基于藍(lán)牙技術(shù)的醫(yī)療設(shè)備間數(shù)據(jù)通信接口設(shè)計

隋圣斌 貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院/貴州省人民醫(yī)院設(shè)備處 顧平 貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院

前言：醫(yī)療設(shè)備在現(xiàn)代醫(yī)療工作中占據(jù)著重要地位，是開展各項醫(yī)療工作的基礎(chǔ)。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)療設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信也變得越來越頻繁。加強醫(yī)療設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯抗ぷ鲗μ岣哚t(yī)療數(shù)據(jù)傳遞效率、提高醫(yī)療水平具有重要意義。藍(lán)牙技術(shù)作為一種無線傳輸技術(shù)，被廣泛應(yīng)用在便攜式設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸中。因此，研究以藍(lán)牙技術(shù)為基礎(chǔ)的醫(yī)療設(shè)備間數(shù)據(jù)通信接口設(shè)計十分必要。

1 藍(lán)牙技術(shù)分析

1.1 藍(lán)牙技術(shù)概述

藍(lán)牙技術(shù)工作頻率為2.4-2.485GHz的ISM波段。是一種可以有效替代便攜式醫(yī)療設(shè)備間連接線纜的點對點或點對多點的實時通信技術(shù)。藍(lán)牙技術(shù)可以將參與數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備組成微微網(wǎng)，使其能夠順利進(jìn)行無限數(shù)據(jù)傳輸，并通過快速跳頻以及前向糾錯方案提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性與可靠性。

1.2 藍(lán)牙技術(shù)開發(fā)模式分析

一般來說，藍(lán)牙的開發(fā)模式有兩種。第一，單微控制器模式。這一模式是將藍(lán)牙的協(xié)議棧以及應(yīng)用程序放置在系統(tǒng)中的一個模塊中，在使用過程中利用集成處理器以及DSP對應(yīng)用程序進(jìn)行處理，外部處理器的并非必需。第二，雙微控制器模式。在這一開發(fā)模式中，藍(lán)牙的協(xié)議棧與應(yīng)用程序由主機以及主機控制器來實現(xiàn)。而主機以及主機控制器之間的鏈接主要利用標(biāo)準(zhǔn)物理總線接口進(jìn)行連接。為確保藍(lán)牙應(yīng)用的正確運行，需要使用主機控制器接口（HCI）將藍(lán)牙主機以及藍(lán)牙模塊連接起來。當(dāng)前，被廣泛使用的藍(lán)牙通信標(biāo)準(zhǔn)主要為RS232。這一操作標(biāo)準(zhǔn)具有較強的操作性、成本較低等特點。

1.3 主機控制器接口分析

主機控制器接口（HCI）在雙微控制器模式中是不可或缺的部分，是藍(lán)牙設(shè)備軟件與硬件之間的連接樞紐。主機控制器接口的存在，實現(xiàn)了主機向控制器發(fā)送各種指令、數(shù)據(jù)的功能。當(dāng)前，藍(lán)牙主機與主機控制器之間的控制方式主要為“指令-應(yīng)答”。①主機控制器接口根據(jù)其功能可以劃分為三個部分即：固件、驅(qū)動程序、數(shù)據(jù)傳輸層。固件存在于主控制器內(nèi)部，具有兩方面的功能：第一，實現(xiàn)物理鏈路的創(chuàng)建；第二，接收主機發(fā)送的指令，并向主機發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)。②驅(qū)動程序位于主機中，通過結(jié)構(gòu)被藍(lán)牙的應(yīng)用程序所調(diào)用。同時，它也會發(fā)送主機控制器接口指令或固件所返回的數(shù)據(jù)。③主控制器傳輸層是固件以及驅(qū)動程序之間傳輸數(shù)據(jù)的橋梁。當(dāng)前的藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范中常用的傳輸層有三種即：USB傳輸層、UART傳輸層以及RS232傳輸層。其中的RS232傳輸層主要應(yīng)用在不同實體的數(shù)據(jù)傳輸中。其傳輸距離相對較遠(yuǎn)。而UART傳輸層往往是針對主機與主控制器位于同一個電路板中的情況。

2 以藍(lán)牙技術(shù)為基礎(chǔ)的醫(yī)療設(shè)備數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

以藍(lán)牙技術(shù)為基礎(chǔ)的醫(yī)療設(shè)備數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要由三個部分即藍(lán)牙板塊、電源電路以及RS232接口驅(qū)動單元所組成。不同廠商的藍(lán)牙芯片具有不同的性能，在實際的設(shè)計中需要根據(jù)設(shè)備進(jìn)行選定。當(dāng)前所使用的藍(lán)牙芯片已經(jīng)具備了將射頻、基帶、協(xié)議棧、收發(fā)器等集成的能力。不僅僅擁有更大的內(nèi)存、更高的傳輸效率，還具有較低的能耗。而RS232接口的驅(qū)動單元目前也采取了能耗耕地的雙組驅(qū)動器與接收器。電源電路是整個數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的能源支持，其質(zhì)量直接關(guān)系到系統(tǒng)的正常運行。為了簡化系統(tǒng)運營操作，當(dāng)前的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)往往使用串口切點技術(shù)。也就是直接從PC端上的RS232接口竊電。然而該技術(shù)所提供的電能非常有限。如何降低數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的能耗則成了整個系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。

3 電源電路設(shè)計

電源電路設(shè)計的目的，在于確保數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中各部分正常運行的情況下盡可能降低能量消耗。根據(jù)RS232接口的特點，目前的9針接口通常采用3線接線法。所用的針腳為2、3、5。電源轉(zhuǎn)換器則根據(jù)串口竊電法從RS232接口獲得電能，通過自身轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生+3.3V的電源以供藍(lán)牙模塊以及電路使用。RS232三根信號線中，利用TXD數(shù)據(jù)線可以獲得更高的電能以滿足系統(tǒng)的使用需要，確保電路工作正常。而要使用該數(shù)據(jù)線電流則必須添加二極管以提高電流的穩(wěn)定性。利用DTR2與RTS兩條線路可以獲得輸出功率為168mW，通過電源調(diào)節(jié)器處理后，可以獲得35.6mA的穩(wěn)定電流。

藍(lán)牙模塊穩(wěn)定工作要求有3.3V、20mA的供電，上述方案完全可以滿足藍(lán)牙正常使用的需求。在該電源電路設(shè)計過程中，電源調(diào)節(jié)器的作用尤其明顯。本設(shè)計選用LM2576-3.3，其具有功耗低、轉(zhuǎn)換率高的特點，電路設(shè)計的硬件結(jié)構(gòu)也相對較為簡單，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 藍(lán)牙接口示意圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計是要滿足連接、斷開、初始化、數(shù)據(jù)傳輸及查詢、異常處理等多項功能。

4.1 主機控制器接口固件設(shè)計

藍(lán)牙系統(tǒng)開發(fā)包中提供了應(yīng)用于不同場合的固件，不同的固件只能運行制定的CSR芯片，因此，在設(shè)計的過程中，要注意固件與芯片的對應(yīng)。在具體的設(shè)計過程中如果缺乏相應(yīng)的固件驅(qū)動程序則需要對非易失存儲區(qū)進(jìn)行設(shè)置，對UART的特性以及UART的波特率進(jìn)行設(shè)定。在編程工具上，也必須選擇相對應(yīng)的編程工具。例如，BC417143BU是一種BlueCore4-External型藍(lán)牙模塊，其固件為unified_coyote固件。使用過程中需要利用Blue Flash編程工具通過SPI電纜將系統(tǒng)所需要的固件寫入到存儲器中。

4.2 鏈路建立設(shè)計

利用HCI可以有效建立ACL鏈路，在這一基礎(chǔ)上可以繼續(xù)完成開發(fā)L2CAP協(xié)議的開發(fā)。在這一基礎(chǔ)上可以實現(xiàn)RFCOMM、SDP、TCS等高層協(xié)議的開發(fā)。在這一過程中，ACL鏈路是不斷深入的基礎(chǔ)。其結(jié)構(gòu)層次為：ACL鏈路—L2CAP協(xié)議—RFCOMM、SDP、TCS。

4.3 初始化功能設(shè)計

初始化是藍(lán)牙通信系統(tǒng)必不可少的一個功能。讀取緩存區(qū)大小是數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)傳輸所發(fā)送所有數(shù)據(jù)前主機必須要完成的指令內(nèi)容，它可以規(guī)定主機在工作時向主控制器發(fā)送數(shù)據(jù)包所能包含的最大數(shù)據(jù)含量，而主機則需要根據(jù)所獲得的參數(shù)對后續(xù)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，確定主控制緩存所能接受的數(shù)據(jù)包最大個數(shù)。在這一過程中主要使用的指令有：復(fù)位指令HCIReset[4]={0×01，0×03，0×0c，0×00}，讀取緩沖區(qū)大小指令 HCIRead Buffer Size[4]={0×01，0×05，0×10，0×00}。

4.4 查詢功能設(shè)計

查詢功能指的是在規(guī)定的時間內(nèi)，藍(lán)牙設(shè)備通過查詢以獲取附近的藍(lán)牙設(shè)備以及每一個設(shè)備的地址以及尋呼模式。查詢功能是藍(lán)牙開展連接前的基礎(chǔ)，可以有效幫助使用者準(zhǔn)確找到需要連接的設(shè)備。

4.5 連接功能的設(shè)計

建立連接是藍(lán)牙數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)工作必備的一環(huán)，設(shè)備通過發(fā)射相關(guān)指令與本地設(shè)備開展連接操作。具體來說是指設(shè)備利用鏈路管理器與系統(tǒng)所指定的地址背后的藍(lán)牙鏈路管理器進(jìn)行協(xié)商，從而創(chuàng)建出一個可以互相傳遞數(shù)據(jù)的鏈接。當(dāng)兩端的鏈路管理器都可以獲得數(shù)據(jù)時則表示連接已經(jīng)創(chuàng)建成功。在此基礎(chǔ)上，兩端的藍(lán)牙設(shè)備會確定發(fā)起連接的一方為主設(shè)備。例如，腦電圖、心電圖監(jiān)測的過程中，體表生理儀器與計算機通過計算機鏈路管理器與藍(lán)牙鏈路管理器進(jìn)行連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能，以便實現(xiàn)患者正常活動狀態(tài)下的信息監(jiān)控。藍(lán)牙連接技術(shù)目前主要應(yīng)用到急救室各類生命體征檢測儀器以及放射科手術(shù)室、流行病房等并非所有醫(yī)務(wù)人員都可以進(jìn)入的區(qū)域內(nèi)。