基于Android系统的呼气试验测试仪图形用户界面的设计与实现

2018-03-13李磊池迎春

中国医疗设备 2018年2期

李磊，池迎春

1.深圳市中核海得威生物科技有限公司器械部，广东深圳 518057；2.解放军第三〇九医院护理部，北京 100091

引言

呼气试验测试仪主要用于临床诊断幽门螺杆菌感染。幽门螺杆菌目前已被认定是慢性胃炎的主要致病因子，如果长期得不到治疗会导致胃炎、十二指肠炎和胃溃疡等症状，甚至有发展成胃癌的风险[1-4]。

现有的呼气试验测试仪体积庞大且采集到的数据无法直接处理，需要通过USB线与PC机连接后，才能正常操作使用。因此，我们设计开发了新型便携式二通道呼气试验测试仪。它不仅能单机操作，也可以连接上位机完成所有控制任务。其图形用户界面的开发基于谷歌开源的Android操作系统。它是基于Linux内核的开源平台，包括丰富的库函数及多种数据存储模式，便于实现各种复杂的应用功能，而且不存在任何阻碍创新的专有权障碍。

1 Android操作系统

Android系统从上至下分为4层：应用程序、Android应用程序框架、Android程序库及Android运行时、Linux内核[5]，见图1。

图1 Android系统架构

1.1 应用程序层

该层提供一些核心应用程序包。同时，开发者可以利用Java语言设计和编写属于自己的应用程序，而这些程序与核心应用程序彼此平等、友好共处。本设计的GUI界面就是使用Java语言在Eclipse集成开发环境中编写、调试、编译。

1.2 应用程序框架层

应用程序框架层包括活动管理器、窗口管理器、内容提供者、视图系统、包管理器、电话管理器、资源管理器、位置管理器、通知管理器和XMPP服务10个部分。在Android平台上，开发人员可以访问核心应用程序所使用的API框架。

1.3 系统库和Android运行时

系统库包含9个子系统，分别是图层管理、媒体库、SQLite、OpenGLEState、FreeType、WebKit、SGL、SSL 和libc。Android运行时包括核心库和Dalvik虚拟机，前者既兼容了大多数Java语言所需要调用的功能函数，又包括了Android的核心库。后者是一种基于寄存器的Java虚拟机，Dalvik虚拟机主要是对生命周期的管理、堆栈的管理、线程的管理、安全和异常的管理以及垃圾回收等重要功能[6]。

1.4 Linux内核

Android核心系统服务依赖于Linux 2.6内核，如安全性、内存管理、进程管理、网络协议栈和驱动模型。Linux内核也是作为硬件与软件栈的抽象层。本设计重点完成基于触摸驱动IC FT5406的驱动代码。

2 硬件系统框架

硬件系统分为两大部分，基于STM32的微控制器部分[7-10]和基于Samsung Exynos4412的四核微处理器部分[11]。第一部分主要完成运动部件控制、温度传感器数据采集、探测器信号采集[12]等；第二部分由核心板和底板两部分组成，主要完成触摸及液晶屏驱动、图形用户界面显示、测试数据保存、历史记录查询及数据存储等。两大部分通过串口进行通信。见图2。

图2 系统硬件框架

3 基于Android平台图形界面设计

3.1 触摸驱动

本设计选用多点触控电容液晶屏作为系统中人机交互的窗口。电容屏与电阻屏比较，电容式触摸屏具有灵敏度高，容易实现多点触控技术等优点。我们选用的触摸屏IC是FocalTech公司的FT5406，是一款I2C总线协议的电容屏多点触控芯片。图形界面中的控件需要底层支持才能得到正确响应。所以在Linux内核中的Input子系统下完成触摸屏的驱动。Input子系统由3层组成，分别为设备驱动层、核心层和事件处理层。设备驱动层主要实现对硬件设备的读写访问，中断设置，并把硬件产生的事件转换为核心层定义的规范提交给事件处理层。核心层为设备驱动层提供了规范和接口。设备驱动层关心如何驱动硬件并获得硬件数据，然后调用核心层提供的接口，核心层自动把数据提交给事件处理层。事件处理层是用户编程的接口（设备节点），并处理驱动层提交的数据。

触摸屏驱动代码整体流程，见图3。

图3 触摸驱动流程图

3.2 基于Android平台的串口通信

串口通信是目前单片机和DSP等嵌入式系统之间，以及嵌入式系统与PC机或无线模块之间的一种非常重要且普遍的通信方式，在数据量要求不是特别高的情况下，因其具有简单、低廉、成熟和通用等优点，得到了广泛的应用。

本设计微控制器端使用STM32提供的串口相关库函数完成数据的接收、发送。嵌入式微处理器端使用Google开源的Android-serialport-api项目。该项目包装了串行接口的通讯。首先在Java层定义一个接口，同时在C层用C代码实现串口的功能并编译成动态链接库[13-14]。这样Activity就可以通过Java层接口调用生成的动态链接库，完成相应的功能，如波特率设置，串口端口选择，数据读写等。

微控制器和微处理器之间通过串口通信协议完成数据的传输、解析。通信协议是需要通信的双方达成的一种约定，它对包括数据格式、同步方式、传送速度、传送步骤、检纠错方式以及控制字符定义等问题作出统一规定，在双方的通信中必须共同遵守。本呼气试验测试仪项目根据5个方面来制定合适的串口通信协议：① 偏重实时控制还是偏重于实时信息；② 传输数据量的大小；③ 传输信息的组成；④ 对传输的可靠性要求程度；⑤ 设备所处环境的干扰程度。

具体内容：传输波特率9600，一帧数据24个字节。包头3个字节0x02、0xff、0x00，第4个字节为命令字，最后一个字节0x03是包尾。

3.3 GUI设计

底层驱动构建完成后，需要实现人机交互界面。GUI属于Android体系架构的应用层。由Java语言编写。使用Eclipse集成开发环境完成代码编写及编译生成APK文件。Android应用程序的生存周期内包括以下关键组件[15]：Activity：应用程序的入口，界面显示，接收事件（如按键），控制显示跳转。

BroadcastReceiver：用于注册和接收系统广播的事件，可接收自定义的广播事件。

ContentProvider：提供数据库查询接口，可对外（其他应用程序）公开数据查询服务。

Service：是一个独立的进程，可一直在后台进行，可以与其他组件通过远程连接绑定进行交互，可对外（其他应用程序）提供服务交互接口，生命周期不依赖于其他组件的存在与否。

对任何一个Android应用程序来讲，Activity类都是其核心组成部分。许多时候，在应用程序中，我们会为每一个屏幕显示定义和实现一个Activity[16-17]。本系统设计的人机交互界面应用程序中包含的Activity，见图4。

图4 应用程序结构图

启动画面：这一Activity充当应用程序的主入口点，自检结束后，无故障，跳转至测量界面，有故障，按查询按钮查询故障信息；主界面：用户在该Activity中可以实现向应用程序中的其他Activity跳转，此处，用户需要做出选择，告诉应用程序他们下一步想做什么；样品测量：输入病人信息，准备样品开始测量，测量过程动画显示，测量结束后显示测量结果并通过热敏打印机输出，测量数据保存至数据库；质量控制：动画显示质控控制全过程，查询质控全部历史记录；仪器自检：包括检测样品池内部温度、光电开关、切光片、仪器光强、内部压力、样品池气密性等；参数设置：完成仪器系统参数的修改设置；状态信息：实时显示仪器的工作状态；数据查询：可以浏览测量数据历史记录，以Excel表格形式导出数据至外接U盘；用户管理：可以切换至调试模式；帮助信息：主要包括公司信息、软件版本号、帮助手册等。

产品实际效果，见图5。