改變高復雜度、簡化健康和安全的解決方案設(shè)計

介紹

本文重點介紹利用微軟® .NET微架構(gòu)來設(shè)計家用醫(yī)療器械，并介紹如何按照客戶需求設(shè)計終端產(chǎn)品的觀感。這可以通過設(shè)計吸引人的圖形接口，集成各種通信接口（串口、I2C、SPI、以太網(wǎng)、USB、WiFi等）以及利用i.MX微處理器的優(yōu)異性能來實現(xiàn)。其結(jié)果可能是一個高端的監(jiān)測解決方案，例如血糖計，或其他一些滿足特定客戶需求的健康及安全設(shè)備。這些應用在價格、功能、易用性、外觀及感受上有著顯著區(qū)別。

在慢性疾病例如糖尿病影響年輕人的同時，醫(yī)生也在讓患者協(xié)作進行數(shù)據(jù)采集（疾病監(jiān)測）以更好控制疾病方面面臨更大挑戰(zhàn)。例如，青少年糖尿病患者往往會關(guān)閉用以監(jiān)測血糖的葡萄糖監(jiān)測系統(tǒng)的警報器，這可能導致長時間的血糖控制被中斷（見表1）。然而，集成多媒體功能的監(jiān)測系統(tǒng)可能會讓患者易于接受且更好地使用該儀器，包括對警報的回應。

表1：來自美國糖尿病學會(ADA)美國臨床內(nèi)分泌醫(yī)師協(xié)會
(ACCE)及國際糖尿病聯(lián)盟(IDF)的血糖控制目標

個人醫(yī)療設(shè)備除用于慢性病外也可以用于通常的健康和健身應用。集成先進軟件和硬件的高智能設(shè)計是成功創(chuàng)造未來健康及安全應用的關(guān)鍵。這些應用將供數(shù)百萬計的人使用。本文介紹一種通過.NET微架構(gòu)以及i.MX微處理器系列來開發(fā)小型低成本解決方案的方法。

表2：葡萄糖監(jiān)測系統(tǒng)(CGMS)監(jiān)測的血糖過高，過低及正常的幾種狀態(tài)
(CGMS對17位I型糖尿病的孩子和青少年的監(jiān)測)

i.MX應用處理器和.NET微架構(gòu)

飛思卡爾的i.MX系列應用處理器是基于ARM®內(nèi)核技術(shù)并針對多媒體應用進行了優(yōu)化設(shè)計。.NET微架構(gòu)可以移植到這些處理器中，以應用這些軟件所帶的各種功能。

.NET微架構(gòu)是微軟提供的.NET架構(gòu)中最緊湊的系統(tǒng)架構(gòu)，且可以配置到最小的內(nèi)存空間(64KB內(nèi)存，256KB閃存)。這個架構(gòu)為嵌入式設(shè)備優(yōu)化設(shè)計，充分提供了最常用的嵌入式開發(fā)任務，同時裁減了一些.NET完整架構(gòu)中不必要的任務。它使得開發(fā)人員可以使用通信接口（以太網(wǎng)、WiFi、USB、串口、SPI、I2C）、LCD（直接在顯示器上顯示或通過視頻元件）、觸摸屏和存儲器（閃存、內(nèi)存、SD/MMC記憶卡）。由于其結(jié)構(gòu)限制，.NET微架構(gòu)限于運行一個應用，但它可以支持多任務運行。.NET架構(gòu)的庫具有最常用的對象和功能，使用它們需要從微軟獲得授權(quán)許可證。

飛思卡爾提供的i.MXS應用 處理器可以用于.NET微架構(gòu)的應用。處理器的特點有：

• ARM920T®內(nèi)核，主頻100MHz

• 彩色LCD控制器

• 直接內(nèi)存訪問控制器DMAC

• 外設(shè)接口EIM

• SDRAM控制器

• 多種外設(shè)接口（SPI，USB和UART）

• 低功耗模式讓系統(tǒng)在降低成本和功耗預算的同時還可以獲得額外性能

移植.NET微架構(gòu)可以讓用戶使用微軟的Visual C#來開發(fā)嵌入式應用，使高端編程人員在開發(fā)嵌入式應用時獲得優(yōu)勢。

采用.NET微架構(gòu)來開發(fā)i.MXS嵌入式健康與安全應用的工具包包括：

• 微軟Visual Studio 2008

• 微軟Visual C#

• .NET微架構(gòu)

• USB數(shù)據(jù)線

• i.MXS開發(fā)板

要獲得關(guān)于.NET微架構(gòu)更多的信息，請訪問www.microsoft.com/netmf.

設(shè)計技巧及考慮因素

下面是在設(shè)計圖形用戶界面（GUIs）和數(shù)據(jù)監(jiān)測功能時的一些技巧和考慮因素。具有C#編程經(jīng)驗的開發(fā)者能夠為特殊的健康和安全嵌入式應用需求來配置硬件。

通用輸入輸出（GPIO）

幾乎所有的健康和安全設(shè)備都使用GPIO來配置LED燈（用來顯示一些特定的設(shè)備狀態(tài)）、特殊的按鍵（復位、測試模式及校準）以及信號（用以檢測準確的傳感器讀操作的額外中斷）。根據(jù)不同的應用需求，.NET微架構(gòu)可以通過3種方法來配置GPIO：

1．作為輸入引腳

InputPort inputPin = new InputPort(Pins.GPIO_PORT_C_5, true, Port.ResistorMode.PullUp);

if (inputPin.Read()) runInputAction();

2．作為中斷引腳

InterruptPort interruptPin = new

InterruptPort(Pins.GPIO_PORT_C_6, true, Port.

ResistorMode.PullUp, Port.InterruptMode.

InterruptEdgeHigh);

interruptPin.OnInterrupt += new GPIOInterruptEvent

Handler(inputPinInterrupt_onInterrupt);

3．作為輸出引腳

OutputPort outputPin = new OutputPort(Pins.GPIO_

PORT_C_7, true);

outputPin.Write(true);

配置線程如下：

Thread t1 = new Thread(new ThreadStart(thread1));

t1.Priority = ThreadPriority.Highest;

t1.Start();

在存儲器中保存數(shù)據(jù)

嵌入式開發(fā)中另外一個常用的任務是將數(shù)據(jù)保存在閃存中。數(shù)據(jù)會被保存在諸如血壓計、血糖計等多種不同種類的醫(yī)療設(shè)備中。利用.NET微架構(gòu)把數(shù)據(jù)存儲到閃存中，需要以下幾步：

1．建立序列類（serializable class）

[Serializable]

public class Device

{

private String name;

private byte value;

public String Name

{

set { name = value; }

get { return name; }

}

public byte Value

{

set { value = value; }

get { return value; }

}

public Device(byte Value, String Name)

{

value = Value; name = Name;

}

}

2．建立序列類日志

[Serializable]

class DeviceLog

{

private ArrayList log = new ArrayList();

public ArrayList Log

{

get { return log; }

}

public void AddToLog(Device device)

{

log.Insert(0, device);

}

public void RemoveFromLog(Device device)

{

log.Remove(device);

}

public void ClearLog()

{

log.Clear();

}

}

3．建立并使用閃存參考

ExtendedWeakReference flashReference;

uint id = 0;

public Object load()

{

flashReference = ExtendedWeakReference.

RecoverOrCreate(

typeof(Program), //

marker class

id,

// id number in the marker class

ExtendedWeakReference.c_

SurvivePowerdown);// flags

flashReference.Priority = (Int32)

ExtendedWeakReference.PriorityLevel.Important;

Object data = flashReference.Target; //

recovering data

return data;

}

public void save(Object data)

{

flashReference.Target = data;

}

圖形用戶接口GUI

.NET微架構(gòu)還可以幫助程序員開發(fā)更具吸引力的界面，從而可以為終端客戶提供與眾不同的選擇，也影響開發(fā)者選擇芯片供應商的決策。

運行在i.MXS處理器的.NET微架構(gòu)提供兩種開發(fā)用戶界面的方法。一種是使用.NET提供的用戶界面元素，另外一種是使用位圖類來直接刷新屏幕。

表3：NET 微架構(gòu)提供的用戶接口元素

表中所列所有的元素都可以通過類似的方法編程，程序如下：

// Create a panel

StackPanel _panel = new StackPanel();

_panel.Height = _mainWindow.ActualHeight;

_panel.Width= _mainWindow.ActualWidth;

// Create and configure user interface elements

Text textTitle = new Text();

textTitle.Font = Resources.GetFont(Resources.

FontResources.small);

textTitle.TextContent = “Title Text”;

textTitle.HorizontalAlignment = Microsoft.SPOT.

Presentation.HorizontalAlignment.Center;

textTitle.ForeColor = (Microsoft.SPOT.Presentation.

Media.Color)0xFF0000;

// Add the user interface elements to the panel

_panel.Children.Add(textTitle);

上面的代碼首先創(chuàng)建一個面板對象，定義它的尺寸，然后建立好文字對象并定義好字體、大小及顏色屬性。再將文字對象加入到面板子類堆中。

一旦用戶接口元素被加入到顯示面板中，更新元素內(nèi)容的唯一方法就是異步更新，代碼如下：

delegate void UpdateTitleTextDelegate(String hint);

private void UpdateTitleText(String text)

{

if (textTitle != null) textTitle.TextContent =

text;

}

// When the update of the textTitle is required,

use the following code

_mainWindow.Dispatcher.Invoke(

new TimeSpan(0, 0, 1),

new UpdateTitleTextDelegate(UpdateTitleText),

new object[] { “New Title Text” });

當使用位圖來更新屏幕時，項目的坐標和畫面刷新則不是自動的。開發(fā)者需要通過代碼函數(shù)，狀態(tài)變量，計時器和線程來進行目標定位和畫面刷新。下面是一個簡單的例子：

Bitmap _back = new Bitmap(240, 320); // bitmap

used for flush

Bitmap _screen = new Bitmap(240, 320); // based

bitmap to be updated

Font font = Resources.GetFont(Resources.

FontResources.small);

_back.DrawImage(35, 10, Resources.

GetBitmap(Resources.BitmapResources.freescale), 0,

0, 170, 57);

_back.DrawRectangle(Color.White, 1, 35, 10, 170,

57, 2, 2, Color.White, 0, 0, Color.White, 240,

320, 0);

_screen.DrawImage(0, 0, _back, 0, 0, 240, 320);

_screen.DrawTextInRect(“State: Background”, 10,

300, 220, 20, Bitmap.DT_AlignmentCenter |

Bitmap.DT_TrimmingCharacterEllipsis,

(Color)0xFFFFFF, font);

_screen.Flush();

圖表提供了檢驗歷史數(shù)據(jù)以及進行分析的方法。個人健康和安全設(shè)備通常使用圖形，例如柱狀圖和點圖來顯示，采用統(tǒng)一格式來比較多個變量。下面介紹兩種圖形處理的方法。

第一是使用用戶接口元素中的圖像元素，開發(fā)者可以通過位圖的屬性從象素級別來控制顯示的信息。

圖1

表4：可以通過下面的位圖類方法來操作圖像中的象素

第二種方法，采用用戶接口元素中的帆布元素，開發(fā)者可以操作坐標和在指定的區(qū)域顯示用戶接口元素，如下例所示：

Canvas _canvas = new Canvas();

_canvas.Height = SystemMetrics.ScreenHeight;

_canvas.Width = SystemMetrics.ScreenWidth;

Shape shape = new Rectangle();

// Getting random numbers for width and height,

fixing the max number to the canvas size

shape.Width = Math.Random(_canvas.Width);

shape.Height = Math.Random(_canvas.Height);

shape.Stroke = new Pen(color);

shape.Fill = new SolidColorBrush(color);

// Setting the location in the canvas for the

element, these functions are static

Canvas.SetTop(shape, Math.Random(_canvas.Height -

shape.Height));

Canvas.SetLeft(shape, Math.Random(_canvas.Width -

shape.Width));

// Adding the shape to the canvas

_canvas.Children.Add(shape);

在上面的代碼中，我們建立了一個帆布對象并定義了寬和高，然后建立一個矩形對象并定義其類型，填充色以及材質(zhì)。最后，定義好矩形對象在帆布中的坐標，將其添加到帆布中。創(chuàng)建圖形比以往任何時候都更加容易，而這都是基于支持.NET微架構(gòu)用戶接口元素的i.MXS微處理器。

通信接口

串口通信是所有健康和安全應用中最主要的通信手段。它用來將設(shè)備中的數(shù)據(jù)傳輸給個人電腦供醫(yī)生和患者分析。

使用例如UART、SPI、I2C、USB、Ethernet和Wi-Fi的接口常用的發(fā)送數(shù)據(jù)給PC的手段。在下面的例子中，代碼采用UART來進行通信：

SerialPort serialPort;

// The configuration is through the SerialPort.

Configuration class

SerialPort.Configuration serialConfig=new

SerialPort.Configuration(SerialPort.Serial.COM1,

SerialPort.BaudRate.Baud115200, false);

serialPort = new SerialPort(serialConfig);

// The read is through the Read function that

returns the number of bytes read numberOfBytesRead

= serialPort.Read(strBuffer, 0, READ_NUMOFCHARS,

READ_TIMEOUT);

// The write is through the Write function

serialPort.Write(strBuffer, 0, strBuffer.Length);

遺憾的是，串口不使用中斷方式來提醒應用層收到數(shù)據(jù)或串口準備好發(fā)送數(shù)據(jù)。常用的檢查收到字節(jié)數(shù)的方法是監(jiān)測Read的返回值。盡管如此，.NET 微架構(gòu)使得開發(fā)者可以采用線程和事件的方式建立一個更加完整的類，其中可以采用帶有無限循環(huán)的線程來檢查收到的字節(jié)數(shù)。

圖2是一個基于i.MXS應用處理器的衛(wèi)生保健系統(tǒng)框圖范例。

圖2 基于i.MXS應用處理器的衛(wèi)生保健系統(tǒng)框圖

結(jié)論

i.MXS處理器和.NET微架構(gòu)是專門針對時鐘、手表、遙控器、血糖計、膽固醇計等應用進行優(yōu)化設(shè)計的。采用i.MXS處理器和.NET微架構(gòu)，開發(fā)者不需要成為微處理器的專家就可以迅速的設(shè)計有視覺吸引力的用戶界面。高級的C#編程使得程序員可以采用類似個人電腦編程的方式來開發(fā)高端程序。

總之，微軟和飛思卡爾使得設(shè)計者可以開發(fā)出引人入勝的應用（外觀和感觀良好并為終端用戶提供增值）迅速推向市場。更重要的是，持續(xù)不斷的監(jiān)測疾病可以減少病痛和被病毒感染，從而幫助提高醫(yī)療救護的反應速度.