本论文需完成多通道生理信号采集系统的硬件设计以及波形显示软件系统。四路生理信号通过生理信号传感器采集并进行放大、滤波电路等处理（由其他同学毕业设计完成），再由AD转换器转换成数字信号，经USB控制芯片传输到PC机，PC机将数据处理成波形。本设计主要完成三部分内容：AD转换，USB接口固件设计和波形显示程序的开发。
系统概况
生物医学信号检测与采集是对生物体中包含的生命现象、状态、性质和成份等信息进行采集和量化的技术。由于人体生理信号的复杂性、微弱性、易受干扰等特点，生物信息处理系统对信息检测系统传送过来的信号必须进行各种处理，包括放大、滤波、变换、转换等各种处理和分析。本设计要求采集四路生理信号，采集数据并在PC机上显示出波形，系统由生理信号处理模块和生理信号采集模块组成。
2.1.1 生理信号处理模块
本系统的信号处理模块由生理信号传感器、放大电路、滤波电路组成。生理信号传感器负责将人体的生理信号转化成电信号，由于人体生理信号的幅值一般都是mv级，且容易受外界干扰，因此需要对电信号进行放大滤波处理，把传感器转化成的电信号放大，以满足ADC的模拟输入量的范围要求，便于ADC转换。模块图如图2-1所示：
 
图2-1生理信号处理模块
2.1.2 生理信号采集模块
PC机只能处理数字信号，因此必须对处理好的生理模拟信号进行模数转换，再通过控制器将转换后的数字信号控制传输到PC机上，通过应用程序的编写显示出相应的生理。因此生理信号采集模块由ADC、控制器组成。ADC将经过生理信号处理模块送来的模拟信号转换成数字信号，微控制器是整个信号采集模块的核心，主要完成USB工作方式的选择、系统初始化、单片机的工作控制，在主程序中完成对AD 采样数据的传输与控制，以及与PC机通信。

系统总体框图如图2-2所示：

图2-2 系统总体框图
 
第3章 系统硬件电路分析与设计
本设计中，为达到系统成本、功能、结构上的要求，通过对器件的选择与分析，完成了AD7862与USB控制芯片CY7C68013通信接口电路的设计。
3.1  AD的选择与分析
AD转换器在本系统中要对多路生理信号（心电、心音、脉搏、血压）进行模数转换，将模拟生理信号转换成数字信号通过USB控制器送至PC机显示波形。四路生理信号中心音成分最复杂，最高频率可达1000HZ，根据奈奎斯特采样定律，采样频率fs≥2fh,（fh为信号成分中最高的频率）若要完成四通道数据采集，则AD的转换时间必须小于125us, 同时还要考虑AD的精度、转换速度，AD的这些技术指标决定AD的性能的好坏及转换结果的优劣。因此，该器件的选择对整个设计有很重要的作用。
1. MCP3204
MCP3204虽然可进行4多通道选择，最大采样率可达到100ksps，12位转换，和微处理器之间数据交换最直接、最有效的方法是利用微处理器的SPI总线接口与MCP3204的SPI接口通讯，这样，只需占用微处理器很少的资源便能很快获取转换后的数据。但是，当微处理器不带SPI接口时，如常用的51系列单片机89C52，则需要运用微处理器输人输出口线及其软件来模拟SPI接口的操作，以获取MCP3204转换的数据。比较复杂，增加设计的难度。
2. AD0809
ADC0809是8位A/D转换器、8路通道以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口，转换时间为128us, 速度低而且精度较差。
3. AD7862
AD7862是12位AD转换芯片，4 通道模拟输入，2路同时转换(内置2个可同时工作的12位集成AD转换器，速度快)，4μs转换时间，250ksps采样速率，可选择模拟量输入范围：±10V(AD7862_10)，±2.5V (AD7862_3)，0～2. 5V(AD7862_2)，高速12位并行总线输出，AD7862可以使用内部或外部参考电压，在参考电压VREF端用 0.1μf 钽电容接至模拟信号地 AGND 端，AD7862内部将产生 +2.5V 的参考电压。如果使用外部参考电压，应使用高精度的+2.5V基准电压芯片AD680 ,AD780 等的输出接至参考电压 VREF端。单一电源+5V。
综上，AD7862转换速度完全可以达到本系统对生物信号采集的要求，且内置2个可同时工作的12位集成AD转换器，速度快，可选择模拟输入量范围，直接和芯片连接，实现四通道模拟信号的转换，结构简单，几乎无需外围器件，便可以工作，从而减少了由外围器件引入的干扰和误差。芯片性价比合理，因此选择AD7862。
     其高速采样读取典型工作时序图如图3-1所示：

图3-1 工作时序图
    其中，通过多路选择控制信号A0可以对输入模拟通道进行选择。当A0=0时，AD7862将对A组两路信号VA1、VA2同时进行模数转换；当A0 =1时，对B组两路信号VB1、VB2同时转换。在CONVST下降沿脉冲下，跟踪/保持器同时保持两路输入信号，并且开始对2路信号同时进行模数转换，这时BUSY脚电平抬高表示正在进行转换。在经历4μs以后，转换完成，BUSY脚电平变低，数据存放在输出锁存器中。在CS信号选通条件下，向RD引脚提供连续脉冲，就可以访问转换结果。根据信号A0是低或高电平，模数转换后第一个读脉冲将读取转换结果VA1或VB1，第二个读操作将读取转换结果VA2或VB2。数据结果将通过12位数据总线一次读出，其中DB11=MSB。
3.2  USB控制芯片的选择
USB控制芯片在本系统中的作用是对经过模数转换后得到的生理数字信号进行控制传输到pc机，对数字信号采集过程进行控制，并与PC通信进行数据传输，属于USB功能设备的开发。因此选择一种高效、方便、经济的USB控制芯片可以大大缩短设计周期。目前市场上供应的USB控制器主要有两种：
1.纯粹的USB接口芯片。纯粹的USB接口芯片仅处理USB通信，必须有个外部微处理器来进行协议处理和数据交换。纯粹的USB接口芯片主要特点是价格便宜、接口方便、可靠性强，尤其适用于产品的改型设计。典型的产品有Philips公司的PDIUSBD11/12、NS公司的USBN9603/9604(并行接口)、NetChip公司的NET2888。但其明显的缺点是至少需要两个芯片(MCU和USB芯片)，电路设计和调试比较复杂，不利于快速开发一个项目。
2.带USB接口的单片机。带USB接口的单片机从应用上可分为两类：一类是从底层设计专用于USB控制的单片机，另一类是增加了USB接口的普通单片机，选择这类USB控制器的最大好处是开发工具简单，如Cypress公司的EZ-USB FX2芯片CY7C68013。
结合本系统的设计要求和实际情况，选用Cypress公司的USB2.0功能设备芯片CY7C68013 _128AC来完成数据采集任务。主要考虑因素如下：
1.自带通用驱动程序，不用非常深入地了解USB底层协议，即可顺利地开发所需的USB外设，大大降低开发难度。
2.该系列芯片可采用“软”配置，开发者可将PC机上修改好的固件程序下载到芯片中执行，不用反复烧写芯片，从而节省开发时间。
3.传输速率。68013和USB主机交换数据时可以使用的传输速率，分为1.5Mb/s的低速传输、12Mb/s的全速传输和480Mb/s的高速传输。
4.传输类型。68013和USB主机交换数据时可以使用的传输类型，分为批量传输、同步传输、中断传输和控制传输。
5.硬件资源。68013片内有8.5KB的RAM, 4KB的FIFO存储器、128脚封装的FX2有40个I/O口、16位地址总线、8位数据线。
6.功耗。如果设备功耗小，可采用总线供电方式，而省去不方便的外置电源。68013支持挂起方式。
7.芯片的价格。为节约成本，应选择性价比最高的芯片。68013集成了USB核和增强型8051控制器，软件更新方便，且价位适中。
8.其他因素。选择USB芯片时还考虑到封装形式、质量标准、供货情况、生命周期等因素，68013市场反映良好。
9.自我因素。选择自己熟悉的硬件结构和固件编程语言。
CY7C68013内部集成了一个增强型的51内核，其指令集与标准的8051兼容，并且在多方面有所改进。例如：最高工作频率可达48MHz，一个指令周期为4个时钟周期，两个UART接口，三个定时计数器，一个I2C接口引擎等。
CY7C68013提供了一个串行接口引擎(SIE)，负责完成大部分USB2．0协议的处理工作，从而大大减轻了USB协议处理的工作量，并且提供了4KB的FIFO保证数据高速传输的需要。
    CY7C68013提供了两种接口方式：Slave FIFO方式和GPIF方式， Slave FIFO方式是从机方式，外部控制器可像普通FIFO一样对FX2的多层缓冲FIFO进行读写。FX2的Slave FIFO方式可设为同步或异步；工作时钟可选为内部产生或外部输入；其他控制信号也可灵活地设置为高电平有效或低电平有效。在从属FIFO模式下，外部逻辑或外部处理器直接与FX2端点FIFO相连。在这种模式下，GPIF不被激活，因为外部逻辑可直接控制FIFO。此时，外部主控端既可以是异步方式，也可以是同步方式，并可以为FX2接口提供自己的独立时钟。而GPIF是主机方式，可以软件编程读写控制波形，几乎可以对任何8/ 16bit接口的控制器、存储器和总线进行数据的主动读写。
    从属FIFO连接外部逻辑到FX2的4个端点（EP2、EP4、EP6、EP8）存储器，这些端点存储器具有如下的可编程特性：
1.可以是批量传输、中断传输、同步传输中的任何一种形式；
2.传输方向可以是IN或是OUT；
3. EP2和EP6存储器的大小可以是512字节或1024字节中的一种，EP4和EP8存储器的大小固定在512字节；
4.FX2自动向从属FIFO接口提交端点数据（AUTOIN=1，AUTOUT=0）；
上电复位后，这些端点存储器设置如下：
EP2存储器：批量输出OUT，每包512字节，2倍。
EP4存储器：批量输出OUT，每包512字节，2倍缓冲。
EP6存储器：批量输入IN，每包512字节，2倍缓冲。
EP8存储器：批量输入IN，每包512字节，2倍缓冲。
CY7C68013内部简化结构图如图3-2所示。