基于SPI的高速藍(lán)牙模塊設(shè)計*

馬曉杰， 李青青， 王 恬， 魏朋博， 虞致國， 顧曉峰

(物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用教育部工程研究中心 江南大學(xué) 電子工程系，江蘇 無錫 214122)

0 引 言

心腦血管疾病占當(dāng)今城鄉(xiāng)居民死亡原因之首[1]，實時監(jiān)控心臟狀態(tài)或腦電信號不僅能有效地預(yù)防心血管疾病的發(fā)生，而且有助于理性地評判自身的健康狀態(tài)。目前，常見的方法是通過無線體域網(wǎng)將監(jiān)控對象的心腦電特征信號傳送到上位端設(shè)備，進(jìn)行實時監(jiān)控[2]。

數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚傩耘c設(shè)備的便攜性是高采樣率信號實時采集系統(tǒng)的兩個重要要求。作為RS—232的替代方案，愛立信公司于1994年提出的藍(lán)牙技術(shù)克服了數(shù)據(jù)同步的難題，提供了移動設(shè)備之間快速、方便的無線通信連接。通過藍(lán)牙的無線傳輸是無線體域網(wǎng)的重要選擇。藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范的底層協(xié)議包括了邏輯鏈路控制和適配協(xié)議(logical link control and adaptation protocol,L2CAP)、服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議(service discovery protocol,SDP)、射頻通信(radio frequency communi cation,RFCOMM)等[3]。

本文針對此類需求設(shè)計了一種對外接口為串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)的藍(lán)牙模塊，并編寫了配套的上位機(jī)，以達(dá)到心電、腦電或其他高采樣率信號無線采集、重構(gòu)、可視化的目的。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

所設(shè)計的藍(lán)牙模塊以CY8C424LQI—BL483可編程片上系統(tǒng)(programmable system on chip,PSoC)為核心，分為發(fā)送模塊與接收模塊。發(fā)送模塊對外數(shù)據(jù)接口為SPI接口，接收采集終端數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)由PSoC中的CPU內(nèi)核接收并緩存后，交由射頻發(fā)射單元發(fā)送。接收模塊接收射頻信號，解調(diào)后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)后存入數(shù)據(jù)庫，并做可視化處理。系統(tǒng)總流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總流程框圖

2 藍(lán)牙模塊設(shè)計

2.1 供電電源設(shè)計

如圖2所示，電源以BA00BC0WFP—E2線性穩(wěn)壓芯片為核心；該芯片允許輸入電壓為3～16 V，輸出電壓可在1.5～12 V電壓范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，滿足所設(shè)計的藍(lán)牙模塊的供電需求。芯片4號引腳與芯片供電端間接穩(wěn)壓管以保證芯片輸出電壓穩(wěn)定，同時4號引腳對地接一濾波電容進(jìn)行濾波。5號引腳外接一電阻網(wǎng)絡(luò)，對4號引腳輸出電壓進(jìn)行分壓，使得J16端能輸出5,3.3 V兩種不同輸出電壓，方便切換藍(lán)牙模塊的供電電壓。

圖2 電源電路

2.2 藍(lán)牙組件的硬件設(shè)計

藍(lán)牙模塊中的核心芯片為集成低功耗藍(lán)牙(BLE)組件的PSoC，其外圍電路如圖3所示。該PSoC內(nèi)嵌有32位的低功耗Cortex—M0 CPU內(nèi)核[7]，包括一個嵌套的矢量中斷控制器(nested vector interrupt controller,NVIC)和一個喚醒中斷控制器(wake-up interrupt controller,WIC)。

PSoC集成的智能藍(lán)牙組件遵循藍(lán)牙4.2協(xié)議，在2.4 GHz的ISM頻段上以1 Mbps的速度傳輸和接收GFSK包[6]。該藍(lán)牙組件中設(shè)計了BLE堆棧、BLE Profile、BLE硬件抽象層(hardware abstraction layer,HAL)、鏈路層(link layer,LL)和物理層(PHY)，并嵌入了128位AES加密安全引擎。

該藍(lán)牙模塊的物理層中含有射頻收發(fā)器；該無線射頻收發(fā)器集成了一個平衡—不平衡(balance-unbalance，BALUN)變換器，提供了一個帶有濾波網(wǎng)絡(luò)且阻抗為50 Ω的單端射頻輸出天線。在接收端，BALUN將天線的射頻信號進(jìn)行GFSK解調(diào)后轉(zhuǎn)換為數(shù)字流。在發(fā)送端, BALUN通過執(zhí)行GFSK調(diào)制，將所要發(fā)送的數(shù)字基帶信號轉(zhuǎn)化為藍(lán)牙信號，并通過天線發(fā)射。

圖3 PSoC及外圍電路

本模塊通過該CPU對藍(lán)牙組件進(jìn)行控制。當(dāng)芯片處于深度睡眠模式時，主控處理器的電源會被關(guān)閉，WIC可以將處理器從深度睡眠模式中喚醒，從而達(dá)到降低芯片整體功耗的目的。

2.3 程序設(shè)計

本文通過芯片內(nèi)嵌CPU核對BLE堆棧的編程，來實現(xiàn)藍(lán)牙組件的控制。當(dāng)該藍(lán)牙組件需要發(fā)送或接收信號時，BLE堆棧包含有通用訪問配置文件(generic access profile, GAP)和通用屬性協(xié)議(generic attribute profile，GATT)。本設(shè)計使用GAP控制設(shè)備的廣播，使設(shè)備可被其他設(shè)備可見，并決定了此設(shè)備是否可以或者如何與合同設(shè)備進(jìn)行交互。同時，GAP給設(shè)備定義了若干角色，其中最主要的是中心設(shè)備(central)和外圍設(shè)備(peripheral)。藍(lán)牙發(fā)送模塊為中心設(shè)備，藍(lán)牙接收模塊為外圍設(shè)備。當(dāng)設(shè)備通過廣播可被其他設(shè)備發(fā)現(xiàn)，或者說完成GAP協(xié)議時，便可建立GATT連接，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。GATT指定了數(shù)據(jù)交互的結(jié)構(gòu)和該結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的通用唯一識別碼(universally unique identifier,UUID)，這個結(jié)構(gòu)體定義了一些基本元素，本設(shè)計使用其中的Service和Characteristic進(jìn)行通信。

習(xí)近平總書記指出：“中國共產(chǎn)黨之所以叫共產(chǎn)黨，就是因為從成立之日起我們黨就把共產(chǎn)主義確立為遠(yuǎn)大理想。我們黨之所以能夠經(jīng)受一次次挫折而又一次次奮起，歸根到底是因為我們黨有遠(yuǎn)大理想和崇高追求?！盵4]P34我們黨是馬克思主義政黨，馬克思主義與共產(chǎn)黨人是渾然天成的聯(lián)合體。馬克思主義揭示了自然界、人類社會、人類思維發(fā)展的普遍規(guī)律，把真理的科學(xué)性與價值的超越性統(tǒng)一于共產(chǎn)主義理想之中，以其真理和道義的強(qiáng)大力量吸引一大批“馬克思主義篤誠的信仰者”。從領(lǐng)導(dǎo)革命到領(lǐng)導(dǎo)建設(shè)再到領(lǐng)導(dǎo)新時代，共產(chǎn)主義理想信念始終是共產(chǎn)黨人的精神之“鈣”，是共產(chǎn)黨人戰(zhàn)勝困難的重要法寶。

藍(lán)牙發(fā)送數(shù)據(jù)的程序流程:首先，調(diào)用CyBle_Start(AppCallBack)，開啟藍(lán)牙并反饋藍(lán)牙的現(xiàn)行狀態(tài)，如有異樣則會有相應(yīng)的報錯。成功啟動藍(lán)牙后，BLE堆棧則會相應(yīng)自動開啟。然后通過Gapp Start Advertisement設(shè)置藍(lán)牙的廣播狀態(tài)。為能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸，本文選擇為快速廣播。此時藍(lán)牙已是可發(fā)送數(shù)據(jù)的狀態(tài)，為了降低功耗需調(diào)用Low Power Implementation來使藍(lán)牙在無數(shù)據(jù)發(fā)送時進(jìn)入低功耗模式，當(dāng)采集終端有數(shù)據(jù)傳輸過來時調(diào)用CyBle_Process Events，讓藍(lán)牙做好準(zhǔn)備。如上前所述，現(xiàn)行的藍(lán)牙設(shè)備是通過GATT事務(wù)的Service和Characteristic進(jìn)行通信的。本文選用Costume Service進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，調(diào)用CyBle_HrssSend Notification發(fā)送該格式的Characteristic。

藍(lán)牙接收數(shù)據(jù)的程序控制流程可以看作為藍(lán)牙發(fā)送數(shù)據(jù)的逆流程。無數(shù)據(jù)可接收時，開啟BLE堆棧，并使接收模塊處于實時掃描狀態(tài)。當(dāng)掃描到廣播的數(shù)據(jù)包時，執(zhí)行數(shù)據(jù)配對程序，校對UUID是否匹配，若匹配則立即進(jìn)行發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備的對接。對接成功后，接收模塊可接收并解析數(shù)據(jù)，同時對數(shù)據(jù)進(jìn)行首位字符校驗，奇偶校驗等檢查，以此保證接收數(shù)據(jù)的正確性。

3 模塊對外接口的設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

為了達(dá)到心電、腦電等較高采樣率信號的傳輸速度要求，所設(shè)計的藍(lán)牙模塊對外采用了SPI接口。SPI接口是一種主機(jī)與外圍設(shè)備進(jìn)行同步串行通信的總線協(xié)議，不需要進(jìn)行尋址操作，且為全雙工通信，其速率已知最高可達(dá)50 Mbps[8]。通過SPI總線進(jìn)行通信的2臺設(shè)備分別為主機(jī)和從機(jī)。主、從機(jī)之間由4根信號線相連，分別是MOSI(主機(jī)數(shù)據(jù)輸出)、MISO(主機(jī)數(shù)據(jù)輸入)、SCLK(時鐘信號)、NSS(從機(jī)使能信號)[9]。

3.2 程序設(shè)計

所設(shè)計的藍(lán)牙模塊作為SPI從機(jī)使用，接收來自SPI主機(jī)(采集終端)的數(shù)據(jù)。PSoC中包含有一個數(shù)據(jù)讀取寄存器(RX Buffer)，在讀取SPI數(shù)據(jù)時作為緩存使用。當(dāng)調(diào)用SPIS_Start函數(shù)開啟SPI從機(jī)后，RX Buffer開始接收并緩存來自主機(jī)的數(shù)據(jù)，此時可訪問RX Buffer來詢問寄存器的讀取情況。當(dāng)判斷RX Buffer為非空并且已接收的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)與主機(jī)發(fā)送的字節(jié)數(shù)相同時，便調(diào)用SPIS_SpiUart ReadRxData讀取數(shù)據(jù)；如達(dá)不到上述要求則讓PSoC處于等待狀態(tài)。當(dāng)?shù)却龝r間過長便可作無響應(yīng)處理。

為應(yīng)對SPI接口讀取數(shù)據(jù)時所可能的意外事件，本文利用了PSoC所提供的中斷資源(包括RX FIFO overflow、SPI bus error、RX FIFO Full等)。當(dāng)意外發(fā)生，滿足中斷條件時，主程序暫停運行，跳轉(zhuǎn)至中斷程序來處理意外事件。意外事件處理后，跳回主程序繼續(xù)運行。當(dāng)讀取完RX Buffer中的數(shù)據(jù)后，仍需對這段數(shù)據(jù)的報頭報尾以及校驗位進(jìn)行檢查以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_。

4 上位機(jī)的設(shè)計

上位機(jī)基于LabVIEW設(shè)計，完成對藍(lán)牙信號數(shù)據(jù)的接收和重構(gòu)的工作。腦電，心電等信號由于數(shù)據(jù)量龐大，為方便傳輸，一般需在傳輸前做一些壓縮工作，上位端對壓縮數(shù)據(jù)的還原稱之為重構(gòu)。本文數(shù)據(jù)端采集了壓縮感知的壓縮方法，上位機(jī)采用了貝葉斯學(xué)習(xí)算法作為重構(gòu)算法。與傳統(tǒng)的重構(gòu)算法相比較，該算法跟適合于諸如心電信號這樣擁有高數(shù)據(jù)壓縮比和噪聲變化的信號。為驗證該算法的有效性，本文采用了參數(shù)PRD(percentage root-mean-squared difference)來量化生物信號的信息丟失[10]

(1)

重構(gòu)通過上位端前面板設(shè)置參數(shù)，將參數(shù)通過LabVIEW與腳本程序接口傳遞給腳本程序相應(yīng)的功能函數(shù)，完成信號分析與處理。腳本程序的功能函數(shù)完成數(shù)據(jù)的重構(gòu)后，把處理結(jié)束的數(shù)據(jù)與相關(guān)參數(shù)反饋給LabVIEW，由LabVIEW完成數(shù)據(jù)的后續(xù)處理。

完成重構(gòu)的數(shù)據(jù)可在上位機(jī)的可視界面進(jìn)行可視化的操作，并將重構(gòu)后的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，方便觀察心電或腦電等信號的波形。

5 結(jié)果分析

整個系統(tǒng)包括藍(lán)牙模塊、對外接口的硬件和程序設(shè)計以及上位機(jī)的軟件設(shè)計。同時，為驗證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性以及重構(gòu)的有效性，本文在1 Mbps的速率下分別在示波器和PC端進(jìn)行了驗證。

圖4給出了用示波器顯示的SPI接收數(shù)據(jù)的波形圖。D2是主機(jī)與從機(jī)同步的時鐘信號，D3為從機(jī)被選擇的使能信號(在本模塊中高電平為使能)，D1為采集終端輸出信號，即為藍(lán)牙模塊所要發(fā)送的數(shù)據(jù)，D0為藍(lán)牙接收模塊所接收到的數(shù)據(jù)數(shù)字波形圖?？梢钥闯?，采集終端輸出信號與藍(lán)牙接收模塊所接收到的數(shù)據(jù)波形完全相同，可以保證傳輸中數(shù)據(jù)的正確性與完整性。

圖4 示波器顯示的SPI接收數(shù)據(jù)

圖5(a)給出了上位機(jī)上接收原始壓縮數(shù)據(jù)產(chǎn)生的波形圖，圖5(b)為重構(gòu)后的數(shù)據(jù)信號。根據(jù)重構(gòu)后的信號數(shù)據(jù)計算得出，貝葉斯學(xué)習(xí)算法重構(gòu)信號的PRD為1.14 %，可以滿足臨床應(yīng)用的要求[11]。

圖5 壓縮后與重構(gòu)后的數(shù)據(jù)信號

6 結(jié) 論

本文設(shè)計的藍(lán)牙傳輸模塊摒棄傳統(tǒng)藍(lán)牙模塊的UART串口，采用SPI接口，能更大程度地發(fā)揮出藍(lán)牙本身所可以達(dá)到的速度，因此可適用于更多高速無線傳輸場合。在數(shù)據(jù)可高速傳輸?shù)幕A(chǔ)上，本文亦加強(qiáng)了對接收數(shù)據(jù)可靠性的要求。此外，與模塊相配套的上位機(jī)已集成了可視化、重構(gòu)、參數(shù)設(shè)置等功能，方便使用者對信號數(shù)據(jù)的處理，進(jìn)一步擴(kuò)展了其應(yīng)用場合。