基于尿液分析儀的串口到以太網(wǎng)口的轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計

王艷潔，胡秉誼

（北京交通大學 北京 100044）

基于尿液分析儀的串口到以太網(wǎng)口的轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計

王艷潔，胡秉誼

（北京交通大學 北京 100044）

為了實現(xiàn)實驗室信息管理系統(tǒng)中檢驗設(shè)備類型眾多、接口形式多樣、軟件開發(fā)難度大，更換設(shè)備不得不更換整套配套軟件的難題，以RS232接口的MEJER-600尿液分析儀為例，設(shè)計了一種基于尿液分析儀的串口到遵循互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的以太網(wǎng)口的轉(zhuǎn)換裝置，結(jié)合串口特點和TCP/IP協(xié)議，通過相關(guān)軟硬件設(shè)計和LIMS服務器簡易實驗測試平臺，完成該尿液分析儀在LIMS中歸一化接入，實現(xiàn)基于IP節(jié)點的數(shù)據(jù)格式和交換協(xié)議的轉(zhuǎn)換，小巧便攜，經(jīng)濟實用。

LIMS；尿液分析儀；RS232串口；嵌入式系統(tǒng)；TCP/IP協(xié)議

Abstract:In order to solve the difficult problem about the laboratory information management system，such as many types of equipment，various forms of interface and difficult software development which led to the replacement of devices in the LIMS system is very hard.A case study of MEJER-600 urine analyzer used the RS232 serial port is designed，which is based on the serial port of the urine analyzer toTransfer interface follow the Ethernet port of the internet protocol.Combined with serial port features and TCP/IP protocol，the conversion device is designed which is based on the serial port of the urine analyzer to follow the Ethernet port of the internet protocol.Through the related software and hardware design and LIMS server test platform simulation access，the normalization of the urine analyzer in LIMS is completed， the data format and exchange protocol conversion based on IP node are realized， which is compact and portable，andthe cost of replacement is saved.

Key words:LIMS； urine analyzer； RS232 serial port； embedded system； TCP/IP protocol

在臨床檢驗信息系統(tǒng)中，檢驗科每天面臨巨大的檢驗工作量，臨床檢驗設(shè)備的使用率很高。實驗室信息管理系統(tǒng) （Laboratory Information Management System，LIMS），檢驗設(shè)備需要和醫(yī)生工作站、管理機構(gòu)、大型數(shù)據(jù)庫、報警裝置等多部門建立數(shù)據(jù)交換通道，以實現(xiàn)檢驗數(shù)據(jù)獲取和事件報告。醫(yī)院使用的檢驗設(shè)備通常來自于不同的設(shè)備開發(fā)商，沒有統(tǒng)一的設(shè)備數(shù)據(jù)格式可以遵循，信息的標準以及設(shè)備的接口大多采用自己的規(guī)范，所依托的操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及硬件環(huán)境等不盡相同[1-3]。目前醫(yī)院信息網(wǎng)絡多采用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議IP（Internet Protocol）建立互聯(lián)機制，但現(xiàn)有臨床檢驗設(shè)備接口類型為串口、以太網(wǎng)接口，只支持特定的點對點的通訊，而不支持互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。目前市場上尿液分析儀主要采用RS232接口進行通訊，不適合建立現(xiàn)代化的遠程醫(yī)療健康監(jiān)護網(wǎng)絡。不同系統(tǒng)間的信息交換變得非常困難，無疑會帶來醫(yī)療事務信息共享中的信息孤島問題[4-5]。

現(xiàn)有尿液分析儀的接入普遍采用一臺專用的計算機與醫(yī)院網(wǎng)絡建立連接，采用自主的協(xié)議向網(wǎng)絡數(shù)據(jù)服務器發(fā)送信息[6]。當存在信息交換的需求時，LIS系統(tǒng)廠商往往耗費大量的時間和精力做接口的轉(zhuǎn)換，當這種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換需求存在多個系統(tǒng)之間時，完成這樣的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是非常復雜的工程[7]。為保證設(shè)備監(jiān)測工作的持續(xù)進行，所配備的計算機需要二十四小時不間斷運行?，F(xiàn)有的計算機多為商用機，占用空間大，魯棒性差。

為解決上述信息共享困難的問題，本文將基于高性能嵌入式芯片TMS320F2812以及TCP/IP以太網(wǎng)控制器W5500，以深圳美僑公司MEJER-600尿液分析儀的尿十一項檢測為例，通過本設(shè)計對其進行整體平臺定制，包括轉(zhuǎn)換裝置硬件設(shè)計、尿十一項檢驗項目報告單歸一化，底層驅(qū)動程序的開發(fā)和系統(tǒng)應用層軟件設(shè)計，搭建LIMS服務器簡易實驗測試平臺，采用多線程技術(shù)實現(xiàn)尿液分析儀串口到互聯(lián)網(wǎng)接口的轉(zhuǎn)換。

1 接口轉(zhuǎn)換裝置系統(tǒng)總體方案

在實驗室信息系統(tǒng)中，MEJER-600通過RS232串口形式接入一臺PC，通過PC建立起和LIMS系統(tǒng)局域網(wǎng)中各個部門的通訊。本工作通過引入接口轉(zhuǎn)換裝置，將其取代傳統(tǒng)PC機，通過其以太網(wǎng)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，將MEJER-600的接入看作局域網(wǎng)中一個IP節(jié)點，使其由傳統(tǒng)的單向接入模式向智能化自發(fā)通信模式轉(zhuǎn)換。圖1為MEJER-600尿液分析儀與接口轉(zhuǎn)換裝置連接以后再接入LIMS系統(tǒng)的框圖，通過本接口轉(zhuǎn)換裝置，尿液分析儀將不再是單純依托PC機才能建立起和上位機的通訊，精簡設(shè)計的同時，節(jié)約了成本。

圖1 轉(zhuǎn)換裝置接入臨床實驗室的系統(tǒng)框圖

2 接口轉(zhuǎn)換裝置硬件設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計模塊劃分

轉(zhuǎn)換裝置的硬件用于與尿液分析儀設(shè)備建立底層數(shù)據(jù)鏈路，其設(shè)計基于TI公司C2000系統(tǒng)的高性能嵌入式集成芯片TMS320F2812[8]的基礎(chǔ)上，核心模塊包括主控制器模塊、串口接入模塊、以太網(wǎng)口輸出模塊、供電模塊和輔助功能模塊等[9]。硬件模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如2所示。

圖2 硬件模塊系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)主控芯片DSP是整個臨床檢驗設(shè)備接口轉(zhuǎn)換裝置的控制核心，用于管理各個功能模塊；TCP/IP協(xié)議用于完成統(tǒng)一尿液檢驗數(shù)據(jù)格式的協(xié)議轉(zhuǎn)換，由網(wǎng)絡控制芯片和網(wǎng)絡變壓器、網(wǎng)絡接口構(gòu)成，使用硬件邏輯門電路實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧的傳輸層及網(wǎng)絡層，并集成數(shù)據(jù)鏈路層、物理層，使得上位機主控芯片只需要承擔TCP/IP應用層控制信息的處理任務，大大節(jié)省上位機對于數(shù)據(jù)復制、協(xié)議處理和中斷處理等方面的工作量；以太網(wǎng)接口輸出由網(wǎng)絡接口RJ45和網(wǎng)絡變壓器構(gòu)成，用于將轉(zhuǎn)換后的臨床檢驗數(shù)據(jù)接入到LIMS系中，實現(xiàn)檢驗數(shù)據(jù)的共享和上傳[10]。

2.2 硬件設(shè)計模塊化框圖

2.2.1 RS232串口到主控制器的獲取模塊

尿液分析儀數(shù)據(jù)首先接入轉(zhuǎn)換裝置的DB9插頭作為數(shù)據(jù)輸入，通過MAX3232芯片，采用SCI傳輸方式由CPU讀取到串口數(shù)據(jù)，圖3示出了串口接入模塊到系統(tǒng)主控模塊的設(shè)計。

2.2.2 主控制器到TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊

TCP/IP協(xié)議棧采用以太網(wǎng)控制器W5500，W5500集成了TCP/IP協(xié)議棧，10/100 M以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層（MAC）及物理層（PHY），使得用戶使用單芯片就能夠在他們的應用中拓展網(wǎng)絡連接，利用串行外設(shè)接口（SPI）總線硬件連接方式，很容易完成與主控制器的整合[11]。圖4示出了TMS320F2812和W5500通過SPI接口連接的方案，僅需要 MISO、MOSI、SCLK、SCSn四路信號完成SPI從機工作。

2.2.3 供電模塊

考慮到醫(yī)院檢驗科實驗室內(nèi)部設(shè)備繁多，走線復雜，本轉(zhuǎn)換裝置的供電模塊采用POE（Power Over Ethernet）供電形式，利用雙絞線接口來實現(xiàn)受電設(shè)備（PD）接口設(shè)計，結(jié)合DC/DC變換器，完成PD端的取電過程。在不改變醫(yī)院原來網(wǎng)絡構(gòu)架下，一根網(wǎng)線實現(xiàn)設(shè)備信號傳輸和設(shè)備供電的雙重功能，保證了本轉(zhuǎn)換裝置的安全性和可靠性[12]。

圖3 RS232串口到主控制器的模塊框圖

圖4 主控制器和以太網(wǎng)協(xié)議模塊框圖

3 軟件設(shè)計

串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)，并不是簡單物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的轉(zhuǎn)化。由于串口協(xié)議本身不具有網(wǎng)絡層和傳輸層，串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)，實際是將串口的數(shù)據(jù)作為TCP/IP的應用層數(shù)據(jù)，用TCP/IP封裝傳輸?shù)姆绞?。TCP/IP的應用層數(shù)據(jù)是TCP/IP所要傳送的真正有效的數(shù)據(jù)。接口轉(zhuǎn)換裝置的軟件部分主要包括兩部分：DSP硬件的內(nèi)置程序和與DSP通訊的PC端測試程序。

3.1 DSP硬件的內(nèi)置程序

DSP硬件的內(nèi)置程序主要使用SCI通訊接收尿液分析儀傳輸過來的檢驗數(shù)據(jù)，并進行存儲、讀取，再利用SPI模式完成與W5500的協(xié)議通訊和格式轉(zhuǎn)換等。軟件啟動后首先完成DSP內(nèi)置參數(shù)的各項初始化工作，其軟件工作流程件為圖5所示。

圖5 DSP系統(tǒng)工作流程圖

3.1.1 MEJER-600尿液分析儀報文解析

MEJER-600尿液分析儀，其串口波特率為2 400，數(shù)據(jù)位為7，停止位為1，校驗位為奇。尿液分析儀工作時，按照尿液檢測十一項的先后順序依次在相應的檔位上檢測，串口輸出的數(shù)據(jù)格式按照項目的英文縮寫、參考值、檢驗結(jié)果、單位的順序，以“ ”為幀結(jié)束標志，待十一項檢驗數(shù)據(jù)全部完成，報文數(shù)據(jù)將向上位機或者LIMS服務器端傳輸。

3.1.2 以太網(wǎng)協(xié)議棧W5500通訊協(xié)議設(shè)置

W5500提供了底層socket API函數(shù)，開發(fā)人員在編程過程中，僅需要配置和操作所使用的端口的相關(guān)寄存器即可。W5500通過高性能的SPI外設(shè)接口，包括地址段（16 bit偏移地址）、控制斷和數(shù)據(jù)段。對芯片進行協(xié)議SPI數(shù)據(jù)幀的規(guī)定和必須的參數(shù)初始化配置，按照起始字節(jié)、標志字節(jié)、指令類型、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)等依次完成SPI數(shù)據(jù)幀定義，根據(jù)指令類型實現(xiàn)了尿液檢測參數(shù)的數(shù)據(jù)格式和通訊協(xié)議的定義[13]。

3.1.3 規(guī)范化報告單的整理

報告單的歸一化整理也是本工作的重點內(nèi)容。如通訊協(xié)議中，項目英文簡稱的顯示，將根據(jù)調(diào)用報告單數(shù)據(jù)庫鏈表[14]，由英文簡稱提取對應的項目中文名稱并連同項目英文簡稱一起顯示。讀取到“WBC”，即在數(shù)據(jù)庫鏈表中調(diào)用顯示“白細胞”；再如參考值將按原報告單中“+—”進行“陽性陰性”的調(diào)用顯示……以此依次進行，尿十一項檢驗參數(shù)轉(zhuǎn)換流程如圖6所示。

3.2 PC端測試程序

PC端的測試程序主要用于模擬LIMS服務器簡易實驗測試平臺，使用Microsoft visual studio 2010平臺[15]主要完成了MEJER-600通過轉(zhuǎn)換裝置，將尿十一項檢驗數(shù)據(jù)接入到LIMS測試平臺的工作。針對檢驗設(shè)備尿液分析儀，測試平臺中還考慮了其他一些儀器廠家的接口預留，為后期實現(xiàn)各個廠家、任意接口類型的尿液分析儀都能接入測試平臺，提供了方便。

4 實驗結(jié)果分析

圖7展示了本轉(zhuǎn)換裝置的實物圖；圖8為將MEJER-600接入到LIMS服務器簡易實驗測試平臺的效果圖。在測試平臺的檢驗項目欄下可選擇尿液分析儀欄，在不同廠家的尿液分析儀的錄入中可選擇美僑公司MEJER-600接入LIMS，此時可清楚查看MEJER-600經(jīng)過TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換以后，接入到LIMS模擬平臺的各項檢驗數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)換后的規(guī)范化報告單的顯示。

圖7 轉(zhuǎn)換裝置實物圖

圖8 接入LIMS服務器簡易實驗測試平臺展示

5 結(jié) 論

本文針對MEJER-600尿液分析儀，提出了一種由串口向互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議接口轉(zhuǎn)換的解決方案，通過串口到以太網(wǎng)口的轉(zhuǎn)換，檢驗報告單的規(guī)范化，配合上位機系統(tǒng)應用，使得尿液分析儀的數(shù)據(jù)信息可在LIMS中無阻礙的交換和共享，方便行業(yè)內(nèi)部以及行業(yè)間的資源的交流。該項工作的開展可解決尿液分析儀廠家和軟件公司之間異構(gòu)通訊的問題，從而為實現(xiàn)全面的基于互聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的臨床檢驗設(shè)備轉(zhuǎn)換裝置，提供了一種可行性嘗試。

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Design of conversion device of serial port to Ethernet interface based on urine analyzer

WANG Yan-jie，HU Bing-yi
（Beijing Jiaotong University，Beijing100044，China）

TN02

A

1674－6236（2017）19-0001-05

2016-08-23稿件編號201608170

西安市科技計劃項目（SF1516（4）)

王艷潔（1991—），女，河南周口人，碩士研究生。研究方向：嵌入式醫(yī)療儀器。