基于 RFID 和 ARM 架構(gòu)的醫(yī)療器械智能控制系統(tǒng)

0 引 言

自從1895 年德國物理學(xué)家倫琴（W.K.Reontgen）在維爾茨堡大學(xué)物理研究所發(fā)現(xiàn) X 射線開創(chuàng)人體影響診斷的先河以來，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器在長達(dá)一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展中歷久彌新，越來越多的新技術(shù)應(yīng)用于其中。尤其是科學(xué)技術(shù)越來越發(fā)達(dá)的今天，包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微電子技術(shù)、材料技術(shù)、生物技術(shù)所取得的巨大成就，無不為滿足社會(huì)、家庭和個(gè)人對醫(yī)療儀器更廣泛、更多樣化的需求提供了技術(shù)基礎(chǔ)。未來的醫(yī)療器械必然走向微型化、智能化、個(gè)性化和網(wǎng)絡(luò)化，全新概念的現(xiàn)代醫(yī)療儀器，必將在 21實(shí)際實(shí)現(xiàn)“無縫”融入到社區(qū)環(huán)境和個(gè)人家庭之中，從而更好地為每個(gè)人的健康服務(wù)。

現(xiàn)代醫(yī)療儀器要走向智能化、個(gè)性化和網(wǎng)絡(luò)化，身份識(shí)別是第一步，也是最關(guān)鍵的一步，而射頻識(shí)別（Radio Frequency IDentification，RFID）技術(shù)，作為新興技的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，可通過無線電訊號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸?；诖?，設(shè)計(jì)了一種基于 RFID 和 ARM 實(shí)現(xiàn)用戶信息采集和醫(yī)療器械操控的醫(yī)療器械智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)目前主要應(yīng)用于微波理療儀、超聲理療儀等治療型醫(yī)療儀器中，稍作改進(jìn)也可應(yīng)用于生理類、化學(xué)分析類等檢測分析型醫(yī)療儀器中。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用 ARM 為主控制芯片，完成對射頻識(shí)別芯片的控制、信息采集、數(shù)據(jù)傳輸以及對醫(yī)療器械的控制功能，采用MFRC522 實(shí)現(xiàn)對 IC 卡的讀寫功能，在 PC 機(jī)上運(yùn)行用 VC 6.0開發(fā)的上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對智能控制系統(tǒng)的控制和訪問。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。智能控制系統(tǒng)可在設(shè)定參數(shù)下自行讀取用戶信息后進(jìn)行相應(yīng)治療作和記錄，也可通過USB 口接入 PC 機(jī)后聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制治療儀器。IC 卡和治療儀參數(shù)的設(shè)置與數(shù)據(jù)采集可通過用電腦軟件來進(jìn)行讀寫、管理。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，分為非接觸式 IC 卡、智能控制系統(tǒng)、治療儀和安裝了上位機(jī)軟件的 PC 機(jī)。更換不同的上位機(jī)軟件和治療儀（或分析儀）就可以實(shí)現(xiàn)不同的醫(yī)療儀器的控制，本設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn) 50 萬張 IC 卡的讀寫和信息存儲(chǔ)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路分為以 ARM 芯片為核心的控制子系統(tǒng)，以射頻識(shí)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(dǎo)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(qiáng)的產(chǎn)品，采用 ARM 32 位 Cortex-M3 核心，此芯片集成了各種高性能工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，同時(shí)擁有全速 USB（OTG）接口，兩路 CAN 2.0B 接口，以及以太網(wǎng)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(jīng)典 MSP430 系列微控制器中的一款性能比較強(qiáng)的產(chǎn)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(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，同時(shí)擁有 12 位 ADC，2 個(gè) 16 位計(jì)數(shù)器，片內(nèi)比較器等內(nèi)部資源，支持序列號(hào)、熔絲位燒寫等加密功能，可以防止產(chǎn)品被逆向工程。采用這兩款芯片可以提高系統(tǒng)集成度、穩(wěn)定性，降低PCB 板面積和系統(tǒng)功耗，同時(shí)方便將來對系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)。

2.1 非接觸 IC 卡

非接觸式 IC 卡又稱射頻卡，由 IC 芯片、感應(yīng)天線組成，封裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 PVC 卡片內(nèi)，芯片及天線無任何外露部分。該技術(shù)是世界上最近幾年發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，它成功地將射頻識(shí)別技術(shù)和 IC 卡技術(shù)結(jié)合起來，結(jié)束了無源（卡中無電源）和免接觸這一難題，是電子器件領(lǐng)域的一大突破?？ㄆ谝欢ň嚯x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(shù)據(jù)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(yīng)取電，并工作運(yùn)算數(shù)據(jù)，反饋到讀卡器。

非接觸型 IC 卡本身是無源體，當(dāng)讀寫器對卡進(jìn)行讀寫操作時(shí)，讀寫器發(fā)出的信號(hào)由兩部分疊加組成：一部分是電源信號(hào)，該信號(hào)由卡接收后，與其本身的 L/C 回路產(chǎn)生諧振，產(chǎn)生一個(gè)瞬間能量來供給芯片工作。另一部分則是數(shù)據(jù)信號(hào)，通過接收芯片完成數(shù)據(jù)、修改、存儲(chǔ)等，并返回給讀寫器。由非接觸式 IC 卡所形成的讀寫系統(tǒng)，無論是硬件結(jié)構(gòu)，還是操作過程都得到了很大的簡化，同時(shí)借助于先進(jìn)的管理軟件、可脫機(jī)的操作方式，可使數(shù)據(jù)讀寫過程更為簡單。

2.2 控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖 2 所示，控制子系統(tǒng)采用 STM32F107VCT6 為主控芯片，其硬件電路的外圍電路包括復(fù)位電路、JTAG 調(diào)試接口、狀態(tài)指示電路、UART 接口、USB 轉(zhuǎn)串口模塊等組成。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

復(fù)位電路、JTAG 調(diào)試接口是ARM 最小系統(tǒng)不可缺少的部分。狀態(tài)指示電路由 LED、蜂鳴器和 TFT 觸摸液晶屏組成，可以指示系統(tǒng)的工作狀態(tài)，顯示當(dāng)前用戶信息、消費(fèi)情況、治療方案和時(shí)間等信息，同時(shí)可以通過液晶屏的觸摸功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的手動(dòng)設(shè)置。UART 接口可以方便地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場調(diào)試和多機(jī)通信，由于現(xiàn)有主流 PC 機(jī)多已不再配備 RS 232 接口，因此設(shè)計(jì) USB 轉(zhuǎn)串口模塊可方便實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)和上位機(jī)通信。

2.3 IC 卡讀寫模塊設(shè)計(jì)

IC 卡讀寫模塊采用 Philips MFRC522 原裝芯片設(shè)計(jì)讀卡電路，使用方便，成本低廉，適用于設(shè)備開發(fā)、讀卡器開發(fā)等高級(jí)應(yīng)用的用戶、需要進(jìn)行射頻卡終端設(shè)計(jì) / 生產(chǎn)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(wěn)定可靠的工作、讀卡距離遠(yuǎn)。

MFRC522 是應(yīng)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(yīng)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(shè)備研發(fā)的較好選擇。MFRC522 利用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在 13.56 MHz下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議，支持14443A 兼容應(yīng)答器信號(hào)、數(shù)字部分處理 ISO14443A 幀和錯(cuò)誤檢測。此外，還支持快速 CRYPTO1加密算法，用語驗(yàn)證 MIFARE 系列產(chǎn)品。MFRC522 支持 MIFARE 系列更高速的非接觸式通信，雙向數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá) 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(jī)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(shè)計(jì)

治療儀控制模塊由 MSP430F149 單片機(jī)作為主控芯片，外圍電路包括配置電路、時(shí)鐘電路和控制電路，控制電路具體實(shí)現(xiàn)的方式由相應(yīng)治療儀的控制方式?jīng)Q定，治療儀控制模塊可以控制醫(yī)療儀器做出對應(yīng)以達(dá)到治療的目的。采用MSP430F149 設(shè)計(jì)專門的治療儀控制模塊可以便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和擴(kuò)展，在更換治療儀器時(shí)只要更換相應(yīng)的控制模塊即可，簡化軟硬件設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括嵌入式程序和上位機(jī)軟件兩部分部分。嵌入式軟件的系統(tǒng)架構(gòu)如圖 3 所示，包括系統(tǒng)初始化程序模塊、MSP430 系統(tǒng)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(jī)串口通訊程序模塊、液晶控制程序模塊、狀態(tài)指示程序模塊等七個(gè)部分。

圖3 智瑞醫(yī)療器械工控裝置嵌入式軟件系統(tǒng)框圖

在系統(tǒng)上電后，ARM 芯片收到上位機(jī)軟件通過 UART接口發(fā)出的控制信號(hào)和設(shè)置參數(shù)，對 IC 讀寫模塊和治療儀控制模塊發(fā)出控制信號(hào)，對 IC 讀寫模塊進(jìn)行參數(shù)，并啟動(dòng)治療儀實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的參數(shù)初始化。在沒有收到上位機(jī)控制命令時(shí)，系統(tǒng)同樣可以調(diào)用存儲(chǔ)的參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)初始化，或者通過對觸摸屏進(jìn)行手動(dòng)操作設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)。

在系統(tǒng)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(fèi)信息，通過后即可進(jìn)行相應(yīng)的治療，完成治療后會(huì)根據(jù)治療情況和用戶反饋對治療的效果進(jìn)行相應(yīng)的存儲(chǔ)，以方便醫(yī)生調(diào)閱，制定進(jìn)一步的治療方案。

3.1 ARM 程序設(shè)計(jì)

ARM程序設(shè)計(jì)采用開發(fā)環(huán)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(gè)模塊程序的調(diào)用實(shí)現(xiàn)功能，首先對系統(tǒng)的各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，然后調(diào)用串口通訊模塊程序讀取上位機(jī)的操作指令和數(shù)據(jù)，然后根據(jù)相應(yīng)的指令進(jìn)行相應(yīng)的操作，其后調(diào)用 IC 卡讀寫模塊程序檢測系統(tǒng)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(jìn)行相應(yīng)操作，如果沒有余額則顯示余額不足。

圖4 ARM 程序流程圖

3.2 IC 卡讀寫程序設(shè)計(jì)

IC 卡讀寫模塊程序模塊包含對 IC 卡讀寫芯片進(jìn)行復(fù)位和初始化，然后主控芯片讀卡并進(jìn)行防沖突處理，選擇卡之后進(jìn)行認(rèn)證，認(rèn)證為系統(tǒng)內(nèi)部所發(fā) IC 卡之后進(jìn)行相應(yīng)命令的操作：包含讀卡、寫卡、加值、減值、暫停等功能，最后進(jìn)行是否改變分區(qū)的判斷，若改變分區(qū)則重新進(jìn)行認(rèn)證，不改變分區(qū)則重新進(jìn)行命令判斷。

3.3 串口通訊模塊程序設(shè)計(jì)

串口通信程序采用中斷方式觸發(fā)串口通信。當(dāng)單片機(jī)串口接收到數(shù)據(jù)時(shí)，進(jìn)入中斷服務(wù)程序入口，然后根據(jù)寄存器判斷是接收數(shù)據(jù)還是發(fā)送數(shù)據(jù)。如果是接收數(shù)據(jù)，則讀取接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，讀取完成釋放接收緩沖器，中斷服務(wù)程序結(jié)束 ;如果是發(fā)送數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖區(qū)，并置位發(fā)送請求位，同時(shí)判斷是否發(fā)送完成，若發(fā)送完成則中斷服務(wù)程序結(jié)束，若未發(fā)送完成則繼續(xù)發(fā)送，直到發(fā)送完成。

3.4 液晶控制程序設(shè)計(jì)

液晶控制模塊程序工作流程為首先對液晶進(jìn)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(shí)將待顯示數(shù)據(jù)送入緩沖區(qū)，這時(shí)預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)會(huì)顯示在指定區(qū)域中，調(diào)整指針，將指針指向 LCD 的下一行，判斷顯示是否結(jié)束，結(jié)束則跳出該函數(shù)，未結(jié)束則返回值顯示預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)上一步，繼續(xù)顯示下一指針對應(yīng)的數(shù)據(jù)。在顯示過程中，主程序會(huì)循環(huán)調(diào)用觸摸函數(shù)，判斷用戶是否有操作，有操作則根據(jù)用戶操作進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置和工作狀態(tài)調(diào)整。

3.5 治療儀控制程序設(shè)計(jì)

治療儀控制模塊程序工作過程為：首先對 MSP430F149的內(nèi)部資源和 IO 口進(jìn)行初始化并對醫(yī)療器械的工作狀態(tài)進(jìn)行初始化，然后檢測系統(tǒng)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(yī)療器械的工作，根據(jù)用戶的設(shè)置或者調(diào)用設(shè)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(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件主要由動(dòng)態(tài)鏈接庫和用戶操作界面程序兩部分構(gòu)成。動(dòng)態(tài)鏈接庫使用 VC++ 編程實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)與串口驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行通信，響應(yīng)應(yīng)用程序的各種要求 ;用戶操作界面程序使用 MFC 編程實(shí)現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)初始化設(shè)備、設(shè)置儀器參數(shù)、控制設(shè)備運(yùn)行等功能。上位機(jī)設(shè)計(jì)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(jī)軟件可以實(shí)現(xiàn)各種功能設(shè)定卡的制作、消費(fèi)卡的收費(fèi)管理、匯總采集用戶數(shù)據(jù)和治療信息并進(jìn)行分析處理、以及各種報(bào)表輸出功能。上位機(jī)軟件開發(fā)設(shè)計(jì)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(shí)間消耗，又能減少開發(fā)商的培訓(xùn)、維護(hù)時(shí)間。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種基于 RFID 和 ARM 架構(gòu)的醫(yī)療器械智能控制系統(tǒng)。采用 STM32F107 控制 MFRC522 射頻芯片與射頻卡進(jìn)行通信，利用 USB 轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)片機(jī)與 PC 機(jī)之間的串口通信。系統(tǒng)可通過射頻識(shí)別卡識(shí)別患者身份信息和消費(fèi)信息，實(shí)現(xiàn)對用戶信息和消費(fèi)信息的調(diào)取和存儲(chǔ)，對相應(yīng)患者調(diào)取對應(yīng)的治療方案，在治療完成后收取一定的費(fèi)用，并可根據(jù)患者的反饋記錄治療效果。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，修改治療儀控制模塊即可實(shí)現(xiàn)多種醫(yī)療儀器的智能控制系統(tǒng) ;通過多個(gè)系統(tǒng)同時(shí)聯(lián)網(wǎng)，并對上位機(jī)軟件進(jìn)行修改，可以實(shí)現(xiàn)多路治療儀的操作和控制。

責(zé)任編輯：ct