文档；
Keil C51软件的一些配套软件和工具。
除了EZ-USB FX2 Development Kit提供的工具以外，USB2.0设备控制和信号采集系统开发还需以下工具：
Full Keil Development System；
Microsoft Visual C++ (主机应用程序开发平台)；
Microsoft WDM DDK；
Windows 2000 PC (带USB2.0接口)；
A/D转换器及相关电子元器件若干。
驱动程序采用了CYPRESS公司提供的EZ-USB FX2系列芯片的通用驱动程序EZ_USB.SYS，它足以满足本系统的需求，大大简化了整个设计的难度。
