基于藍牙技術的醫療設備間數據通信接口設計

隋圣斌 貴州大學大數據與信息工程學院/貴州省人民醫院設備處 顧平 貴州大學大數據與信息工程學院

前言：醫療設備在現代醫療工作中占據著重要地位，是開展各項醫療工作的基礎。隨著通信技術的發展，醫療設備之間的數據通信也變得越來越頻繁。加強醫療設備間數據傳輸的研究工作對提高醫療數據傳遞效率、提高醫療水平具有重要意義。藍牙技術作為一種無線傳輸技術，被廣泛應用在便攜式設備的數據傳輸中。因此，研究以藍牙技術為基礎的醫療設備間數據通信接口設計十分必要。

1 藍牙技術分析

1.1 藍牙技術概述

藍牙技術工作頻率為2.4-2.485GHz的ISM波段。是一種可以有效替代便攜式醫療設備間連接線纜的點對點或點對多點的實時通信技術。藍牙技術可以將參與數據傳輸的設備組成微微網，使其能夠順利進行無限數據傳輸，并通過快速跳頻以及前向糾錯方案提高數據傳輸的準確性與可靠性。

1.2 藍牙技術開發模式分析

一般來說，藍牙的開發模式有兩種。第一，單微控制器模式。這一模式是將藍牙的協議棧以及應用程序放置在系統中的一個模塊中，在使用過程中利用集成處理器以及DSP對應用程序進行處理，外部處理器的并非必需。第二，雙微控制器模式。在這一開發模式中，藍牙的協議棧與應用程序由主機以及主機控制器來實現。而主機以及主機控制器之間的鏈接主要利用標準物理總線接口進行連接。為確保藍牙應用的正確運行，需要使用主機控制器接口（HCI）將藍牙主機以及藍牙模塊連接起來。當前，被廣泛使用的藍牙通信標準主要為RS232。這一操作標準具有較強的操作性、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，是藍牙設備軟件與硬件之間的連接樞紐。主機控制器接口的存在，實現了主機向控制器發送各種指令、數據的功能。當前，藍牙主機與主機控制器之間的控制方式主要為“指令-應答”。①主機控制器接口根據其功能可以劃分為三個部分即：固件、驅動程序、數據傳輸層。固件存在于主控制器內部，具有兩方面的功能：第一，實現物理鏈路的創建；第二，接收主機發送的指令，并向主機發送相應的數據。②驅動程序位于主機中，通過結構被藍牙的應用程序所調用。同時，它也會發送主機控制器接口指令或固件所返回的數據。③主控制器傳輸層是固件以及驅動程序之間傳輸數據的橋梁。當前的藍牙技術規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傳輸層主要應用在不同實體的數據傳輸中。其傳輸距離相對較遠。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 以藍牙技術為基礎的醫療設備數據通信系統

以藍牙技術為基礎的醫療設備數據通信系統主要由三個部分即藍牙板塊、電源電路以及RS232接口驅動單元所組成。不同廠商的藍牙芯片具有不同的性能，在實際的設計中需要根據設備進行選定。當前所使用的藍牙芯片已經具備了將射頻、基帶、協議棧、收發器等集成的能力。不僅僅擁有更大的內存、更高的傳輸效率，還具有較低的能耗。而RS232接口的驅動單元目前也采取了能耗耕地的雙組驅動器與接收器。電源電路是整個數據通信系統中的能源支持，其質量直接關系到系統的正常運行。為了簡化系統運營操作，當前的數據通信系統往往使用串口切點技術。也就是直接從PC端上的RS232接口竊電。然而該技術所提供的電能非常有限。如何降低數據傳輸系統的能耗則成了整個系統設計的關鍵。

3 電源電路設計

電源電路設計的目的，在于確保數據通信系統中各部分正常運行的情況下盡可能降低能量消耗。根據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。電源轉換器則根據串口竊電法從RS232接口獲得電能，通過自身轉換后產生+3.3V的電源以供藍牙模塊以及電路使用。RS232三根信號線中，利用TXD數據線可以獲得更高的電能以滿足系統的使用需要，確保電路工作正常。而要使用該數據線電流則必須添加二極管以提高電流的穩定性。利用DTR2與RTS兩條線路可以獲得輸出功率為168mW，通過電源調節器處理后，可以獲得35.6mA的穩定電流。

藍牙模塊穩定工作要求有3.3V、20mA的供電，上述方案完全可以滿足藍牙正常使用的需求。在該電源電路設計過程中，電源調節器的作用尤其明顯。本設計選用LM2576-3.3，其具有功耗低、轉換率高的特點，電路設計的硬件結構也相對較為簡單，其電路結構如圖1所示。

圖1 藍牙接口示意圖

4 系統軟件設計

系統軟件設計是要滿足連接、斷開、初始化、數據傳輸及查詢、異常處理等多項功能。

4.1 主機控制器接口固件設計

藍牙系統開發包中提供了應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，在設計的過程中，要注意固件與芯片的對應。在具體的設計過程中如果缺乏相應的固件驅動程序則需要對非易失存儲區進行設置，對UART的特性以及UART的波特率進行設定。在編程工具上，也必須選擇相對應的編程工具。例如，BC417143BU是一種BlueCore4-External型藍牙模塊，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電纜將系統所需要的固件寫入到存儲器中。

4.2 鏈路建立設計

利用HCI可以有效建立ACL鏈路，在這一基礎上可以繼續完成開發L2CAP協議的開發。在這一基礎上可以實現RFCOMM、SDP、TCS等高層協議的開發。在這一過程中，ACL鏈路是不斷深入的基礎。其結構層次為：ACL鏈路—L2CAP協議—RFCOMM、SDP、TCS。

4.3 初始化功能設計

初始化是藍牙通信系統必不可少的一個功能。讀取緩存區大小是數據通信系統傳輸所發送所有數據前主機必須要完成的指令內容，它可以規定主機在工作時向主控制器發送數據包所能包含的最大數據含量，而主機則需要根據所獲得的參數對后續收到的數據進行處理，確定主控制緩存所能接受的數據包最大個數。在這一過程中主要使用的指令有：復位指令HCIReset[4]={0×01，0×03，0×0c，0×00}，讀取緩沖區大小指令 HCIRead Buffer Size[4]={0×01，0×05，0×10，0×00}。

4.4 查詢功能設計

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

4.5 連接功能的設計

建立連接是藍牙數據通信系統工作必備的一環，設備通過發射相關指令與本地設備開展連接操作。具體來說是指設備利用鏈路管理器與系統所指定的地址背后的藍牙鏈路管理器進行協商，從而創建出一個可以互相傳遞數據的鏈接。當兩端的鏈路管理器都可以獲得數據時則表示連接已經創建成功。在此基礎上，兩端的藍牙設備會確定發起連接的一方為主設備。例如，腦電圖、心電圖監測的過程中，體表生理儀器與計算機通過計算機鏈路管理器與藍牙鏈路管理器進行連接，實現數據傳輸功能，以便實現患者正常活動狀態下的信息監控。藍牙連接技術目前主要應用到急救室各類生命體征檢測儀器以及放射科手術室、流行病房等并非所有醫務人員都可以進入的區域內。