肺功能机原理和单片机USB模块研究

第一章引言

1.1选题依据与研究现状
此研究课题的任务是对普利门公司原有CMS-2型肺功能测定仪的升级改进。改进的目的是保留其固有的显示和打印等功能，同时可以使其与计算机连接，通过计算机操作和使用标准打印机打印测试报告。考虑到目前计算机上的异步串口正在减少，甚至便携计算机上已经没有这种接口，取而代之的是通用串行总线（USB)接口。所以，基于通用性和便携性的考虑，本课题的主要研究任务是通用USB接口的幵发技术，并在肺功能机上予以实现。USB是通用串行总线（Universal Aerial Bus)的简称，在1995年被首次提出。1996年1月，USB-IF公布了 USB规范白皮书1.0版本，其后是几年的开发和预发布。
1998年10月，公布了 1.1版本，其相对于1.0作了修改并扩充了内容。随着在1998年6月Windows98的公布，USB开始在PC机上得到支持。此时，有很多厂商提供USB外设，并且USB开始变成了一个流行的接口。Windows 98第二版（SE)修补了很多缺陷并进一步加强了对USB的支持USB2.0的版本公布于2000年4月27円，其速度达到了 480Mb/s，是USB1.1设备的40倍！并且向下兼容USB1.1版本的设备[2]。随后，在2001年12月底，推出了 USBOTG，使得USB设备既可以作为主机，也可以作为设备[3]。USB总线通信快速、连接方便、易于使用、数据传输可靠、省电等优点，可以连接键盘、鼠标、手机、扫描仪、打印机、无线上网卡等各种外部设备。USB在中速和低速外围设备的发展较广泛，但最近又推出了 USB3.0，使其在大数据传输和高速领域也得到了迅猛的发展。USB3.0标准接口的实际传输速率约为3.2Gb/s,而理论上的最高速率则达到了 4.8Gb/s。与USB2.0半双工传输接口不同的是，USB3.0接口釆用全双工数据传输。
其线缆共有5根数据线，其中两根用于发送数据，两根接收数据，另外一根是参考地线。电源的负载能力已增加到150毫安（USB2.0是100毫安），最小工作电压从4.4V降到了 4V,更加省电。以后USB3.0将应用在外置硬盘、高分辨率网络摄像头、视频显示器、蓝光光驱等设备。PIC单片机是一款由美国Microchip公司生产的高性能单片机。在无数的单片机系列中，PIC单片机以其功耗低、性能高、价格低等优势在单片机市场中迅速崛起。在1989年微芯公司推出第一款8位单片机,然后连续数年不断创新，在2003年己占据全球8位单片机年生产销售量第一的位置。PIC单片机采用精简指令集的单片机结构，并釆用了程序空间和数据空间完全分离的哈佛总线结构。目前，PIC单片机的应用已经非常盛行，如家电产品、超速预警器、小型控制系统等领域都已使用[4] [5]。

1.2肺功能机简介
肺功能测定是一种临床上的常规检查，它可以在早期检查出肺和气道疾病，并评估病情的严重程度及治疗方法等。肺功能机则是通过检测呼气流速，然后计算出多项医学参数来进行评估的仪器[6][7]。 ‘原肺功能机主要由键盘、显示器、指示灯、蜂鸣器、微型打印机及微控制器组成。
当测试人员通过呼气套嘴快速呼气时，气体经过祸流导流架形成强有力的“祸势”，其中心为祸核，外部为环流。前进的“祸势”经过测量传感器壳体的收缩段启，祸核直径沿着流动方向缩小，而祸旋强度却随之加强。在传感器触头附近；润旋进入扩大段，由于流速的急剧下降，祸旋中心压力比周围压力低，从而产生回流。由于回流的产生，迫使像刚体一样旋转的祸核在扩大段做一种类似于陀螺的受迫稳定进动。祸核的进动是贴近扩大段壁面进行的，而且这一进动频率与流速成正比.。..装在壳体上的传感器触头，被稳定的恒流源加热。当祸核进动带走传感器触头周围热量，从而使触头两端电位产生相应的周期变化，通过电子检测线路将这一微弱的、频率比较高的信号进行检测，以脉冲信号的形式传送给微处理器。经过处理器分析计算，可得出各种通气性能参数，显示器可显示全部测试过程和医学参数，自带的微型打印机可打印出全部测试结果。

1.3本课题研究内容
本课题是在分析研究USB技术规范的基础上，结合传输特点选择HID类进行硬件和通讯程序设计。肺功能机的改进主要是从下位机硬件改进设计、下位机程序改进设计和上位机应用程序设计这几个方面来进行。改进的目的是要达到实时采集测试数据并能够通过USB总线及时发送到计算机。设计了上位机人机界面，主要包括显示肺功能测试曲线和打印功能，使肺功能机在人机界面和通讯等方面的功能进一步加强。

第二章 USB总线简介 ..................11-19
    2.1 USB总线拓扑结构 ..................11-13
    2.2 USB物理接口 ..................13
    2.3 USB总线协议 ..................13-19
        2.3.1 包标识符 ..................14-15
        2.3.2 包格式 ..................15-17
        2.3.3 事务格式 ..................17
        2.3.4 USB传输 ..................17-19
第三章 肺功能机下位机设计 ..................19-40
    3.1 PIC单片机USB模块 ..................19-21
    3.2 硬件改进设计 ..................21-25
        3.2.1 电源DC/DC设计 ..................21-23
        3.2.2 接口电路设计 ..................23-25
    3.3 PIC单片机固件开发与编译工具 ..................25-26
    3.4 USB设备识别 ..................26-33
    3.5 固件编程 ..................33-38
    3.6 系统流程与采集 ..................38-40
第四章 上位机应用程序设计 ..................40-52
    4.1 读写HID类设备报告 ..................40-45
        4.1.1 打开HID类设备 ..................40-44
        4.1.2 读写HID报告 ..................44-45
    4.2 绘制曲线 ..................45-50
        4.2.1 使用TeeChart绘制曲线 ..................46-48
        4.2.2 打印预览与打印曲线 ..................48-50
    4.3 测试结果输出 ............ m......50-52
        4.3.1 列表输出 ..................50-51
        4.3.2 主界面测试结果 ..................51-52

总结

本论文首先对USB总线的特点和总线结构进行了分析，并介绍了肺功能机的原理和PIC单片机USB模块的结构和相关寄存器定义。然后，对肺功能机通讯接口提供了一种设计方案。通过DC-DC转换芯片由5V转为3.3V为单片机供电，并增加电平转换芯片来与液晶屏和微型打印机连接。同时，根据单片机引脚的耐压和驱动能力来选择使用引脚。下位机程序首先是根据USB协议，编写设备描述符、配置描述符等数据结构。?然后从PIC单片机USB模块中断响应幵始，判断状态寄存器标志位，进入到设置、输入、输出事务处理函数中。解析设置事务数据包命令，响应请求命令。设置地址或状态，准备请求描述符数据，把缓冲器描述符表的控制权交由SIE来使能发送。HID类设备通过中断传输方式，由端口轮询总线状态。
当有仪器操作的命令发送到下位机后，下位机响应命令并进行测试。上位机程序是基于MFC向导创建的对话框应用程序。包括测试者信息输入模块、仪器操作和结果显示模块，以及容量/时间曲线图和流量/容量曲线图的输出。结果显示模块是通过添加到对话框资源的列表控件把测试参数以表格形式输出到显示屏上，而两幅曲线图的绘制则是通过TeeChart控件完成。对话框应用程序同时支持打印预览及打印功能，所有测试结果都可以被打印出来。