基于WDF 的心電模塊驅(qū)動程序設計與實現(xiàn)

李健鐸 孟憲華

（東軟醫(yī)療系統(tǒng)股份有限公司，遼寧 沈陽110034）

1 心電模塊系統(tǒng)設計

在醫(yī)療診斷過程中，人體的心電（ECG）在診斷高血壓性心臟病上的臨床意義和應用價值。本設計心電模塊Physio 系統(tǒng)如圖1 主要包括連接電腦端的ECG 組合電纜，處理ECG 信號的邏輯電路，Cypress 型號CY7C64713（FX1）芯片以及Physio 探頭接口插件。

圖1 心電模塊系統(tǒng)

2 WDF 框架模型

WDF（Windows Driver Foundation）是微軟繼WDM（Windows Driver Model）之后提出的全新的驅(qū)動程序模型，目前在主流Windows7/8/10 操作系統(tǒng)中應用廣泛，相比WDM框架，WDF 框架擁有高度靈活，可擴展，實現(xiàn)了公共驅(qū)動程序功能（如電源管理、PNP 支持）。

本文驅(qū)動設計主要以Windows10 操作系統(tǒng)1803 版為基礎，USB 驅(qū)動主要使用的驅(qū)動程序堆棧是USB 3.0 stack，與USB 2.0 差別在于USB 協(xié)議層加載的基礎驅(qū)動程序堆棧不同，見表1，這導致了WDF 編寫風格的不同。

表1 驅(qū)動程序堆棧

3 驅(qū)動程序設計

WDF 提供了兩個框架，內(nèi)核模式驅(qū)動程序框架（KMDF）和用戶模式驅(qū)動程序框架（UMDF），本文設計使用的是KMDF 驅(qū)動程序架構(gòu)。

3.1 基本驅(qū)動框架

無論是內(nèi)核模式還是用戶模式的驅(qū)動程序，都采用同一套對象模型構(gòu)建，采用了同一個基礎承載，如表2 所示，通過調(diào)用WdfDriverCreate 函數(shù)創(chuàng)建一個驅(qū)動對象，貫穿整體驅(qū)動框架。在WDF 框架中，設備對象是驅(qū)動對象的核心成員，調(diào)用EvtDriverDeviceAdd 函數(shù)來創(chuàng)建所需的設備對象。與WDM不同的是，EvtDriverDeviceAdd 函數(shù)不僅完成創(chuàng)建設備對象，還會創(chuàng)建電源管理模塊、IO 隊列、設備驅(qū)動接口GUID 等一系列功能。

表2 基礎框架接口

3.2 URB 處理流程

KMDF 驅(qū)動不能直接與Physio 心電模塊通信，所以驅(qū)動需要創(chuàng)建請求并將其提交到USB 驅(qū)動程序堆棧進行處理，而每個請求中包含了一個URB 請求塊（USB request block），KMDF 驅(qū)動程序通過URBs 執(zhí)行所有設備特定的操作，包括數(shù)據(jù)傳輸。在將URB 提交到USB 驅(qū)動程序堆棧之前，KMDF 驅(qū)動程序必須用該請求的相關信息對其進行初始化。在Windows10 操作系統(tǒng)下，URBs 初始化方式也有明確的要求。主要分為四個步驟：URB請求包創(chuàng)建、URB 初始化、URB 信息填充、URB 發(fā)送。

表3 URB 基本操作函數(shù)

3.3 IO 讀寫函數(shù)

IO 讀寫函數(shù)不同于WDF 的BULK Write/Read 函數(shù)，為了與超聲系統(tǒng)兼容，讀寫函數(shù)在PhysioEvtIoDeviceControl()函數(shù)中執(zhí)行，以讀功能為例，通過FindUsbPipeType()函數(shù)獲取上下文句柄UsbPipeHandle，調(diào)用WdfUsbTargetPipeIsInEndpoint()函數(shù)獲取當 前 管 道 是 IN 還 是 OUT （ 讀 取 為 IN）， 利 用WdfUsbTargetPipeFormatRequestForRead()函數(shù)，當數(shù)據(jù)被讀取后執(zhí)行后回調(diào)函數(shù)EvtRequestReadCompletionRoutine()，至此，來自心電模塊的采集數(shù)據(jù)就傳遞到系統(tǒng)軟件中。

3.4 重枚舉過程

根據(jù)Cypress 芯片CY7C64713 設計要求，在設備加載驅(qū)動過程中需要下載兩次bix 固件，分別是引導文件physioFX1.bix和功能文件physio.bix。圖2 所示的是正確的加載引導及功能文件后，設備正常枚舉的情況。

圖2 設備枚舉成功

4 測試結(jié)果

結(jié)合超聲系統(tǒng)環(huán)境，在成人心臟的預設下如圖3 所示，利用心電模擬器進行波形仿真：

圖3 心電模塊模擬仿真圖

5 結(jié)論

本文主要介紹了Windows10 操作系統(tǒng)下的心電模塊的驅(qū)動開發(fā)，并在超聲系統(tǒng)中模擬波形驗證，同時圍繞心電模塊進行了相關通道控制測試，確保了設備的安全性及可靠性。