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基于 RFID 和 ARM 架构的医疗器械智能控制系统

0 引 言

自从1895 年德国物理学家伦琴(W.K.Reontgen)在维尔茨堡大年夜学物理钻研所发明 X 射线创始人体影响诊断的先河以来,今世医学仪器在长达一个多世纪的成长中恒久弥新,越来越多的新技巧利用于此中。尤其是科学技巧越来越蓬勃的本日,包括谋略机技巧、收集技巧、微电子技巧、材料技巧、生物技巧所取得的伟大年夜成绩,无不为满意社会、家庭和小我对医疗仪器更广泛、更多样化的需求供给了技巧根基。未来的医疗东西一定走向微型化、智能化、个性化和收集化,全新观点的今世医疗仪器,必将在 21实际实现“无缝”融入到社区情况和小我家庭之中,从而更好地为每小我的康健办事。

今世医疗仪器要走向智能化、个性化和收集化,身份识别是第一步,也是最关键的一步,而射频识别(Radio Frequency IDentification,RFID)技巧,作为新兴技的物联网关键技巧,可经由过程无线电讯号识别特定目标并读写相关数据,而无需识别系统与特定目标之间建立机器光学打仗。基于此,设计了一种基于 RFID 和 ARM 实现用户信息采集和医疗东西操控的医疗东西智能节制系统。该系统今朝主要利用于微波理疗仪、超声理疗仪等治疗型医疗仪器中,稍作改进也可利用于心理类、化学阐发类等检测阐发型医疗仪器中。

1 系统总体设计

系统采纳 ARM 为主节制芯片,完成对射频识别芯片的节制、信息采集、数据传输以及对医疗东西的节制功能,采纳MFRC522 实现对 IC 卡的读写功能,在 PC 机上运行用 VC 6.0开拓的上位机软件实现对智能节制系统的节制和造访。

系统总体设计框图如图1所示。智能节制系统可在设定参数下自行读取用户信息落后行响应治疗作和记录,也可经由过程USB 口接入 PC 机后联网远程节制治疗仪器。IC 卡和治疗仪参数的设置与数据采集可经由过程用电脑软件来进行读写、治理。

图1 系统总体框图

系统采纳模块化设计,分为非打仗式 IC 卡、智能节制系统、治疗仪和安装了上位机软件的 PC 机。替换不合的上位机软件和治疗仪(或阐发仪)就可以实现不合的医疗仪器的节制,本设计可以实现 50 万张 IC 卡的读写和信息存储

2 系统硬件设计

系统硬件电路分为以 ARM 芯片为核心的节制子系统,以射频识别芯片为核心的 IC 卡读写模块,以 MSP430F149 芯片为核心的治疗仪节制模块以及治疗仪四大年夜部分。

ARM 芯片采纳 STM32F107VCT6 芯片,该芯片是意法半导体推出的全新 STM32互连型(ConnecTIvity)系列微节制器中的一款机能较强的产品,采纳 ARM 32 位 Cortex-M3 核心,此芯片集成了各类高机能工业标准接口,同时拥有全速 USB(OTG)接口,两路 CAN 2.0B 接口,以及以太网10/100 MAC模块。治疗仪节制模块采纳 MSP430F149 为主控芯片,该芯片是TI 公司推出的经典 MSP430 系列微节制器中的一款机能对照强的产品,16 位精简指令集 MCU,敕令周期125 ns,此芯片集成了各类高机能工业标准接口,同时拥有 12 位 ADC,2 个 16 位计数器,片内对照器等内部资本,支持序列号、熔丝位烧写等加密功能,可以防止产品被逆向工程。采纳这两款芯片可以前进系统集成度、稳定性,低落PCB 板面积和系统功耗,同时方便将来对系统进行进级。

2.1 非打仗 IC 卡

非打仗式 IC 卡又称射频卡,由 IC 芯片、感应天线组成,封装在一个标准的 PVC 卡片内,芯片及天线无任何外露部分。该技巧是天下上近来几年景长起来的一项新技巧,它成功地将射频识别技巧和 IC 卡技巧结合起来,停止了无源(卡中无电源)和免打仗这一难题,是电子器件领域的一大年夜冲破。卡片在必然间隔范围(平日为 5 ~10 mm)接近读写器外面,经由过程无线电波的通报来完成数据的读写操作。非打仗式 IC 卡是一种新型的智能卡,功能与打仗 ID 卡、IC 卡一样,只是它无需电源,由接管天线从读卡器磁场感应取电,并事情运算数据,反馈到读卡器。

非打仗型 IC 卡本身是无源体,当读写器对卡进行读写操作时,读写器发出的旌旗灯号由两部分叠加组成:一部分是电源旌旗灯号,该旌旗灯号由卡接管后,与其本身的 L/C 回路孕育发生谐振,孕育发生一个瞬间能量来提供芯片事情。另一部分则是数据旌旗灯号,经由过程接管芯片完成数据、改动、存储等,并返回给读写器。由非打仗式 IC 卡所形成的读写系统,无论是硬件布局,照样操作历程都获得了很大年夜的简化,同时借助于先辈的治理软件、可脱机的操作要领,可使数据读写历程更为简单。

2.2 节制子系统设计

如图 2 所示,节制子系统采纳 STM32F107VCT6 为主控芯片,其硬件电路的外围电路包括复位电路、JTAG 调试接口、状态唆使电路、UART 接口、USB 转串口模块等组成。

图2 系统硬件框图

复位电路、JTAG 调试接口是ARM 最小系统弗成缺少的部分。状态唆使电路由 LED蜂鸣器和 TFT 触摸液晶屏组成,可以唆使系统的事情状态,显示当前用户信息、破费环境、治疗规划和光阴等信息,同时可以经由过程液晶屏的触摸功能实现系统参数的手动设置。UART 接口可以方便地实现现场调试和多机通信,因为现有主流 PC 机多已不再配备 RS 232 接口,是以设计 USB 转串口模块可方便实现节制系统和上位机通信。

2.3 IC 卡读写模块设计

IC 卡读写模块采纳 Philips MFRC522 原装芯片设计读卡电路,应用方便,资源低廉,适用于设备开拓、读卡器开拓等高档利用的用户、必要进行射频卡终端设计 / 临盆的用户。本模块也可直接装入各类读卡器模具。模块采纳电压为3.3 V,经由过程 SPI 接口简单的几条线就可以直接与用户任何 CPU 主板相连接通信,可以包管模块稳定靠得住的事情、读卡间隔远。

MFRC522 是利用于 13.56 MHz 非打仗式通信中高集成度的读写卡芯片,是 NXP 公司针对“三表”利用推出的一款低电压、低资源、体积小的非打仗式读写卡芯片,是智能仪表和便携式手持设备研发的较好选择。MFRC522 使用了先辈的调制和解调观点,完全集成了在 13.56 MHz下所有类型的被动非打仗式通信要领和协议,支持14443A 兼容应答器旌旗灯号、数字部分处置惩罚 ISO14443A 帧和差错检测。此外,还支持快速 CRYPTO1加密算法,用语验证 MIFARE 系列产品。MFRC522 支持 MIFARE 系列更高速的非打仗式通信,双向数据传输速度高达 424 Kb/s。作为13.56 MHz 高集成度读写卡系列芯片家族的新成员,MFRC522 与主机间通信采纳 SPI模式,有利于削减连线,缩小 PCB 板体积,低落资源。

2.4 治疗仪节制模块设计

治疗仪节制模块由 MSP430F149 单片机作为主控芯片,外围电路包括设置设置设备摆设摆设电路、时钟电路和节制电路,节制电路详细实现的要领由响应治疗仪的节制要领抉择,治疗仪节制模块可以节制医疗仪器做出对应以达到治疗的目的。采纳MSP430F149 设计专门的治疗仪节制模块可以便于实现系统设计和扩展,在替换治疗仪器时只要替换响应的节制模块即可,简化软硬件设计。

3 系统软件设计

系统软件设计包括嵌入式法度榜样和上位机软件两部分部分。嵌入式软件的系统架构如图 3 所示,包括系统初始化法度榜样模块、MSP430 系统节制主法度榜样、IC 卡读写法度榜样模块、治疗仪节制法度榜样模块、上位机串口通讯法度榜样模块、液晶节制法度榜样模块、状态唆使法度榜样模块等七个部分。

图3 智瑞医疗东西工控装配嵌入式软件系统框图

在系统上电后,ARM 芯片收到上位机软件经由过程 UART接口发出的节制旌旗灯号和设置参数,对 IC 读写模块和治疗仪节制模块发出节制旌旗灯号,对 IC 读写模块进行参数,并启动治疗仪实现响应的参数初始化。在没有收到上位机节制敕令时,系统同样可以调用存储的参数进行系统初始化,或者经由过程对触摸屏进行手动操作设置系统参数。

在系统正常事情历程中,假如读取到用户 IC 卡,核对用户信息和破费信息,经由过程后即可进行响应的治疗,完成治疗后会根据治疗环境和用户反馈对治疗的效果进行响应的存储,以方便医生调阅,拟订进一步的治疗规划。

3.1 ARM 法度榜样设计

ARM法度榜样设计采纳开拓情况IAR EWARM(IAR Embedded Workbench for ARM), 法度榜样编写应用C说话。ARM法度榜样流程如图 4 所示,主法度榜样以对各个模块法度榜样的调用实现功能,首先对系统的各个模块进行初始化,然后调用串口通讯模块法度榜样读取上位机的操作指令和数据,然后根据响应的指令进行响应的操作,其后调用 IC 卡读写模块法度榜样检测系统的读卡环境,假如有 IC 卡放入,则读取 IC 卡信息,但账户中仍有余额,则开启仪器进行响应操作,假如没有余额则显示余额不够。

图4 ARM 法度榜样流程图

3.2 IC 卡读写法度榜样设计

IC 卡读写模块法度榜样模块包孕对 IC 卡读写芯片进行复位和初始化,然后主控芯片读卡并进行防冲突处置惩罚,选择卡之落后行认证,认证为系统内部所发 IC 卡之落后行响应敕令的操作:包孕读卡、写卡、加值、减值、停息等功能,最落后行是否改变分区的判断,若改变分区则从新进行认证,不改变分区则从新进行敕令判断。

3.3 串口通讯模块法度榜样设计

串口通信法度榜样采纳中断要领触发串口通信。当单片机串口接管到数据时,进入中断办事法度榜样进口,然后根据寄存器判断是接管数据照样发送数据。假如是接管数据,则读取接管缓冲区数据,读取完成开释接管缓冲器,中断办事法度榜样停止 ;假如是发送数据,则将数据写入发送缓冲区,并置位发送哀求位,同时判断是否发送完成,若发送完成则中断办事法度榜样停止,若未发送完成则继承发送,直到发送完成。

3.4 液晶节制法度榜样设计

液晶节制模块法度榜样事情流程为首先对液晶进行初始化并清屏,然后置显示行初值,将显示指针指向第一行,同时将待显示数据送入缓冲区,这时预设数据会显示在指定区域中,调剂指针,将指针指向 LCD 的下一行,判断显示是否停止,停止则跳出该函数,未停止则返回值显示预设数据上一步,继承显示下一指针对应的数据。在显示历程中,主法度榜样会轮回调用触摸函数,判断用户是否有操作,有操作则根据用户操作进行响应的参数设置和事情状态调剂。

3.5 治疗仪节制法度榜样设计

治疗仪节制模块法度榜样事情历程为:首先对 MSP430F149的内部资本和 IO 口进行初始化并对医疗东西的事情状态进行初始化,然后检测系统的读卡环境,假如有 IC 卡放入,则读取 IC 卡信息,但账户中仍有余额,则开启医疗东西的事情,根据用户的设置或者调用设定好的治疗规划开始治疗,假如没有余额则显示余额不够。

4 上位机软件设计

上位机软件主要由动态链接库和用户操作界面法度榜样两部分构成。动态链接库应用 VC++ 编程实现,认真与串口驱动法度榜样进行通信,相应利用法度榜样的各类要求 ;用户操作界面法度榜样应用 MFC 编程实现,可实现初始化设备、设置仪器参数、节制设备运行等功能。上位机设计为绿色免安装版本,既可以低落对电脑设置设置设备摆设摆设的要求,也可以减小用户的操作难度。上位机软件可以实现各类功能设定卡的制作、破费卡的收费治理、汇总采集用户数据和治疗信息并进行阐发处置惩罚、以及各类报表输出功能。上位机软件开拓设计的原则便是好用、易用、合理、简洁。既能减少用户操作难度和光阴耗损,又能削减开拓商的培训、掩护光阴。

5 结 语

本文设计了一种基于 RFID 和 ARM 架构的医疗东西智能节制系统。采纳 STM32F107 节制 MFRC522 射频芯片与射频卡进行通信,使用 USB 转换芯片实现片机与 PC 机之间的串口通信。系统可经由过程射频识别卡识别患者身份信息和破费信息,实现对用户信息和破费信息的调取和存储,对响应患者调取对应的治疗规划,在治疗完成后收取必然的用度,并可根据患者的反馈记录治疗效果。系统采纳模块化设计,改动治疗仪节制模块即可实现多种医疗仪器的智能节制系统 ;经由过程多个系统同时联网,并对上位机软件进行改动,可以实现多路治疗仪的操作和节制。

责任编辑:ct

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