基于尿液分析仪的串口到以太网口的转换装置设计

2017-10-12王艳洁胡秉谊

电子设计工程 2017年19期

关键词：以太网串口分析仪

王艳洁，胡秉谊

（北京交通大学北京 100044）

基于尿液分析仪的串口到以太网口的转换装置设计

王艳洁，胡秉谊

（北京交通大学北京 100044）

为了实现实验室信息管理系统中检验设备类型众多、接口形式多样、软件开发难度大，更换设备不得不更换整套配套软件的难题，以RS232接口的MEJER-600尿液分析仪为例，设计了一种基于尿液分析仪的串口到遵循互联网协议的以太网口的转换装置，结合串口特点和TCP/IP协议，通过相关软硬件设计和LIMS服务器简易实验测试平台，完成该尿液分析仪在LIMS中归一化接入，实现基于IP节点的数据格式和交换协议的转换，小巧便携，经济实用。

LIMS；尿液分析仪；RS232串口；嵌入式系统；TCP/IP协议

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

在临床检验信息系统中，检验科每天面临巨大的检验工作量，临床检验设备的使用率很高。实验室信息管理系统（Laboratory Information Management System，LIMS），检验设备需要和医生工作站、管理机构、大型数据库、报警装置等多部门建立数据交换通道，以实现检验数据获取和事件报告。医院使用的检验设备通常来自于不同的设备开发商，没有统一的设备数据格式可以遵循，信息的标准以及设备的接口大多采用自己的规范，所依托的操作系统、数据结构以及硬件环境等不尽相同[1-3]。目前医院信息网络多采用互联网协议IP（Internet Protocol）建立互联机制，但现有临床检验设备接口类型为串口、以太网接口，只支持特定的点对点的通讯，而不支持互联网协议。目前市场上尿液分析仪主要采用RS232接口进行通讯，不适合建立现代化的远程医疗健康监护网络。不同系统间的信息交换变得非常困难，无疑会带来医疗事务信息共享中的信息孤岛问题[4-5]。

现有尿液分析仪的接入普遍采用一台专用的计算机与医院网络建立连接，采用自主的协议向网络数据服务器发送信息[6]。当存在信息交换的需求时，LIS系统厂商往往耗费大量的时间和精力做接口的转换，当这种数据转换需求存在多个系统之间时，完成这样的数据转换是非常复杂的工程[7]。为保证设备监测工作的持续进行，所配备的计算机需要二十四小时不间断运行。现有的计算机多为商用机，占用空间大，鲁棒性差。

为解决上述信息共享困难的问题，本文将基于高性能嵌入式芯片TMS320F2812以及TCP/IP以太网控制器W5500，以深圳美侨公司MEJER-600尿液分析仪的尿十一项检测为例，通过本设计对其进行整体平台定制，包括转换装置硬件设计、尿十一项检验项目报告单归一化，底层驱动程序的开发和系统应用层软件设计，搭建LIMS服务器简易实验测试平台，采用多线程技术实现尿液分析仪串口到互联网接口的转换。

1 接口转换装置系统总体方案

在实验室信息系统中，MEJER-600通过RS232串口形式接入一台PC，通过PC建立起和LIMS系统局域网中各个部门的通讯。本工作通过引入接口转换装置，将其取代传统PC机，通过其以太网协议的转换，将MEJER-600的接入看作局域网中一个IP节点，使其由传统的单向接入模式向智能化自发通信模式转换。图1为MEJER-600尿液分析仪与接口转换装置连接以后再接入LIMS系统的框图，通过本接口转换装置，尿液分析仪将不再是单纯依托PC机才能建立起和上位机的通讯，精简设计的同时，节约了成本。

图1 转换装置接入临床实验室的系统框图

2 接口转换装置硬件设计

2.1 硬件设计模块划分

转换装置的硬件用于与尿液分析仪设备建立底层数据链路，其设计基于TI公司C2000系统的高性能嵌入式集成芯片TMS320F2812[8]的基础上，核心模块包括主控制器模块、串口接入模块、以太网口输出模块、供电模块和辅助功能模块等[9]。硬件模块系统结构框图如2所示。

图2 硬件模块系统框图

系统主控芯片DSP是整个临床检验设备接口转换装置的控制核心，用于管理各个功能模块；TCP/IP协议用于完成统一尿液检验数据格式的协议转换，由网络控制芯片和网络变压器、网络接口构成，使用硬件逻辑门电路实现TCP/IP协议栈的传输层及网络层，并集成数据链路层、物理层，使得上位机主控芯片只需要承担TCP/IP应用层控制信息的处理任务，大大节省上位机对于数据复制、协议处理和中断处理等方面的工作量；以太网接口输出由网络接口RJ45和网络变压器构成，用于将转换后的临床检验数据接入到LIMS系中，实现检验数据的共享和上传[10]。

2.2 硬件设计模块化框图

2.2.1 RS232串口到主控制器的获取模块

尿液分析仪数据首先接入转换装置的DB9插头作为数据输入，通过MAX3232芯片，采用SCI传输方式由CPU读取到串口数据，图3示出了串口接入模块到系统主控模块的设计。

2.2.2 主控制器到TCP/IP协议转换模块

TCP/IP协议栈采用以太网控制器W5500，W5500集成了TCP/IP协议栈，10/100 M以太网数据链路层（MAC）及物理层（PHY），使得用户使用单芯片就能够在他们的应用中拓展网络连接，利用串行外设接口（SPI）总线硬件连接方式，很容易完成与主控制器的整合[11]。图4示出了TMS320F2812和W5500通过SPI接口连接的方案，仅需要 MISO、MOSI、SCLK、SCSn四路信号完成SPI从机工作。

2.2.3 供电模块

考虑到医院检验科实验室内部设备繁多，走线复杂，本转换装置的供电模块采用POE（Power Over Ethernet）供电形式，利用双绞线接口来实现受电设备（PD）接口设计，结合DC/DC变换器，完成PD端的取电过程。在不改变医院原来网络构架下，一根网线实现设备信号传输和设备供电的双重功能，保证了本转换装置的安全性和可靠性[12]。

图3 RS232串口到主控制器的模块框图

图4 主控制器和以太网协议模块框图

3 软件设计

串口转以太网，并不是简单物理层和数据链路层的转化。由于串口协议本身不具有网络层和传输层，串口转以太网，实际是将串口的数据作为TCP/IP的应用层数据，用TCP/IP封装传输的方式。TCP/IP的应用层数据是TCP/IP所要传送的真正有效的数据。接口转换装置的软件部分主要包括两部分：DSP硬件的内置程序和与DSP通讯的PC端测试程序。

3.1 DSP硬件的内置程序

DSP硬件的内置程序主要使用SCI通讯接收尿液分析仪传输过来的检验数据，并进行存储、读取，再利用SPI模式完成与W5500的协议通讯和格式转换等。软件启动后首先完成DSP内置参数的各项初始化工作，其软件工作流程件为图5所示。

图5 DSP系统工作流程图

3.1.1 MEJER-600尿液分析仪报文解析

MEJER-600尿液分析仪，其串口波特率为2 400，数据位为7，停止位为1，校验位为奇。尿液分析仪工作时，按照尿液检测十一项的先后顺序依次在相应的档位上检测，串口输出的数据格式按照项目的英文缩写、参考值、检验结果、单位的顺序，以“ ”为帧结束标志，待十一项检验数据全部完成，报文数据将向上位机或者LIMS服务器端传输。

3.1.2 以太网协议栈W5500通讯协议设置

W5500提供了底层socket API函数，开发人员在编程过程中，仅需要配置和操作所使用的端口的相关寄存器即可。W5500通过高性能的SPI外设接口，包括地址段（16 bit偏移地址）、控制断和数据段。对芯片进行协议SPI数据帧的规定和必须的参数初始化配置，按照起始字节、标志字节、指令类型、数据长度、数据等依次完成SPI数据帧定义，根据指令类型实现了尿液检测参数的数据格式和通讯协议的定义[13]。

3.1.3 规范化报告单的整理

报告单的归一化整理也是本工作的重点内容。如通讯协议中，项目英文简称的显示，将根据调用报告单数据库链表[14]，由英文简称提取对应的项目中文名称并连同项目英文简称一起显示。读取到“WBC”，即在数据库链表中调用显示“白细胞”；再如参考值将按原报告单中“+—”进行“阳性阴性”的调用显示……以此依次进行，尿十一项检验参数转换流程如图6所示。

3.2 PC端测试程序

PC端的测试程序主要用于模拟LIMS服务器简易实验测试平台，使用Microsoft visual studio 2010平台[15]主要完成了MEJER-600通过转换装置，将尿十一项检验数据接入到LIMS测试平台的工作。针对检验设备尿液分析仪，测试平台中还考虑了其他一些仪器厂家的接口预留，为后期实现各个厂家、任意接口类型的尿液分析仪都能接入测试平台，提供了方便。

4 实验结果分析

图7展示了本转换装置的实物图；图8为将MEJER-600接入到LIMS服务器简易实验测试平台的效果图。在测试平台的检验项目栏下可选择尿液分析仪栏，在不同厂家的尿液分析仪的录入中可选择美侨公司MEJER-600接入LIMS，此时可清楚查看MEJER-600经过TCP/IP协议转换以后，接入到LIMS模拟平台的各项检验数据，实现了转换后的规范化报告单的显示。

图7 转换装置实物图

图8 接入LIMS服务器简易实验测试平台展示

5 结论

本文针对MEJER-600尿液分析仪，提出了一种由串口向互联网协议接口转换的解决方案，通过串口到以太网口的转换，检验报告单的规范化，配合上位机系统应用，使得尿液分析仪的数据信息可在LIMS中无阻碍的交换和共享，方便行业内部以及行业间的资源的交流。该项工作的开展可解决尿液分析仪厂家和软件公司之间异构通讯的问题，从而为实现全面的基于互联网节点的临床检验设备转换装置，提供了一种可行性尝试。

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