基于蓝牙技术的医疗设备间数据通信接口设计

隋圣斌 贵州大学大数据与信息工程学院/贵州省人民医院设备处 顾平 贵州大学大数据与信息工程学院

前言：医疗设备在现代医疗工作中占据着重要地位，是开展各项医疗工作的基础。随着通信技术的发展，医疗设备之间的数据通信也变得越来越频繁。加强医疗设备间数据传输的研究工作对提高医疗数据传递效率、提高医疗水平具有重要意义。蓝牙技术作为一种无线传输技术，被广泛应用在便携式设备的数据传输中。因此，研究以蓝牙技术为基础的医疗设备间数据通信接口设计十分必要。

1 蓝牙技术分析

1.1 蓝牙技术概述

蓝牙技术工作频率为2.4-2.485GHz的ISM波段。是一种可以有效替代便携式医疗设备间连接线缆的点对点或点对多点的实时通信技术。蓝牙技术可以将参与数据传输的设备组成微微网，使其能够顺利进行无限数据传输，并通过快速跳频以及前向纠错方案提高数据传输的准确性与可靠性。

1.2 蓝牙技术开发模式分析

一般来说，蓝牙的开发模式有两种。第一，单微控制器模式。这一模式是将蓝牙的协议栈以及应用程序放置在系统中的一个模块中，在使用过程中利用集成处理器以及DSP对应用程序进行处理，外部处理器的并非必需。第二，双微控制器模式。在这一开发模式中，蓝牙的协议栈与应用程序由主机以及主机控制器来实现。而主机以及主机控制器之间的链接主要利用标准物理总线接口进行连接。为确保蓝牙应用的正确运行，需要使用主机控制器接口（HCI）将蓝牙主机以及蓝牙模块连接起来。当前，被广泛使用的蓝牙通信标准主要为RS232。这一操作标准具有较强的操作性、成本较低等特点。

1.3 主机控制器接口分析

主机控制器接口（HCI）在双微控制器模式中是不可或缺的部分，是蓝牙设备软件与硬件之间的连接枢纽。主机控制器接口的存在，实现了主机向控制器发送各种指令、数据的功能。当前，蓝牙主机与主机控制器之间的控制方式主要为“指令-应答”。①主机控制器接口根据其功能可以划分为三个部分即：固件、驱动程序、数据传输层。固件存在于主控制器内部，具有两方面的功能：第一，实现物理链路的创建；第二，接收主机发送的指令，并向主机发送相应的数据。②驱动程序位于主机中，通过结构被蓝牙的应用程序所调用。同时，它也会发送主机控制器接口指令或固件所返回的数据。③主控制器传输层是固件以及驱动程序之间传输数据的桥梁。当前的蓝牙技术规范中常用的传输层有三种即：USB传输层、UART传输层以及RS232传输层。其中的RS232传输层主要应用在不同实体的数据传输中。其传输距离相对较远。而UART传输层往往是针对主机与主控制器位于同一个电路板中的情况。

2 以蓝牙技术为基础的医疗设备数据通信系统

以蓝牙技术为基础的医疗设备数据通信系统主要由三个部分即蓝牙板块、电源电路以及RS232接口驱动单元所组成。不同厂商的蓝牙芯片具有不同的性能，在实际的设计中需要根据设备进行选定。当前所使用的蓝牙芯片已经具备了将射频、基带、协议栈、收发器等集成的能力。不仅仅拥有更大的内存、更高的传输效率，还具有较低的能耗。而RS232接口的驱动单元目前也采取了能耗耕地的双组驱动器与接收器。电源电路是整个数据通信系统中的能源支持，其质量直接关系到系统的正常运行。为了简化系统运营操作，当前的数据通信系统往往使用串口切点技术。也就是直接从PC端上的RS232接口窃电。然而该技术所提供的电能非常有限。如何降低数据传输系统的能耗则成了整个系统设计的关键。

3 电源电路设计

电源电路设计的目的，在于确保数据通信系统中各部分正常运行的情况下尽可能降低能量消耗。根据RS232接口的特点，目前的9针接口通常采用3线接线法。所用的针脚为2、3、5。电源转换器则根据串口窃电法从RS232接口获得电能，通过自身转换后产生+3.3V的电源以供蓝牙模块以及电路使用。RS232三根信号线中，利用TXD数据线可以获得更高的电能以满足系统的使用需要，确保电路工作正常。而要使用该数据线电流则必须添加二极管以提高电流的稳定性。利用DTR2与RTS两条线路可以获得输出功率为168mW，通过电源调节器处理后，可以获得35.6mA的稳定电流。

蓝牙模块稳定工作要求有3.3V、20mA的供电，上述方案完全可以满足蓝牙正常使用的需求。在该电源电路设计过程中，电源调节器的作用尤其明显。本设计选用LM2576-3.3，其具有功耗低、转换率高的特点，电路设计的硬件结构也相对较为简单，其电路结构如图1所示。

图1 蓝牙接口示意图

4 系统软件设计

系统软件设计是要满足连接、断开、初始化、数据传输及查询、异常处理等多项功能。

4.1 主机控制器接口固件设计

蓝牙系统开发包中提供了应用于不同场合的固件，不同的固件只能运行制定的CSR芯片，因此，在设计的过程中，要注意固件与芯片的对应。在具体的设计过程中如果缺乏相应的固件驱动程序则需要对非易失存储区进行设置，对UART的特性以及UART的波特率进行设定。在编程工具上，也必须选择相对应的编程工具。例如，BC417143BU是一种BlueCore4-External型蓝牙模块，其固件为unified_coyote固件。使用过程中需要利用Blue Flash编程工具通过SPI电缆将系统所需要的固件写入到存储器中。

4.2 链路建立设计

利用HCI可以有效建立ACL链路，在这一基础上可以继续完成开发L2CAP协议的开发。在这一基础上可以实现RFCOMM、SDP、TCS等高层协议的开发。在这一过程中，ACL链路是不断深入的基础。其结构层次为：ACL链路—L2CAP协议—RFCOMM、SDP、TCS。

4.3 初始化功能设计

初始化是蓝牙通信系统必不可少的一个功能。读取缓存区大小是数据通信系统传输所发送所有数据前主机必须要完成的指令内容，它可以规定主机在工作时向主控制器发送数据包所能包含的最大数据含量，而主机则需要根据所获得的参数对后续收到的数据进行处理，确定主控制缓存所能接受的数据包最大个数。在这一过程中主要使用的指令有：复位指令HCIReset[4]={0×01，0×03，0×0c，0×00}，读取缓冲区大小指令 HCIRead Buffer Size[4]={0×01，0×05，0×10，0×00}。

4.4 查询功能设计

查询功能指的是在规定的时间内，蓝牙设备通过查询以获取附近的蓝牙设备以及每一个设备的地址以及寻呼模式。查询功能是蓝牙开展连接前的基础，可以有效帮助使用者准确找到需要连接的设备。

4.5 连接功能的设计

建立连接是蓝牙数据通信系统工作必备的一环，设备通过发射相关指令与本地设备开展连接操作。具体来说是指设备利用链路管理器与系统所指定的地址背后的蓝牙链路管理器进行协商，从而创建出一个可以互相传递数据的链接。当两端的链路管理器都可以获得数据时则表示连接已经创建成功。在此基础上，两端的蓝牙设备会确定发起连接的一方为主设备。例如，脑电图、心电图监测的过程中，体表生理仪器与计算机通过计算机链路管理器与蓝牙链路管理器进行连接，实现数据传输功能，以便实现患者正常活动状态下的信息监控。蓝牙连接技术目前主要应用到急救室各类生命体征检测仪器以及放射科手术室、流行病房等并非所有医务人员都可以进入的区域内。