基于OpenPLC的醫(yī)療儀器通信協(xié)議轉(zhuǎn)換平臺(tái)設(shè)計(jì)

嚴(yán)意煒 鄭建立

摘 要：醫(yī)療儀器信息集成已成為醫(yī)療衛(wèi)生信息化不可或缺的一環(huán)。由于非影像類醫(yī)療儀器信息傳輸標(biāo)準(zhǔn)滯后，使這類醫(yī)療儀器信息集成發(fā)展較為緩慢。通過(guò)分析多種通信協(xié)議，利用圖形化編程優(yōu)勢(shì)，基于OpenPLC設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種醫(yī)療儀器通信協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件的組件化設(shè)計(jì)平臺(tái)。使用模塊拼接完成醫(yī)療儀器數(shù)據(jù)幀協(xié)議轉(zhuǎn)換配置，在保證協(xié)議轉(zhuǎn)換通用性、易用性的同時(shí)，降低了使用人員的技術(shù)門檻。

關(guān)鍵詞：醫(yī)療儀器;信息集成;數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化;協(xié)議轉(zhuǎn)換;組件化;OpenPLC

DOI：10. 11907/rjdk. 182726 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2019）007-0133-04

Design of Communication Protocol Conversion Platform for

Medical Instrument Based on OpenPLC

YAN Yi-wei，ZHENG Jian-li

（School of Medical Instrument and Food Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract： The information integration of medical devices has become an indispensable part of medical and health informatization. Because of the lag of information transmission standard， the development of non-imaging medical instruments information integration is relatively slow. By analyzing various communication protocols and taking advantage of graphical programming， this design realizes a component design platform of communication protocol conversion software for medical instruments based on OpenPLC. The splicing of the module is used to complete the configuration of the data frame protocol conversion of the medical instrument. It guarantees the universality and easiness of protocol transformation while lowering the technical threshold of users.

Key Words： medical instrument; information integration; data conversion; protocol conversion; component-based; OpenPLC

基金項(xiàng)目：上海市科委科技支撐項(xiàng)目（17-C-2）

作者簡(jiǎn)介：嚴(yán)意煒（1993-），男，上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)獒t(yī)學(xué)儀器嵌入式技術(shù);鄭建立（1965-），男，博士，上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院副教授、碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)獒t(yī)學(xué)信息系統(tǒng)與集成技術(shù)、醫(yī)學(xué)儀器嵌入式控制系統(tǒng)。本文通訊作者：鄭建立。

0 引言

隨著醫(yī)療衛(wèi)生信息化的快速發(fā)展，數(shù)字化醫(yī)療儀器應(yīng)用越來(lái)越廣泛。醫(yī)療儀器除了本身治療及診斷功能外，將采集到的數(shù)據(jù)有效而準(zhǔn)確地輸出也是醫(yī)療儀器制造商所關(guān)心的問(wèn)題。

目前，影像類醫(yī)療儀器集成已有較為成熟的信息傳輸標(biāo)準(zhǔn)DICOM。對(duì)于非影像類醫(yī)療儀器而言，雖然國(guó)際組織HL7、IHE提供了信息集成解決方案[1]，但是并沒(méi)有被所有醫(yī)療儀器制造商所接受，使得非影像類醫(yī)療儀器信息集成發(fā)展較為緩慢[2]，醫(yī)院使用的非影像類醫(yī)療儀器依然存在諸多廠商自定義的信息接口、數(shù)據(jù)通信協(xié)議以及通信方式[3]，阻礙了醫(yī)療儀器信息集成的發(fā)展。

目前解決該問(wèn)題的辦法就是針對(duì)已知協(xié)議編寫對(duì)應(yīng)的通信程序。為解決重復(fù)編寫協(xié)議轉(zhuǎn)化程序，基于JS引擎的醫(yī)療儀器協(xié)議轉(zhuǎn)換方案[4]，通過(guò)腳本調(diào)用生成轉(zhuǎn)換程序，支持不同的醫(yī)療儀器協(xié)議。也有基于程序生成技術(shù)的解決方案[5]，只需通過(guò)網(wǎng)頁(yè)端對(duì)幀格式進(jìn)行配置即可自動(dòng)生成轉(zhuǎn)化函數(shù)。在非醫(yī)療儀器領(lǐng)域，有通過(guò)協(xié)議模版進(jìn)行轉(zhuǎn)化的集成網(wǎng)關(guān)案例[6-7]，通過(guò)將協(xié)議分成幀頭、幀尾、位處理以及函數(shù)處理4部分對(duì)協(xié)議模版進(jìn)行定義，也有通過(guò)各個(gè)數(shù)據(jù)元素映射實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀格式轉(zhuǎn)換[8]。上述解決方案對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜協(xié)議或是牽涉到復(fù)雜的計(jì)算或單位轉(zhuǎn)化，需要編寫額外的程序或是腳本進(jìn)行適配，技術(shù)門檻較高。

在工業(yè)控制方面，面對(duì)復(fù)雜而重復(fù)的設(shè)計(jì)，PLC可以有效降低開(kāi)發(fā)和維護(hù)成本[9]。PLC具備IEC61131-3規(guī)范的編程語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)使用者技術(shù)門檻要求較低，使用起來(lái)較為方便[10]。其中的功能塊圖作為一種圖形化的編程語(yǔ)言，通過(guò)模塊之間的相互連接即可完成配置。對(duì)使用者而言，只需要知道模塊的外部特性即可，不需要了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和原理[11]。

本文基于OpenPLC設(shè)計(jì)了一種通用的醫(yī)療儀器通信協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件平臺(tái)。根據(jù)醫(yī)療儀器數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換流程，歸納分析通信協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換所必要的模塊，通過(guò)OpenPLC編輯器實(shí)現(xiàn)這些功能模塊。技術(shù)人員只需對(duì)模型進(jìn)行連接配置，無(wú)需編程即可完成醫(yī)療儀器集成網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換的配置。對(duì)輸入或輸出協(xié)議沒(méi)有限制，可以是HL7等標(biāo)準(zhǔn)格式，也可以是廠商自定義的格式。

1 通信協(xié)議轉(zhuǎn)換模型

1.1 通信協(xié)議轉(zhuǎn)換框架

醫(yī)療儀器通信協(xié)議轉(zhuǎn)換的根本目的是將輸入的字節(jié)流中醫(yī)療儀器中的數(shù)據(jù)提取出來(lái)，并將之轉(zhuǎn)換成符合目標(biāo)格式規(guī)范的數(shù)據(jù)幀輸出，其流程如圖1所示。

輸入、輸出通訊組件是在硬件接口及通信參數(shù)與協(xié)議上提供支持。輸入通訊組件將醫(yī)療儀器數(shù)據(jù)通過(guò)字節(jié)流形式傳入到解析組件，而輸出通訊組件則是將轉(zhuǎn)化組件所得到的數(shù)據(jù)幀傳至醫(yī)療信息系統(tǒng)中。

解析組件目的是從輸入通訊組件傳入的字節(jié)流中提取所需的數(shù)據(jù)項(xiàng)，并將這些數(shù)據(jù)項(xiàng)傳入轉(zhuǎn)化組件，主要流程是：對(duì)傳入的字節(jié)流進(jìn)行同步、校驗(yàn)等處理，得到正確的數(shù)據(jù)幀。再根據(jù)輸入數(shù)據(jù)幀格式，將原有數(shù)據(jù)項(xiàng)提取出來(lái)。

解析原始數(shù)據(jù)項(xiàng)的難度在于，不同制造商的私有協(xié)議可能具有不同的校驗(yàn)、幀同步方式，有的數(shù)據(jù)幀甚至含有多個(gè)層[12]，這時(shí)的處理方式如圖1解析組件部分所示。對(duì)于多個(gè)層次的數(shù)據(jù)幀，需要用數(shù)據(jù)處理層提取出下一層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（protocol data unit，PDU），再通過(guò)下一層的數(shù)據(jù)處理層，如此循環(huán)，最終提取出原始數(shù)據(jù)項(xiàng)。

圖1 通信協(xié)議轉(zhuǎn)換框架

轉(zhuǎn)化組件將解析組件所傳入的原始數(shù)據(jù)項(xiàng)轉(zhuǎn)換成符合輸出通訊組件格式的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行輸出。對(duì)輸入的數(shù)據(jù)項(xiàng)，轉(zhuǎn)化組件根據(jù)輸出數(shù)據(jù)項(xiàng)的格式對(duì)原始數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行格式或數(shù)值轉(zhuǎn)化。最后根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行計(jì)算校驗(yàn)，以及補(bǔ)充輸出數(shù)據(jù)幀的控制碼，將所有項(xiàng)目合并起來(lái)得到輸出數(shù)據(jù)幀。輸出通訊組件的數(shù)據(jù)幀可含有多個(gè)層，其處理方式如圖1中轉(zhuǎn)化組件部分所示。

在解析組件與轉(zhuǎn)化組件中，根據(jù)協(xié)議復(fù)雜程度的不同存在多個(gè)數(shù)據(jù)處理層，每個(gè)數(shù)據(jù)處理層由不同的功能塊拼接而成。解析組件中每個(gè)數(shù)據(jù)處理層的任務(wù)是將該層協(xié)議數(shù)據(jù)單元中的信息提取出來(lái)，成為上一層數(shù)據(jù)處理層的輸入。而轉(zhuǎn)化組件中的數(shù)據(jù)處理層作用與解析組件恰恰相反，是將上一層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元封裝起來(lái)，與本層的其它控制信息一起組成本層協(xié)議數(shù)據(jù)單元輸出給下一層。

上述醫(yī)療儀器通信協(xié)議轉(zhuǎn)換中的解析組件和轉(zhuǎn)化組件，均在OpenPLC平臺(tái)上通過(guò)組件拼接實(shí)現(xiàn)，組件化的自由性使其對(duì)于分層處理以及復(fù)雜的數(shù)值或格式轉(zhuǎn)化運(yùn)算都有良好的適應(yīng)性。

1.2 數(shù)據(jù)處理層

OpenPLC主要應(yīng)用在控制領(lǐng)域，沒(méi)有為文本信息處理提供適用的組件，因此圖2所示的數(shù)據(jù)處理層所需的多數(shù)功能模塊需要自行編寫。不同的數(shù)據(jù)處理層處理功能可以不同，但總體處理步驟是相似的。

數(shù)據(jù)處理層主要對(duì)下一層協(xié)議數(shù)據(jù)單元進(jìn)行處理，提取出其中正確完整的數(shù)據(jù)單元，或是將本層數(shù)據(jù)單元封裝起來(lái)，與本層其它控制信息一起組成新的協(xié)議數(shù)據(jù)單元。在這個(gè)過(guò)程中，為了保證數(shù)據(jù)幀的正確性與完整性，常用到分幀/組幀、校驗(yàn)和轉(zhuǎn)義功能，以及從協(xié)議數(shù)據(jù)單元中取出數(shù)據(jù)單元，或?qū)?shù)據(jù)單元與控制信息合并成一個(gè)完整的協(xié)議數(shù)據(jù)單元，這時(shí)需要用到編碼、解碼功能[13]。在從數(shù)據(jù)項(xiàng)到轉(zhuǎn)化組件的數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，進(jìn)行數(shù)值格式轉(zhuǎn)化以及一些基礎(chǔ)運(yùn)算時(shí)，OpenPLC自帶的庫(kù)函數(shù)功能不可或缺。

圖2 數(shù)據(jù)處理層功能結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)多種通信協(xié)議分析，可以定義出以下通用的功能模塊：

（1）分幀/組幀：分幀模塊從字節(jié)流中識(shí)別出協(xié)議數(shù)據(jù)單元的開(kāi)始和結(jié)束，組幀模塊則是在傳送前對(duì)協(xié)議數(shù)據(jù)單元加上幀的封裝。支持兩種封裝方法：①規(guī)定特殊字符或字符序列作為一幀的開(kāi)始，并以固定的字段標(biāo)識(shí)幀的長(zhǎng)度;②規(guī)定一些特殊字符或字符序列作為一幀的開(kāi)始與結(jié)束[14-15]。

（2）校驗(yàn)：驗(yàn)證協(xié)議數(shù)據(jù)單元傳送的正確性，常用方式有CRC校驗(yàn)以及累加和。CRC校驗(yàn)包含寬度、生成項(xiàng)、預(yù)設(shè)值、輸入輸出反轉(zhuǎn)等配置項(xiàng)。校驗(yàn)部分除了編寫幾種常見(jiàn)的校驗(yàn)?zāi)Ｊ酵猓€包括比較判斷這類校驗(yàn)所需的功能模塊。

（3）解碼/編碼：解碼模塊從協(xié)議數(shù)據(jù)單元中將上一層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元或數(shù)據(jù)項(xiàng)取出，由上一層數(shù)據(jù)處理層進(jìn)一步處理。主要方式一般分為以標(biāo)識(shí)符分割以及以固定長(zhǎng)度兩種。編碼模塊則與解碼相反，是將上一層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元加入額外信息合并起來(lái)。

（4）轉(zhuǎn)義：由于幀同步時(shí)所規(guī)定的特殊字符不能出現(xiàn)在數(shù)據(jù)內(nèi)容之中，因此會(huì)對(duì)含有特殊字符的字節(jié)進(jìn)行轉(zhuǎn)義[16]，用特定的換碼序列表示該字符。

（5）轉(zhuǎn)換：轉(zhuǎn)換模塊包括浮點(diǎn)型、整型與字符等數(shù)據(jù)類型之間的轉(zhuǎn)換，以及ASCII碼與十六進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換。

（6）運(yùn)算：主要是加、減、乘、除、取余等借助于庫(kù)函數(shù)的基礎(chǔ)運(yùn)算。

2 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 運(yùn)行環(huán)境與數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程

OpenPLC作為第一個(gè)全功能標(biāo)準(zhǔn)化的開(kāi)源PLC，其目的是為自動(dòng)化研究提供低成本的工業(yè)解決方案[17-18]。OpenPLC項(xiàng)目是根據(jù)IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建的，該標(biāo)準(zhǔn)支持5種編程語(yǔ)言。其中功能塊圖語(yǔ)言可由用戶事先編寫，再通過(guò)拼接的方式組成程序。本文通過(guò)功能塊圖生成主程序完成數(shù)據(jù)的解析與轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)組件化設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3 OpenPLC系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

在環(huán)境支持方面，OpenPLC支持Linux下運(yùn)行軟PLC，使用Modbus-TCP協(xié)議訪問(wèn)軟PLC寄存器，可以通過(guò)訪問(wèn)本地網(wǎng)頁(yè)控制軟PLC、上傳配置文件。OpenPLC以“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式執(zhí)行任務(wù)[19]。運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)不斷掃描寄存器狀態(tài)，按照順序執(zhí)行每條指令。

本文測(cè)試硬件使用裝有Linux操作系統(tǒng)及OpenPLC的樹(shù)莓派。測(cè)試時(shí)由上位機(jī)串口發(fā)送模擬數(shù)據(jù)，下位機(jī)由網(wǎng)口發(fā)送處理后的數(shù)據(jù)，返回至上位機(jī)。具體數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換的讀取在軟PLC的寄存器上實(shí)現(xiàn)。在軟PLC寄存器上設(shè)立4個(gè)標(biāo)志位：輸入數(shù)據(jù)位、輸入標(biāo)志位、輸出數(shù)據(jù)位以及輸出標(biāo)志位。

在本地運(yùn)行讀寫軟PLC中寄存器程序：將外部輸入的數(shù)據(jù)寫入軟PLC的輸入數(shù)據(jù)位后，修改輸入標(biāo)志位，完成數(shù)據(jù)輸入;通過(guò)讀取輸出數(shù)據(jù)位，修改輸出標(biāo)志位，完成數(shù)據(jù)輸出。

2.2 模塊定義與編寫

模塊定義及編寫大致分成4個(gè)步驟，以下以CRC模塊為例逐一說(shuō)明。

（1）按照需求新建一個(gè)程序組織單元，如圖4所示，命名為D00CRC，類型為功能塊圖，語(yǔ)言為ST語(yǔ)言，同時(shí)OpenPLC支持在ST語(yǔ)言中內(nèi)嵌C語(yǔ)言程序，可通過(guò)GetFbVar以及 SetFbVar函數(shù)讀取輸出端口數(shù)據(jù)。

圖4 CRC模塊設(shè)置

（2）定義程序組織單元的輸入輸出參數(shù)。CRC模塊輸入輸出部分參數(shù)按CRC校驗(yàn)中所需的所有參數(shù)進(jìn)行設(shè)定[20]，如圖5所示。DATA：輸入待檢測(cè)的字節(jié)流;CRC：輸出的校驗(yàn)結(jié)果;RESET：重置控制;POLY：生成項(xiàng)的多項(xiàng)式;WIDTH：寬度，即CRC比特?cái)?shù);INIT：算法開(kāi)始時(shí)寄存器的初始化預(yù)置值;REFIN：待測(cè)數(shù)據(jù)的每個(gè)字節(jié)是否按位反轉(zhuǎn);REFOUT：在計(jì)算之后，異或輸出之前，整個(gè)數(shù)據(jù)是否按位反轉(zhuǎn);XOROUT：計(jì)算結(jié)果與此參數(shù)異或后得到最終的CRC值。

圖5 CRC模塊輸入輸出部分設(shè)置

（3）輸入?yún)?shù)設(shè)定后，還需完成具體模塊功能的程序編寫。這里為了方便，使用C語(yǔ)言程序內(nèi)嵌在ST語(yǔ)言中，部分代碼如下：

（4）完成程序編寫后，對(duì)模塊進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試模塊連接方式如圖6所示。測(cè)試參數(shù)使用CRC16配置：寬度16位，多項(xiàng)式為1021，初始值為0000，結(jié)果異或值為0000，輸入、輸出值反轉(zhuǎn)。使用send模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，使用receive模塊進(jìn)行接收。變量Data為待檢測(cè)數(shù)據(jù)，F(xiàn)lag為輸入標(biāo)志位，變量CRC為輸出數(shù)據(jù)，對(duì)模塊輸出結(jié)果與計(jì)算校驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行核對(duì)，模塊通過(guò)多種參數(shù)測(cè)試后可視作完成編寫。

圖6 CRC模塊測(cè)試

3 數(shù)據(jù)幀協(xié)議測(cè)試

選擇某公司某型號(hào)血透機(jī)若干組現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試能否正確校驗(yàn)數(shù)據(jù)幀，并將得到的數(shù)據(jù)以特定格式輸出。該血透機(jī)數(shù)據(jù)幀部分測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 某型號(hào)血透機(jī)數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)及說(shuō)明

由表1可知，該數(shù)據(jù)幀以0×02位固定幀頭、以0×04為固定幀尾分幀。該數(shù)據(jù)幀非幀頭、幀尾部分也會(huì)出現(xiàn)0×02，0×04，因此需要進(jìn)行轉(zhuǎn)義。轉(zhuǎn)義方式是將原字符增加0×20，前置增加一位轉(zhuǎn)義符0×1b。

根據(jù)輸入數(shù)據(jù)幀協(xié)議，可將解析組件分成三層：第一層為分幀、轉(zhuǎn)義，第二層累加和校驗(yàn)，第三層為CRC16的校驗(yàn)與數(shù)據(jù)項(xiàng)提取。第三層內(nèi)容如圖7所示。將數(shù)據(jù)位中4～14位數(shù)據(jù)計(jì)算CRC校驗(yàn)后與原有校驗(yàn)進(jìn)行比較，如果校驗(yàn)通過(guò)，將數(shù)據(jù)幀中13及14位的數(shù)據(jù)取出，傳入轉(zhuǎn)化組件。

轉(zhuǎn)化組件將輸入的數(shù)據(jù)以JSON格式輸出，屬性名為Amounts of Heparin，值為數(shù)據(jù)具體內(nèi)容。

圖7 數(shù)據(jù)幀協(xié)議配置第三層數(shù)據(jù)處理層

將配置文件上傳至裝有OpenPLC的嵌入式端，由串口接收模擬數(shù)據(jù)，由網(wǎng)口發(fā)送處理后的數(shù)據(jù)。通過(guò)輸入三組數(shù)據(jù)判斷配置效果：第一組及第三組為正確的數(shù)據(jù)幀，第二組為校驗(yàn)不通過(guò)的數(shù)據(jù)幀。嵌入式端完成解析后將校驗(yàn)正確數(shù)據(jù)輸出，結(jié)果如圖8及圖9所示。返回了兩組校驗(yàn)正確符合格式的數(shù)據(jù)幀，沒(méi)有返回校驗(yàn)不通過(guò)的數(shù)據(jù)幀，表明該方案可以將數(shù)據(jù)幀中的正確數(shù)據(jù)提取出來(lái)，符合設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)要求。

圖8 模擬血透機(jī)輸入數(shù)據(jù)

圖9 返回接收數(shù)據(jù)

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種通用醫(yī)療儀器通信協(xié)議轉(zhuǎn)換的組件化平臺(tái)，通過(guò)構(gòu)建通信協(xié)議轉(zhuǎn)換模型，提取必要組件，借助OpenPLC編輯器實(shí)現(xiàn)各個(gè)組件。該設(shè)計(jì)無(wú)需編寫程序，只需通過(guò)拼接組件即可針對(duì)目標(biāo)醫(yī)療儀器生成配置文件，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療儀器通信協(xié)議轉(zhuǎn)換。與同類型的解決方案相比，該設(shè)計(jì)技術(shù)門檻較低。經(jīng)過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)測(cè)試，該方案對(duì)于復(fù)雜的數(shù)據(jù)幀格式具有較好的適配性。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）