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，廣東 深圳 518057；2.解放軍第三〇九醫(yī)院 護理部，北京 100091

引言

呼氣試驗測試儀主要用于臨床診斷幽門螺桿菌感染。幽門螺桿菌目前已被認定是慢性胃炎的主要致病因子，如果長期得不到治療會導(dǎo)致胃炎、十二指腸炎和胃潰瘍等癥狀，甚至有發(fā)展成胃癌的風險[1-4]。

現(xiàn)有的呼氣試驗測試儀體積龐大且采集到的數(shù)據(jù)無法直接處理，需要通過USB線與PC機連接后，才能正常操作使用。因此，我們設(shè)計開發(fā)了新型便攜式二通道呼氣試驗測試儀。它不僅能單機操作，也可以連接上位機完成所有控制任務(wù)。其圖形用戶界面的開發(fā)基于谷歌開源的Android操作系統(tǒng)。它是基于Linux內(nèi)核的開源平臺，包括豐富的庫函數(shù)及多種數(shù)據(jù)存儲模式，便于實現(xiàn)各種復(fù)雜的應(yīng)用功能，而且不存在任何阻礙創(chuàng)新的專有權(quán)障礙。

1 Android操作系統(tǒng)

Android系統(tǒng)從上至下分為4層：應(yīng)用程序、Android應(yīng)用程序框架、Android程序庫及Android運行時、Linux內(nèi)核[5]，見圖1。

圖1 Android系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 應(yīng)用程序?qū)?/h3>

該層提供一些核心應(yīng)用程序包。同時，開發(fā)者可以利用Java語言設(shè)計和編寫屬于自己的應(yīng)用程序，而這些程序與核心應(yīng)用程序彼此平等、友好共處。本設(shè)計的GUI界面就是使用Java語言在Eclipse集成開發(fā)環(huán)境中編寫、調(diào)試、編譯。

1.2 應(yīng)用程序框架層

應(yīng)用程序框架層包括活動管理器、窗口管理器、內(nèi)容提供者、視圖系統(tǒng)、包管理器、電話管理器、資源管理器、位置管理器、通知管理器和XMPP服務(wù)10個部分。在Android平臺上，開發(fā)人員可以訪問核心應(yīng)用程序所使用的API框架。

1.3 系統(tǒng)庫和Android運行時

系統(tǒng)庫包含9個子系統(tǒng)，分別是圖層管理、媒體庫、SQLite、OpenGLEState、FreeType、WebKit、SGL、SSL 和libc。Android運行時包括核心庫和Dalvik虛擬機，前者既兼容了大多數(shù)Java語言所需要調(diào)用的功能函數(shù)，又包括了Android的核心庫。后者是一種基于寄存器的Java虛擬機，Dalvik虛擬機主要是對生命周期的管理、堆棧的管理、線程的管理、安全和異常的管理以及垃圾回收等重要功能[6]。

1.4 Linux內(nèi)核

Android核心系統(tǒng)服務(wù)依賴于Linux 2.6內(nèi)核，如安全性、內(nèi)存管理、進程管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和驅(qū)動模型。Linux內(nèi)核也是作為硬件與軟件棧的抽象層。本設(shè)計重點完成基于觸摸驅(qū)動IC FT5406的驅(qū)動代碼。

2 硬件系統(tǒng)框架

硬件系統(tǒng)分為兩大部分，基于STM32的微控制器部分[7-10]和基于Samsung Exynos4412的四核微處理器部分[11]。第一部分主要完成運動部件控制、溫度傳感器數(shù)據(jù)采集、探測器信號采集[12]等；第二部分由核心板和底板兩部分組成，主要完成觸摸及液晶屏驅(qū)動、圖形用戶界面顯示、測試數(shù)據(jù)保存、歷史記錄查詢及數(shù)據(jù)存儲等。兩大部分通過串口進行通信。見圖2。

圖2 系統(tǒng)硬件框架

3 基于Android平臺圖形界面設(shè)計

3.1 觸摸驅(qū)動

本設(shè)計選用多點觸控電容液晶屏作為系統(tǒng)中人機交互的窗口。電容屏與電阻屏比較，電容式觸摸屏具有靈敏度高，容易實現(xiàn)多點觸控技術(shù)等優(yōu)點。我們選用的觸摸屏IC是FocalTech公司的FT5406，是一款I(lǐng)2C總線協(xié)議的電容屏多點觸控芯片。圖形界面中的控件需要底層支持才能得到正確響應(yīng)。所以在Linux內(nèi)核中的Input子系統(tǒng)下完成觸摸屏的驅(qū)動。Input子系統(tǒng)由3層組成，分別為設(shè)備驅(qū)動層、核心層和事件處理層。設(shè)備驅(qū)動層主要實現(xiàn)對硬件設(shè)備的讀寫訪問，中斷設(shè)置，并把硬件產(chǎn)生的事件轉(zhuǎn)換為核心層定義的規(guī)范提交給事件處理層。核心層為設(shè)備驅(qū)動層提供了規(guī)范和接口。設(shè)備驅(qū)動層關(guān)心如何驅(qū)動硬件并獲得硬件數(shù)據(jù)，然后調(diào)用核心層提供的接口，核心層自動把數(shù)據(jù)提交給事件處理層。事件處理層是用戶編程的接口（設(shè)備節(jié)點），并處理驅(qū)動層提交的數(shù)據(jù)。

觸摸屏驅(qū)動代碼整體流程，見圖3。

圖3 觸摸驅(qū)動流程圖

3.2 基于Android平臺的串口通信

串口通信是目前單片機和DSP等嵌入式系統(tǒng)之間，以及嵌入式系統(tǒng)與PC機或無線模塊之間的一種非常重要且普遍的通信方式，在數(shù)據(jù)量要求不是特別高的情況下，因其具有簡單、低廉、成熟和通用等優(yōu)點，得到了廣泛的應(yīng)用。

本設(shè)計微控制器端使用STM32提供的串口相關(guān)庫函數(shù)完成數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送。嵌入式微處理器端使用Google開源的Android-serialport-api項目。該項目包裝了串行接口的通訊。 首先在Java層定義一個接口，同時在C層用C代碼實現(xiàn)串口的功能并編譯成動態(tài)鏈接庫[13-14]。這樣Activity就可以通過Java層接口調(diào)用生成的動態(tài)鏈接庫，完成相應(yīng)的功能，如波特率設(shè)置，串口端口選擇，數(shù)據(jù)讀寫等。

微控制器和微處理器之間通過串口通信協(xié)議完成數(shù)據(jù)的傳輸、解析。通信協(xié)議是需要通信的雙方達成的一種約定，它對包括數(shù)據(jù)格式、同步方式、傳送速度、傳送步驟、檢糾錯方式以及控制字符定義等問題作出統(tǒng)一規(guī)定，在雙方的通信中必須共同遵守。本呼氣試驗測試儀項目根據(jù)5個方面來制定合適的串口通信協(xié)議：① 偏重實時控制還是偏重于實時信息；② 傳輸數(shù)據(jù)量的大小；③ 傳輸信息的組成；④ 對傳輸?shù)目煽啃砸蟪潭?；?設(shè)備所處環(huán)境的干擾程度。

具體內(nèi)容：傳輸波特率9600，一幀數(shù)據(jù)24個字節(jié)。包頭3個字節(jié)0x02、0xff、0x00，第4個字節(jié)為命令字，最后一個字節(jié)0x03是包尾。

3.3 GUI設(shè)計

底層驅(qū)動構(gòu)建完成后，需要實現(xiàn)人機交互界面。GUI屬于Android體系架構(gòu)的應(yīng)用層。由Java語言編寫。使用Eclipse集成開發(fā)環(huán)境完成代碼編寫及編譯生成APK文件。Android應(yīng)用程序的生存周期內(nèi)包括以下關(guān)鍵組件[15]：Activity：應(yīng)用程序的入口，界面顯示，接收事件（如按鍵），控制顯示跳轉(zhuǎn)。

BroadcastReceiver：用于注冊和接收系統(tǒng)廣播的事件，可接收自定義的廣播事件。

ContentProvider：提供數(shù)據(jù)庫查詢接口，可對外（其他應(yīng)用程序）公開數(shù)據(jù)查詢服務(wù)。

Service：是一個獨立的進程，可一直在后臺進行，可以與其他組件通過遠程連接綁定進行交互，可對外（其他應(yīng)用程序）提供服務(wù)交互接口，生命周期不依賴于其他組件的存在與否。

對任何一個Android應(yīng)用程序來講，Activity類都是其核心組成部分。許多時候，在應(yīng)用程序中，我們會為每一個屏幕顯示定義和實現(xiàn)一個Activity[16-17]。本系統(tǒng)設(shè)計的人機交互界面應(yīng)用程序中包含的Activity，見圖4。

圖4 應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)圖

啟動畫面：這一Activity充當應(yīng)用程序的主入口點，自檢結(jié)束后，無故障，跳轉(zhuǎn)至測量界面，有故障，按查詢按鈕查詢故障信息；主界面：用戶在該Activity中可以實現(xiàn)向應(yīng)用程序中的其他Activity跳轉(zhuǎn)，此處，用戶需要做出選擇，告訴應(yīng)用程序他們下一步想做什么；樣品測量：輸入病人信息，準備樣品開始測量，測量過程動畫顯示，測量結(jié)束后顯示測量結(jié)果并通過熱敏打印機輸出，測量數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫；質(zhì)量控制：動畫顯示質(zhì)控控制全過程，查詢質(zhì)控全部歷史記錄；儀器自檢：包括檢測樣品池內(nèi)部溫度、光電開關(guān)、切光片、儀器光強、內(nèi)部壓力、樣品池氣密性等；參數(shù)設(shè)置：完成儀器系統(tǒng)參數(shù)的修改設(shè)置；狀態(tài)信息：實時顯示儀器的工作狀態(tài)；數(shù)據(jù)查詢：可以瀏覽測量數(shù)據(jù)歷史記錄，以Excel表格形式導(dǎo)出數(shù)據(jù)至外接U盤；用戶管理：可以切換至調(diào)試模式；幫助信息：主要包括公司信息、軟件版本號、幫助手冊等。

產(chǎn)品實際效果，見圖5。

圖5 產(chǎn)品實物

4 結(jié)論

本文研究并開發(fā)了一款用于檢測胃內(nèi)幽門螺桿菌的便攜式呼氣試驗測試儀。該系統(tǒng)摒棄傳統(tǒng)的按鍵和單色點陣屏，選用24位帶電容觸摸屏的真彩色液晶顯示屏，基于Android平臺設(shè)計人機交互界面。結(jié)果表明觸摸響應(yīng)靈敏，界面友好易用，提升了用戶滿意度，功能更強大。

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