基于尿液分析儀的串口到以太網口的轉換裝置設計

王艷潔，胡秉誼

（北京交通大學 北京 100044）

基于尿液分析儀的串口到以太網口的轉換裝置設計

王艷潔，胡秉誼

（北京交通大學 北京 100044）

為了實現實驗室信息管理系統中檢驗設備類型眾多、接口形式多樣、軟件開發難度大，更換設備不得不更換整套配套軟件的難題，以RS232接口的MEJER-600尿液分析儀為例，設計了一種基于尿液分析儀的串口到遵循互聯網協議的以太網口的轉換裝置，結合串口特點和TCP/IP協議，通過相關軟硬件設計和LIMS服務器簡易實驗測試平臺，完成該尿液分析儀在LIMS中歸一化接入，實現基于IP節點的數據格式和交換協議的轉換，小巧便攜，經濟實用。

LIMS；尿液分析儀；RS232串口；嵌入式系統；TCP/IP協議

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

在臨床檢驗信息系統中，檢驗科每天面臨巨大的檢驗工作量，臨床檢驗設備的使用率很高。實驗室信息管理系統 （Laboratory Information Management System，LIMS），檢驗設備需要和醫生工作站、管理機構、大型數據庫、報警裝置等多部門建立數據交換通道，以實現檢驗數據獲取和事件報告。醫院使用的檢驗設備通常來自于不同的設備開發商，沒有統一的設備數據格式可以遵循，信息的標準以及設備的接口大多采用自己的規范，所依托的操作系統、數據結構以及硬件環境等不盡相同[1-3]。目前醫院信息網絡多采用互聯網協議IP（Internet Protocol）建立互聯機制，但現有臨床檢驗設備接口類型為串口、以太網接口，只支持特定的點對點的通訊，而不支持互聯網協議。目前市場上尿液分析儀主要采用RS232接口進行通訊，不適合建立現代化的遠程醫療健康監護網絡。不同系統間的信息交換變得非常困難，無疑會帶來醫療事務信息共享中的信息孤島問題[4-5]。

現有尿液分析儀的接入普遍采用一臺專用的計算機與醫院網絡建立連接，采用自主的協議向網絡數據服務器發送信息[6]。當存在信息交換的需求時，LIS系統廠商往往耗費大量的時間和精力做接口的轉換，當這種數據轉換需求存在多個系統之間時，完成這樣的數據轉換是非常復雜的工程[7]。為保證設備監測工作的持續進行，所配備的計算機需要二十四小時不間斷運行。現有的計算機多為商用機，占用空間大，魯棒性差。

為解決上述信息共享困難的問題，本文將基于高性能嵌入式芯片TMS320F2812以及TCP/IP以太網控制器W5500，以深圳美僑公司MEJER-600尿液分析儀的尿十一項檢測為例，通過本設計對其進行整體平臺定制，包括轉換裝置硬件設計、尿十一項檢驗項目報告單歸一化，底層驅動程序的開發和系統應用層軟件設計，搭建LIMS服務器簡易實驗測試平臺，采用多線程技術實現尿液分析儀串口到互聯網接口的轉換。

1 接口轉換裝置系統總體方案

在實驗室信息系統中，MEJER-600通過RS232串口形式接入一臺PC，通過PC建立起和LIMS系統局域網中各個部門的通訊。本工作通過引入接口轉換裝置，將其取代傳統PC機，通過其以太網協議的轉換，將MEJER-600的接入看作局域網中一個IP節點，使其由傳統的單向接入模式向智能化自發通信模式轉換。圖1為MEJER-600尿液分析儀與接口轉換裝置連接以后再接入LIMS系統的框圖，通過本接口轉換裝置，尿液分析儀將不再是單純依托PC機才能建立起和上位機的通訊，精簡設計的同時，節約了成本。

圖1 轉換裝置接入臨床實驗室的系統框圖

2 接口轉換裝置硬件設計

2.1 硬件設計模塊劃分

轉換裝置的硬件用于與尿液分析儀設備建立底層數據鏈路，其設計基于TI公司C2000系統的高性能嵌入式集成芯片TMS320F2812[8]的基礎上，核心模塊包括主控制器模塊、串口接入模塊、以太網口輸出模塊、供電模塊和輔助功能模塊等[9]。硬件模塊系統結構框圖如2所示。

圖2 硬件模塊系統框圖

系統主控芯片DSP是整個臨床檢驗設備接口轉換裝置的控制核心，用于管理各個功能模塊；TCP/IP協議用于完成統一尿液檢驗數據格式的協議轉換，由網絡控制芯片和網絡變壓器、網絡接口構成，使用硬件邏輯門電路實現TCP/IP協議棧的傳輸層及網絡層，并集成數據鏈路層、物理層，使得上位機主控芯片只需要承擔TCP/IP應用層控制信息的處理任務，大大節省上位機對于數據復制、協議處理和中斷處理等方面的工作量；以太網接口輸出由網絡接口RJ45和網絡變壓器構成，用于將轉換后的臨床檢驗數據接入到LIMS系中，實現檢驗數據的共享和上傳[10]。

2.2 硬件設計模塊化框圖

2.2.1 RS232串口到主控制器的獲取模塊

尿液分析儀數據首先接入轉換裝置的DB9插頭作為數據輸入，通過MAX3232芯片，采用SCI傳輸方式由CPU讀取到串口數據，圖3示出了串口接入模塊到系統主控模塊的設計。

2.2.2 主控制器到TCP/IP協議轉換模塊

TCP/IP協議棧采用以太網控制器W5500，W5500集成了TCP/IP協議棧，10/100 M以太網數據鏈路層（MAC）及物理層（PHY），使得用戶使用單芯片就能夠在他們的應用中拓展網絡連接，利用串行外設接口（SPI）總線硬件連接方式，很容易完成與主控制器的整合[11]。圖4示出了TMS320F2812和W5500通過SPI接口連接的方案，僅需要 MISO、MOSI、SCLK、SCSn四路信號完成SPI從機工作。

2.2.3 供電模塊

考慮到醫院檢驗科實驗室內部設備繁多，走線復雜，本轉換裝置的供電模塊采用POE（Power Over Ethernet）供電形式，利用雙絞線接口來實現受電設備（PD）接口設計，結合DC/DC變換器，完成PD端的取電過程。在不改變醫院原來網絡構架下，一根網線實現設備信號傳輸和設備供電的雙重功能，保證了本轉換裝置的安全性和可靠性[12]。

圖3 RS232串口到主控制器的模塊框圖

圖4 主控制器和以太網協議模塊框圖

3 軟件設計

串口轉以太網，并不是簡單物理層和數據鏈路層的轉化。由于串口協議本身不具有網絡層和傳輸層，串口轉以太網，實際是將串口的數據作為TCP/IP的應用層數據，用TCP/IP封裝傳輸的方式。TCP/IP的應用層數據是TCP/IP所要傳送的真正有效的數據。接口轉換裝置的軟件部分主要包括兩部分：DSP硬件的內置程序和與DSP通訊的PC端測試程序。

3.1 DSP硬件的內置程序

DSP硬件的內置程序主要使用SCI通訊接收尿液分析儀傳輸過來的檢驗數據，并進行存儲、讀取，再利用SPI模式完成與W5500的協議通訊和格式轉換等。軟件啟動后首先完成DSP內置參數的各項初始化工作，其軟件工作流程件為圖5所示。

圖5 DSP系統工作流程圖

3.1.1 MEJER-600尿液分析儀報文解析

MEJER-600尿液分析儀，其串口波特率為2 400，數據位為7，停止位為1，校驗位為奇。尿液分析儀工作時，按照尿液檢測十一項的先后順序依次在相應的檔位上檢測，串口輸出的數據格式按照項目的英文縮寫、參考值、檢驗結果、單位的順序，以“ ”為幀結束標志，待十一項檢驗數據全部完成，報文數據將向上位機或者LIMS服務器端傳輸。

3.1.2 以太網協議棧W5500通訊協議設置

W5500提供了底層socket API函數，開發人員在編程過程中，僅需要配置和操作所使用的端口的相關寄存器即可。W5500通過高性能的SPI外設接口，包括地址段（16 bit偏移地址）、控制斷和數據段。對芯片進行協議SPI數據幀的規定和必須的參數初始化配置，按照起始字節、標志字節、指令類型、數據長度、數據等依次完成SPI數據幀定義，根據指令類型實現了尿液檢測參數的數據格式和通訊協議的定義[13]。

3.1.3 規范化報告單的整理

報告單的歸一化整理也是本工作的重點內容。如通訊協議中，項目英文簡稱的顯示，將根據調用報告單數據庫鏈表[14]，由英文簡稱提取對應的項目中文名稱并連同項目英文簡稱一起顯示。讀取到“WBC”，即在數據庫鏈表中調用顯示“白細胞”；再如參考值將按原報告單中“+—”進行“陽性陰性”的調用顯示……以此依次進行，尿十一項檢驗參數轉換流程如圖6所示。

3.2 PC端測試程序

PC端的測試程序主要用于模擬LIMS服務器簡易實驗測試平臺，使用Microsoft visual studio 2010平臺[15]主要完成了MEJER-600通過轉換裝置，將尿十一項檢驗數據接入到LIMS測試平臺的工作。針對檢驗設備尿液分析儀，測試平臺中還考慮了其他一些儀器廠家的接口預留，為后期實現各個廠家、任意接口類型的尿液分析儀都能接入測試平臺，提供了方便。

4 實驗結果分析

圖7展示了本轉換裝置的實物圖；圖8為將MEJER-600接入到LIMS服務器簡易實驗測試平臺的效果圖。在測試平臺的檢驗項目欄下可選擇尿液分析儀欄，在不同廠家的尿液分析儀的錄入中可選擇美僑公司MEJER-600接入LIMS，此時可清楚查看MEJER-600經過TCP/IP協議轉換以后，接入到LIMS模擬平臺的各項檢驗數據，實現了轉換后的規范化報告單的顯示。

圖7 轉換裝置實物圖

圖8 接入LIMS服務器簡易實驗測試平臺展示

5 結 論

本文針對MEJER-600尿液分析儀，提出了一種由串口向互聯網協議接口轉換的解決方案，通過串口到以太網口的轉換，檢驗報告單的規范化，配合上位機系統應用，使得尿液分析儀的數據信息可在LIMS中無阻礙的交換和共享，方便行業內部以及行業間的資源的交流。該項工作的開展可解決尿液分析儀廠家和軟件公司之間異構通訊的問題，從而為實現全面的基于互聯網節點的臨床檢驗設備轉換裝置，提供了一種可行性嘗試。

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Design of conversion device of serial port to Ethernet interface based on urine analyzer

WANG Yan-jie，HU Bing-yi
（Beijing Jiaotong University，Beijing100044，China）

TN02

A

1674－6236（2017）19-0001-05

2016-08-23稿件編號201608170

西安市科技計劃項目（SF1516（4）)

王艷潔（1991—），女，河南周口人，碩士研究生。研究方向：嵌入式醫療儀器。