基于ARM的醫(yī)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的人機(jī)接口設(shè)計(jì)

0 引言

醫(yī)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?yàn)獒t(yī)務(wù)人員及時(shí)有效的提供患者的第一手?jǐn)?shù)據(jù)，有助于加強(qiáng)醫(yī)院的現(xiàn)代化信息管理和提高工作效率。而在家庭保健方面，它能夠滿足人們?cè)诳旃?jié)奏的工作生活中及時(shí)準(zhǔn)確的獲知自身及家人的健康狀況。在設(shè)備的日常使用中，良好的人機(jī)接口設(shè)計(jì)，也將為設(shè)備使用人員節(jié)約大量的時(shí)間并提供極大的便捷。本文主要以LM3S3748為核心，并采用TFT液晶作為系統(tǒng)的顯示設(shè)備，而用觸摸屏和手柄控制器作為系統(tǒng)的控制設(shè)備，介紹了其人機(jī)接口的設(shè)計(jì)方法。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)人機(jī)接口主要包括TFT液晶、觸摸屏和手柄控制器，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中TFT液晶亮度好，對(duì)比度高，層次感強(qiáng)，顏色鮮艷，因此，在不考慮耗電的情況下，TFT液晶是一個(gè)很好的選擇。觸摸屏采用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS7843對(duì)觸摸屏的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，再對(duì)其采樣的輸出值經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)程序，即可以得到其觸摸屏的物理坐標(biāo)。手柄控制器采用Modbus協(xié)議，并通過(guò)串口對(duì)核心板進(jìn)行控制。



1.1  控制單元

本系統(tǒng)的控制單元可采用TI公司的LM3S3748，支持主頻為50 MHz的ARM Codex-M3內(nèi)核和128 KByte FIASH、64 KByte SRAM。同時(shí)集成有USB HOST／DEVICE／OTG、睡眠模塊、正交編碼器、ADC、帶死區(qū)刪、溫度傳感器、模擬比較器、UART、SSI、通用定時(shí)器，I2C、CCP、DMA控制器等外設(shè)。此外，芯片內(nèi)部還固化有驅(qū)動(dòng)庫(kù)，能較好的滿足系統(tǒng)需求。

1.2  液晶接口電路

液晶可選用3.2寸TFT(240×320)26萬(wàn)色彩屏觸摸模塊，該模塊支持SD卡和DATAFLASH，同時(shí)支持16位／8位模式。該模塊可以實(shí)現(xiàn)顯示畫(huà)面的180度任意旋轉(zhuǎn)使用，并帶觸摸屏及觸摸控制芯片。模塊默認(rèn)i8080 16位并行接口，并可選8位并行接口方式。其液晶接口電路如圖2所示。



1.3  觸摸屏控制電路

觸摸屏控制芯片采用的ADS7843是TI公司生產(chǎn)的4線電阻觸摸屏轉(zhuǎn)換接口芯片。它是一款具有同步串行接口的12位取樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ADS7843具有兩個(gè)輔助輸入(IN3、IN4)，可設(shè)置為8位或12位模式。

ADS7843可以通過(guò)連接觸摸屏X+將觸摸信號(hào)輸入到A／D轉(zhuǎn)換器，同時(shí)打開(kāi)Y+和Y-驅(qū)動(dòng)，然后再數(shù)字化X+的電壓，從而得到當(dāng)前Y位置的測(cè)量結(jié)果，同理，也可以得到X坐標(biāo)的邏輯坐標(biāo)。當(dāng)?shù)玫絏、Y的邏輯坐標(biāo)后，通過(guò)SPI接口將數(shù)據(jù)傳送給LM3S3748進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。其ADS7843的外部電路如圖3所示。



1.4 RS232串口通信電路

RS232串口主要用于手柄控制器與核心板的通信，這類似于人機(jī)接口中的鍵盤(pán)接口。它們之間通過(guò)Modbus協(xié)議進(jìn)行通信。其RS232串口通信電路如圖4所示。



2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 觸摸屏軟件設(shè)計(jì)

ADS7843具有兩種工作模式，分別為單端基準(zhǔn)模式和差分基準(zhǔn)模式。同時(shí)還可以對(duì)其進(jìn)行12位或8位轉(zhuǎn)換模式的選擇。本設(shè)計(jì)采用差分基準(zhǔn)模式和12位轉(zhuǎn)換模式，即：

WriteCharTo7843(0xD0)；∥送控制字10010000，
即用差分方式+12位轉(zhuǎn)換模式，讀X坐標(biāo)；
……
WriteCharTo7843(0x90)；∥送控制字11010000，
即用差分方式+12位轉(zhuǎn)換模式，讀Y坐標(biāo)；


CPU采用中斷方式對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行讀取。當(dāng)未對(duì)屏幕進(jìn)行觸摸時(shí)，ADS7843的引腳PENIRQ為高電平輸出，當(dāng)對(duì)屏幕有觸摸動(dòng)作時(shí)，引腳PENIRQ變?yōu)榈碗娖捷敵觯慨?dāng)CPU檢測(cè)到這個(gè)引腳的下降沿時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入中斷讀取坐標(biāo)。其坐標(biāo)值讀取的流程如圖5所示。當(dāng)CPU在每一次獲取邏輯坐標(biāo)的過(guò)程中，實(shí)際上分別對(duì)X、Y坐標(biāo)進(jìn)行了11次讀取，然后將讀取到的邏輯坐標(biāo)值分別存入兩個(gè)數(shù)組，并且對(duì)這兩個(gè)數(shù)組中的值進(jìn)行冒泡排序，使其從小到大依次排列后，再去掉最大和最小的兩個(gè)數(shù)值，并將中間值作為基準(zhǔn)，余下數(shù)值與基準(zhǔn)值進(jìn)行求差的絕對(duì)值運(yùn)算。設(shè)計(jì)中可設(shè)定一個(gè)閥值(此閥值可根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)置為5)，如果絕對(duì)值大于閥值，則拋棄此值，最后將剩余數(shù)值求和平均，并將其作為最終邏輯坐標(biāo)值。這就是流程圖中“數(shù)據(jù)處理”所完成的功能。



系統(tǒng)中的主程序流程圖如圖6所示。其中觸摸屏校準(zhǔn)處理采用了一種較為通用的校準(zhǔn)算法。由于電阻式觸摸屏有一個(gè)共性，那就是電壓成線性均勻分布，所以，只要求出邏輯坐標(biāo)與物理坐標(biāo)的比例系數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)邏輯坐標(biāo)與物理坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。首先可確定5個(gè)物理坐標(biāo)點(diǎn)。并依次在屏幕上用“+”顯示，同時(shí)將其坐標(biāo)值用數(shù)組Set_x[4]保存起來(lái)(以X坐標(biāo)為例)。校準(zhǔn)過(guò)程中讀出的邏輯坐標(biāo)值則用數(shù)組Read_X[3]存儲(chǔ)。最后求出邏輯坐標(biāo)與物理坐標(biāo)的比例系數(shù)：

K1=(Read_x[1]-Read_x[0])／Set_X[1]-Set_x[0])；

K2=(Read_X[3]-Read_X[2])／Set_X[3]-Set_x[2])；

KX=(K1+K2)／2； ∥對(duì)兩次運(yùn)算的值求平均得到最終的X比例系數(shù)



求得比例系數(shù)后，再以設(shè)置的第5點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)(Set_X[4])，這樣就可求出任意觸摸點(diǎn)的物理坐標(biāo)：

X=(ReadX-Read_X[5])／KX+Set_X[4]；

同理，也可求出Y軸的物理坐標(biāo)。

2.2 Modbus通信協(xié)議

本系統(tǒng)采用Modbus作為手柄控制器與核心板之間的通信協(xié)議。Modbus通信使用主-從技術(shù)，即僅一設(shè)備(主設(shè)備)能初始化傳輸(查詢)，其它設(shè)備(從設(shè)備)根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)反應(yīng)，主機(jī)查詢和從機(jī)回復(fù)的消息結(jié)構(gòu)如圖7所示。主設(shè)備可單獨(dú)和從設(shè)備通信，也可以廣播方式和所有從設(shè)備進(jìn)行通信。如果單獨(dú)通信，則從設(shè)備返回一消息作為回應(yīng)；而如果是以廣播方式查詢。則不作任何回應(yīng)。Modbus協(xié)議建立了主設(shè)備查詢格式，包括設(shè)備(或廣播)地址、功能代碼、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤檢測(cè)域。從設(shè)備回應(yīng)消息也由Modbus協(xié)議構(gòu)成，包括確認(rèn)要行動(dòng)的域、任何要返回的數(shù)據(jù)、和錯(cuò)誤檢測(cè)域。如果在消息接收過(guò)程中發(fā)生錯(cuò)誤，或從設(shè)備不能執(zhí)行其命令，那么，從設(shè)備將建立一個(gè)錯(cuò)誤消息并把它作為回應(yīng)發(fā)送出去。



Modbus協(xié)議有ASCII和RTU兩種傳輸模式，但在同一個(gè)Modbus網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)。本設(shè)計(jì)采用RTU模式，即在消息中的每8 Bit字節(jié)都包含兩個(gè)4 Bit的十六進(jìn)制字符，因而在同樣的波特率下，可比ASCII方式傳送更多的數(shù)據(jù)。RTU模式的消息結(jié)構(gòu)如圖8所示。當(dāng)手柄控制器檢測(cè)到有按鍵被按下時(shí)，就將被按下鍵的鍵碼按RTU消息幀的結(jié)構(gòu)并通過(guò)串口發(fā)送給核心板。核心板接收到手柄控制器發(fā)送的信息后，首先進(jìn)行CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)正確后，核心板將根據(jù)鍵碼進(jìn)行相應(yīng)操作，并且回應(yīng)手柄控制器，若CRC校驗(yàn)出錯(cuò)，則核心板回應(yīng)手柄控制器錯(cuò)誤信息，從而完成一次通信后，系統(tǒng)便等待下一次通信。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的人機(jī)接口通過(guò)實(shí)際使用證明其通訊穩(wěn)定可靠，操作簡(jiǎn)單方便，完全可以滿足醫(yī)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。并且該設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的移植性，可以根據(jù)使用系統(tǒng)的復(fù)雜性進(jìn)行完善。因而具有相當(dāng)廣泛的使用范圍。