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基于RFID的醫療器械智能控制系統設計

2018-02-06 14:16:00 訪問量:1439

0 引 言

自從1895 年德國物理學家倫琴(W.K.Reontgen)在維爾茨堡大學物理研究所發現 X 射線開創人體影響診斷的先河以來,現代醫學儀器在長達一個多世紀的發展中歷久彌新,越來越多的新技術應用于其中。尤其是科學技術越來越發達的今天,包括計算機技術、網絡技術、微電子技術、材料技術、生物技術所取得的巨大成就,無不為滿足社會、家庭和個人對醫療儀器更廣泛、更多樣化的需求提供了技術基礎。未來的醫療器械必然走向微型化、智能化、個性化和網絡化,全新概念的現代醫療儀器,必將在 21實際實現“無縫”融入到社區環境和個人家庭之中,從而更好地為每個人的健康服務。

現代醫療儀器要走向智能化、個性化和網絡化,身份識別是第一步,也是最關鍵的一步,而射頻識別(Radio Frequency IDentification,RFID)技術,作為新興技的物聯網關鍵技術,可通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數據,而無需識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸。基于此,設計了一種基于 RFID 和 ARM 實現用戶信息采集和醫療器械操控的醫療器械智能控制系統。該系統目前主要應用于微波理療儀、超聲理療儀等治療型醫療儀器中,稍作改進也可應用于生理類、化學分析類等檢測分析型醫療儀器中。

1 系統總體設計

系統采用 ARM 為主控制芯片,完成對射頻識別芯片的控制、信息采集、數據傳輸以及對醫療器械的控制功能,采用MFRC522 實現對 IC 卡的讀寫功能,在 PC 機上運行用 VC 6.0開發的上位機軟件實現對智能控制系統的控制和訪問。

系統總體設計框圖如圖1所示。智能控制系統可在設定參數下自行讀取用戶信息后進行相應治療作和記錄,也可通過USB 口接入 PC 機后聯網遠程控制治療儀器。IC 卡和治療儀參數的設置與數據采集可通過用電腦軟件來進行讀寫、管理。

基于RFID的醫療器械智能控制系統設計

圖1 系統總體框圖

系統采用模塊化設計,分為非接觸式 IC 卡、智能控制系統、治療儀和安裝了上位機軟件的 PC 機。更換不同的上位機軟件和治療儀(或分析儀)就可以實現不同的醫療儀器的控制,本設計可以實現 50 萬張 IC 卡的讀寫和信息存儲。

2 系統硬件設計

系統硬件電路分為以 ARM 芯片為核心的控制子系統,以射頻識別芯片為核心的 IC 卡讀寫模塊,以 MSP430F149 芯片為核心的治療儀控制模塊以及治療儀四大部分。

ARM 芯片采用 STM32F107VCT6 芯片,該芯片是意法半導體推出的全新 STM32互連型(Connectivity)系列微控制器中的一款性能較強的產品,采用 ARM 32 位 Cortex-M3 核心,此芯片集成了各種高性能工業標準接口,同時擁有全速 USB(OTG)接口,兩路 CAN 2.0B 接口,以及以太網10/100 MAC模塊。治療儀控制模塊采用 MSP430F149 為主控芯片,該芯片是TI 公司推出的經典 MSP430 系列微控制器中的一款性能比較強的產品,16 位精簡指令集 MCU,命令周期125 ns,此芯片集成了各種高性能工業標準接口,同時擁有 12 位 ADC,2 個 16 位計數器,片內比較器等內部資源,支持序列號、熔絲位燒寫等加密功能,可以防止產品被逆向工程。采用這兩款芯片可以提高系統集成度、穩定性,降低PCB 板面積和系統功耗,同時方便將來對系統進行升級。

2.1 非接觸 IC 卡

非接觸式 IC 卡又稱射頻卡,由 IC 芯片、感應天線組成,封裝在一個標準的 PVC 卡片內,芯片及天線無任何外露部分。該技術是世界上最近幾年發展起來的一項新技術,它成功地將射頻識別技術和 IC 卡技術結合起來,結束了無源(卡中無電源)和免接觸這一難題,是電子器件領域的一大突破。卡片在一定距離范圍(通常為 5 ~10 mm)靠近讀寫器表面,通過無線電波的傳遞來完成數據的讀寫操作。非接觸式 IC 卡是一種新型的智能卡,功能與接觸 ID 卡、IC 卡一樣,只是它無需電源,由接收天線從讀卡器磁場感應取電,并工作運算數據,反饋到讀卡器。

非接觸型 IC 卡本身是無源體,當讀寫器對卡進行讀寫操作時,讀寫器發出的信號由兩部分疊加組成:一部分是電源信號,該信號由卡接收后,與其本身的 L/C 回路產生諧振,產生一個瞬間能量來供給芯片工作。另一部分則是數據信號,通過接收芯片完成數據、修改、存儲等,并返回給讀寫器。由非接觸式 IC 卡所形成的讀寫系統,無論是硬件結構,還是操作過程都得到了很大的簡化,同時借助于先進的管理軟件、可脫機的操作方式,可使數據讀寫過程更為簡單。

2.2 控制子系統設計

如圖 2 所示,控制子系統采用 STM32F107VCT6 為主控芯片,其硬件電路的外圍電路包括復位電路、JTAG 調試接口、狀態指示電路、UART 接口、USB 轉串口模塊等組成。

基于RFID的醫療器械智能控制系統設計

圖2 系統硬件框圖

復位電路、JTAG 調試接口是ARM 最小系統不可缺少的部分。狀態指示電路由 LED、蜂鳴器和 TFT 觸摸液晶屏組成,可以指示系統的工作狀態,顯示當前用戶信息、消費情況、治療方案和時間等信息,同時可以通過液晶屏的觸摸功能實現系統參數的手動設置。UART 接口可以方便地實現現場調試和多機通信,由于現有主流 PC 機多已不再配備 RS 232 接口,因此設計 USB 轉串口模塊可方便實現控制系統和上位機通信。

2.3 IC 卡讀寫模塊設計

IC 卡讀寫模塊采用 Philips MFRC522 原裝芯片設計讀卡電路,使用方便,成本低廉,適用于設備開發、讀卡器開發等高級應用的用戶、需要進行射頻卡終端設計 / 生產的用戶。本模塊也可直接裝入各種讀卡器模具。模塊采用電壓為3.3 V,通過 SPI 接口簡單的幾條線就可以直接與用戶任何 CPU 主板相連接通信,可以保證模塊穩定可靠的工作、讀卡距離遠。

MFRC522 是應用于 13.56 MHz 非接觸式通信中高集成度的讀寫卡芯片,是 NXP 公司針對“三表”應用推出的一款低電壓、低成本、體積小的非接觸式讀寫卡芯片,是智能儀表和便攜式手持設備研發的較好選擇。MFRC522 利用了先進的調制和解調概念,完全集成了在 13.56 MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協議,支持14443A 兼容應答器信號、數字部分處理 ISO14443A 幀和錯誤檢測。此外,還支持快速 CRYPTO1加密算法,用語驗證 MIFARE 系列產品。MFRC522 支持 MIFARE 系列更高速的非接觸式通信,雙向數據傳輸速率高達 424 Kb/s。作為13.56 MHz 高集成度讀寫卡系列芯片家族的新成員,MFRC522 與主機間通信采用 SPI模式,有利于減少連線,縮小 PCB 板體積,降低成本。

2.4 治療儀控制模塊設計

治療儀控制模塊由 MSP430F149 單片機作為主控芯片,外圍電路包括配置電路、時鐘電路和控制電路,控制電路具體實現的方式由相應治療儀的控制方式決定,治療儀控制模塊可以控制醫療儀器做出對應以達到治療的目的。采用MSP430F149 設計專門的治療儀控制模塊可以便于實現系統設計和擴展,在更換治療儀器時只要更換相應的控制模塊即可,簡化軟硬件設計。

3 系統軟件設計

系統軟件設計包括嵌入式程序和上位機軟件兩部分部分。嵌入式軟件的系統架構如圖 3 所示,包括系統初始化程序模塊、MSP430 系統控制主程序、IC 卡讀寫程序模塊、治療儀控制程序模塊、上位機串口通訊程序模塊、液晶控制程序模塊、狀態指示程序模塊等七個部分。

基于RFID的醫療器械智能控制系統設計

圖3 智瑞醫療器械工控裝置嵌入式軟件系統框圖

在系統上電后,ARM 芯片收到上位機軟件通過 UART接口發出的控制信號和設置參數,對 IC 讀寫模塊和治療儀控制模塊發出控制信號,對 IC 讀寫模塊進行參數,并啟動治療儀實現相應的參數初始化。在沒有收到上位機控制命令時,系統同樣可以調用存儲的參數進行系統初始化,或者通過對觸摸屏進行手動操作設置系統參數。

在系統正常工作過程中,如果讀取到用戶 IC 卡,核對用戶信息和消費信息,通過后即可進行相應的治療,完成治療后會根據治療情況和用戶反饋對治療的效果進行相應的存儲,以方便醫生調閱,制定進一步的治療方案。

3.1 ARM 程序設計

ARM程序設計采用開發環境IAR EWARM(IAR Embedded Workbench for ARM), 程序編寫使用C語言。ARM程序流程如圖 4 所示,主程序以對各個模塊程序的調用實現功能,首先對系統的各個模塊進行初始化,然后調用串口通訊模塊程序讀取上位機的操作指令和數據,然后根據相應的指令進行相應的操作,其后調用 IC 卡讀寫模塊程序檢測系統的讀卡情況,如果有 IC 卡放入,則讀取 IC 卡信息,但賬戶中仍有余額,則開啟儀器進行相應操作,如果沒有余額則顯示余額不足。

基于RFID的醫療器械智能控制系統設計

圖4 ARM 程序流程圖

3.2 IC 卡讀寫程序設計

IC 卡讀寫模塊程序模塊包含對 IC 卡讀寫芯片進行復位和初始化,然后主控芯片讀卡并進行防沖突處理,選擇卡之后進行認證,認證為系統內部所發 IC 卡之后進行相應命令的操作:包含讀卡、寫卡、加值、減值、暫停等功能,最后進行是否改變分區的判斷,若改變分區則重新進行認證,不改變分區則重新進行命令判斷。

3.3 串口通訊模塊程序設計

串口通信程序采用中斷方式觸發串口通信。當單片機串口接收到數據時,進入中斷服務程序入口,然后根據寄存器判斷是接收數據還是發送數據。如果是接收數據,則讀取接收緩沖區數據,讀取完成釋放接收緩沖器,中斷服務程序結束 ;如果是發送數據,則將數據寫入發送緩沖區,并置位發送請求位,同時判斷是否發送完成,若發送完成則中斷服務程序結束,若未發送完成則繼續發送,直到發送完成。

3.4 液晶控制程序設計

液晶控制模塊程序工作流程為首先對液晶進行初始化并清屏,然后置顯示行初值,將顯示指針指向第一行,同時將待顯示數據送入緩沖區,這時預設數據會顯示在指定區域中,調整指針,將指針指向 LCD 的下一行,判斷顯示是否結束,結束則跳出該函數,未結束則返回值顯示預設數據上一步,繼續顯示下一指針對應的數據。在顯示過程中,主程序會循環調用觸摸函數,判斷用戶是否有操作,有操作則根據用戶操作進行相應的參數設置和工作狀態調整。

3.5 治療儀控制程序設計

治療儀控制模塊程序工作過程為:首先對 MSP430F149的內部資源和 IO 口進行初始化并對醫療器械的工作狀態進行初始化,然后檢測系統的讀卡情況,如果有 IC 卡放入,則讀取 IC 卡信息,但賬戶中仍有余額,則開啟醫療器械的工作,根據用戶的設置或者調用設定好的治療方案開始治療,如果沒有余額則顯示余額不足。

4 上位機軟件設計

上位機軟件主要由動態鏈接庫和用戶操作界面程序兩部分構成。動態鏈接庫使用 VC++ 編程實現,負責與串口驅動程序進行通信,響應應用程序的各種要求 ;用戶操作界面程序使用 MFC 編程實現,可實現初始化設備、設置儀器參數、控制設備運行等功能。上位機設計為綠色免安裝版本,既可以降低對電腦配置的要求,也可以減小用戶的操作難度。上位機軟件可以實現各種功能設定卡的制作、消費卡的收費管理、匯總采集用戶數據和治療信息并進行分析處理、以及各種報表輸出功能。上位機軟件開發設計的原則就是好用、易用、合理、簡潔。既能減少用戶操作難度和時間消耗,又能減少開發商的培訓、維護時間。

5 結 語

本文設計了一種基于 RFID 和 ARM 架構的醫療器械智能控制系統。采用 STM32F107 控制 MFRC522 射頻芯片與射頻卡進行通信,利用 USB 轉換芯片實現片機與 PC 機之間的串口通信。系統可通過射頻識別卡識別患者身份信息和消費信息,實現對用戶信息和消費信息的調取和存儲,對相應患者調取對應的治療方案,在治療完成后收取一定的費用,并可根據患者的反饋記錄治療效果。系統采用模塊化設計,修改治療儀控制模塊即可實現多種醫療儀器的智能控制系統 ;通過多個系統同時聯網,并對上位機軟件進行修改,可以實現多路治療儀的操作和控制。

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