医用RS485―SPI通信转换器:SPI接口软件设计与实现

【摘 要】本文主要针对持续血液净化系统，设计一个通信转换器装置，其中主要完成SPI接口软件设计与实现。SPIBUS模块主要为模块驱动提供统一良好的SPI总线访问接口。除了负责SPI数据通外，还负责根据SPI总线通信协议。具体包括SPI接口配置、SPI接口接收函数、SPI接口发送函数、接收数据分解函数、发送数据封装函数等。本文主要了解持续血液净化系统基础原理，掌握通信转换器的总体硬件设计方案以及SPI通信原理。

【关键词】血液净化系统；转换器；SPI接口

0 引言

血液透析又被称为血透，是用来净化病人血液的一种方法。透析用浓缩液和透析用水经过透析液供给系统配制成合格的透析液，通过血液透析器与血液监护警报系统引出的病人血液进行溶质弥散、渗透和超滤作用；作用后的病人血液通过血液监护警报系统返回病人体内，同时透析用后的液体作为废液由透析液供给系统排出；不断循环往复，完成整个透析过程。本次设计主要在于血液透析机的监控模板模块的软件部分。该模块通过RS232接收主控板的控制命令，并解释，使用相应的指令通过SPI接口发送给驱动板，从而达到控制下层设备的目的。

1 RS485-SPI通信转换器总体介绍

1.1 转换器系统简介

血液透析机系统外部框图主要包括：主控板、转换器、血泵、补液泵、超滤泵、肝素泵、平衡腔、加热器、电导板、电源、指示灯、按键界面等等。从功能上可以将系统分成四部分。按键发送、指示灯控制、协议转换、系统监测。

按键发送，由按键扫描定时器每0.1s扫描一定矩阵键盘，将扫描码转换成按键码，并将按键信息通过CBUS模块（CBUS模块为按键指示灯控制协议通信模块）封装成帧格式，通过CBUS总线发送给主控板。

指示灯控制，是通过CBUS接收主控板发送的CBUS命令帧，由CBUS处理任务对命令帧进行解释，然后更新状态灯的亮灭状态。对于报警灯置相应的标志，由报警灯闪烁定时器对报警灯进行直接控制。

协议转换功能是将主控板发送的485协议帧进行解释，再通过调用各个模块的驱动将转换后的命令通过SPIBUS总线模块下发到各个子模块；如果需数据返回的，则从模块读出的数据根据485协议，通过调用DBUS模块的发送功能上传给主控板。

系统监控则是监控主控板在规定的时间内是否有发送了命令。如果在规定时间内都没有发送命令，则视为主控板死机。

1.2 协议转换原理

如图2所示，主控板的信号是RS232电平信号，而底层485模块使用的是RS485协议。故在监控板上通过硬件设计将RS232电平转换TTL电平，监控板再将TTL电平信号转换成485电平信号从RS485接口输出。

TTL信号又与MCU的USART2连接。监控板能获取485总线上的数据流，并对所有命令进行监听。如果是转给SPI总线上所挂载的模块的485命令，那么就将485帧转换成SPI帧，通过SPI总线转送到SPI模块。

如图2所示，系统挂4个模块，超滤泵、平衡腔为485模块，血泵、肝素泵为SPI模块。主控板并不关心多少模块是挂载到SPI总线上，而是一律视为485模块。监控板的协议转换功能则是监听485命令，将与血泵与肝素泵相关的命令转换成SPI分别发送给血泵或肝素泵。从而达到协议转换功能。

2 SPI接口

2.1 SPI的作用

医用透析机包含许多终端子系统，如血路子系统、液路子系统、加热子系统、监控子系统、抗凝子系统等，这些子系统需要接受透析机主控系统的控制，目前的子系统提供SPI接口，主控模块提供RS232接口，且RS232传播距离有限，需转换为RS485接口才能确保与各个子系统之间的长距离通信。因此需设计一个转换器，转换器硬件实现RS232―RS485―SPI之间的接口转换，转换器软件实现RS232协议数据与SPI协议数据之间的匹配，而本文主要讲实现SPI接口软件设计。

2.2 SPI通信协议概述

规定本次设计中主机与各模块间采用SPI接口进行信息交换的通信协议。设定主机（含人机界面的主控制模块）到各从机（独立的分散控制模块）间的信息为下行数据，各从机到主机的信息为上行数据。其通信拓扑为星型结构，主机集中控制方式，各从机可通过中断向主机申请中断处理（若此时主机未与其它从机通信）。

2.3 SPIBUS驱动

SPIBUS是基于SPI通信接口根据本系统而扩展的设备数据通信总线。其主要用于与子模块，如直流电机、肝素泵、平衡腔等，进行通信。发送命令字控制子模块工作，读取子模块的数据。

SPIBUS模块主要为模块驱动提供统一良好的SPI总线访问接口。除了负责SPI数据通外，还负责根据SPI总线通信协议，在发送数据中发送同步码、计算并发送校验和；在接收数据时，对校验和进行计算并校验。

3 通讯调试记录

3.1 试验通讯调试方案简介

医用RS485-SPI通信转换器的试验方案设计如图1。本设计实验方案主要的目的是通过主机与转换器，转化器与血泵、补液泵、超滤泵、肝素泵、平衡腔、驱动板等连接组成一通路。通过主机下达指令，再通过SPI接口下达给血泵、补液泵、超滤泵、肝素泵、平衡腔、驱动板等；以串口调试助手是否有返回相应得到数据为依据。以此来判断试验方案是否成功，已达到检验医用RS485-SPI通信转换器是否实现其对应功能。

3.2 测试情况总结

通过上面的试验通讯调试设计方案，可以看出所做的医用RS485-SPI通信转换器装置是成功的。在主控板也就是PC机与受控设备之间数据的往返，通过串口调试助手清晰地看到实现了通讯信息的正常工作时相应的各种状态。

4 结束语

由于本系统为医疗设备，对安全性与可靠性要求较高。在系统出现异常，可能威胁到病人的生命安全时，必须需要一种设备能确保系统处于安全状态，对系统的异常情况进行报警及安全处理。监控板在系统中启动监视系统工作状态的作用。因而本文主要是介绍监控板，完成监控板中转换器的SPI接口软件设计与实现。对通信转换器的系统了解以及其工作原理，我们大概知道了SPI接口在其中主要是起一个信息交换，将RS232协议数据通过RS485协议帧解释然后下达给SPI接口协议，最终下达给各个子模块，完成信息交换。

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