（生物医学工程专业论文）基于can总线的中央射频神经疼痛治疗及多道生理信号监护系统.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec e n t r a lm o n i t o r i n gs y s t e mi sm a d eu po ff o u rp a r t s t h o s ea r en e r v ea c h er f ( r a d i of r e q u e n c y ) t r e a t m e n tm o d u l e s ，p h y s i o l o g i c a l s i g n a ld e t e c t i n gm o d u l e s ，a c o m m u n i c a t i o ns e r v e r , a n dac e n t r a lm o n i t o r i n gc o m p u t e r i tc a nn o to n l yt r e a tn e r v e a c h eb yu s i n gr fp u l s e ，b u ta l s om o n i t o rt l l ee c g s p 0 2 ，t e m p e r a t u r ea n di m p e d a n c e b o t ht h ed e s i g nc i r c u i t so fn e r v ea c h er ft r e a t m e n tm o d u l ea n dd e t e c t i n gm o d u l eo f p h y s i o l o g i c a ls i g n a l sa r ei n t r o d u c e di nd e t a i l d u r i n gt r e a t i n gp r o c e d u r e ，t h et r e a t i n g a n dd e t e c t i n gm o d u l e sc o l l e c tf o u rs i g n a l sa n ds e n dt h e mt ot h ec o m m u n i c a t i o ns e n ，e r t h r o u g hc a nb u s t h ec o m m u n i c a t i o ns e r v e re m b e d d e dp c o si ii s d e s i g n e da sa g a t e w a yb e t w e e nt h ec a nb u sa n de t h e m e lb yc o n s t r u c t i n gat c p i pp r o t o c o ls t a c k ， t h ec o m m u n i c a t i o ns e r v e rs e n d sf o u rs i g n a l st ot h ec e n t r a lm o n i t o r i n gc o m p u t e rb y m e a n so fi pp a c k e t s t h es o f t w a r ei n t e r f a c eo ft h es y s t e mb a s e do nj s p i sd e s c r i b e d a h i g hs p e e d ，l o n gd i s t a n c e ，a n dc o m b i n a t i v e m o n i t o r i n g o fm u l t i s i c k b e da n d m u l t i c h a n n e lp h y s i o l o g i c a ls i g n a l sc a l lb er e a l i z e db yt h es y s t e m k e y w o r d ：c e n t r a lm o n i t o r i n gj 2 e ea r c h i t e c t u r eb sm o d e l r e a l t i m em o n i t o r i n g a j a x 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名杏塑 j l l l f ，h 本人签名：兰】：日期兰! ! ! ：圣：12 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本人签名 导师签名昌雾券当 日期塑丝：墨：j 1 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 伴随着现代医学的发展，监护系统得到了广泛的应用，在各级医院的重症加 强护理病房即i c u ( i n t e n s i v ec a r eu n i t ) 、麻醉手术室及各临床科室，扮演着越来 越重要的角色。因为它可以向医护人员提供患者生命体征的重要信息。根据这些 信息，医生能够更好地跟踪患者的病情，进而采取相应的治疗措施，以达到理想 的治疗效果，所以监护仪的作用越来越受到重视。 1 9 6 2 年，北美建立了首批冠心病监护病房即c c u ( c o r o n a r yh e a r td i s e a s ec a r e u n i t ) ，随着计算机和信号处理技术的不断发展，监护系统得到了迅速的发展。另 一方面，临床对危重患者和潜在危险患者的监护要求不断提高，对c c u i c u 监护 系统功能的要求也不断提高。目前，监护系统除具有以前的多参数生命体征监护 以及智能报警外，还要求在监护质量以及医院监护网络方面有进一步的提高，以 更好地满足临床监护和现代化医院管理的需要。监护系统按产品性能和使用功能 分为多参数固化式监护仪、便携式监护仪、插件式监护仪和中央站监护系统。按 监测参数方法可分为无创生命参数监测，有创参数监测及特殊测试参数的监测。 常规监测参数如e c g 、血氧饱和度、生化分析监测、电除颤以及特殊麻醉气体的 监测。 医务人员对e c g 的监测和需求，最早是从抢救危重病患开始的。1 9 3 3 年， h o o k e r 首次进行动物心脏复苏实验，通过密切监测心脏跳动情况，来观察和判断 病人的危重抢救效果；1 9 4 3 年，c l a u d eb e e k 首次在手术室内实施电除颤，开始 e c g 的监测和临床应用；1 9 5 2 年，z o l l 首次推出心脏起搏术，通过对心脏功能未 完全恢复的病人进行起搏、监护，使病人得以康复；1 9 5 6 年，体外除颤仪问世， 大大提高了危重病人抢救的存活率；6 0 年代，持续的床边e c g 监测，能够适时不 断地监护病人的心电状况，使得心脏病人及危重病人得以密切和连续的观察，同 时帮助医务人员对病人的心电情况做出连续的分析和判断；7 0 年代，肺动脉漂浮 导管的出现及临床应用，将血流动力学监测( 有创压、心排量等) 引入临床，监 测功能更加多，医护人员获取的监测信息更加丰富，从而大大促进了医疗水平和 科研水平的发展，随后持续无创血压监测技术开始得到临床应用。 血氧饱和度( s p 0 2 ) 的监测技术，也是在7 0 年代发展起来的，但是直到8 0 年代中期还没有广泛应用于临床。在我国，应用较早的是单纯的心电的监护仪。 后来随着微处理机和快速电子系统的广泛应用，监护参数e c g 、s p 0 2 、无损血压 测量即n i b p ( n o n i n v a s i v em e a s u r e m e n to fb l o o dp r e s s u r e ) 、温度等集于一体的监 2基于c a n 总线的中央射频神经疼痛治疗及多道生理信号监护系统 护仪越来越得到医护人员的认可及广泛的临床应用。 监护系统最初只是实时地监测病人的主要生命参数，如e c g 、n i b p 和s p 0 2 。 由最早的单一数字显示，发展到数字和波形一起显示。在联合监测功能方面，随 着电路的高度集成化，监护设备的体积越来越趋于小巧，功能也更加齐全，在可 以监测e c g 、n i b p 、s p 0 2 等基本参数的同时，也可以连续监测有创血压、心输出 量、特殊麻醉气体等参数。在此基础上，监护系统逐渐发展到有强大的软件分析 功能，如心律失常分析、起搏分析等，并可根据临床需求进行历史监测信息查询， 包括趋势图、表的信息存储功能，存储时间长，信息量大。 随着网络通信的飞速发展，单台监护设备监测病人，已经不能满足大量病人 信息的监测和处理，而通过中央网络通信系统，将医院多台监护设备联网，可以 提高工作效率。尤其是在夜间，医护人员较少的情况下，也能同时监测多个病人， 并通过智能分析以及报警功能，使每个病人都能得到及时的监护和治疗。中央监 护系统通过与医院各级网络互联，将医院其他科室病人的相关资料进行汇总存储， 使得病人在医院的所有检查、病情等资料都能存储到中央信息系统，便于更好的 对病人进行诊断和治疗。 1 2 中央监护系统的现状及发展趋势 多道生理信号监护设备的种类很多，但其基本参数均以对心电参数的监护为 主。我国的监护技术发展较早，始于6 0 、7 0 年代，但直到8 0 年代中期才研制出 用于临床的监护设备，当时的设备采用心电图的信号采集及处理技术，屏幕显示 采用的也是模拟示波技术，到了9 0 年代中期，具有心电、血压、脉搏、血氧饱和 度、体温、呼吸六参数的多道生理信号监护系统的出现，具有里程碑的意义，其 性能基本上达到了国际水平，某些性能甚至还超过了国外同类产品。这一时期的 监护系统，信号处理基本上全部是采用了单片机为核心的处理技术，显示也采用 了c r t 显示，完全满足了医院临床上对病人实施多道生理信号监护的需求。 多道生理信号监护系统的基本原理是通过多种数据采集模块监测人体电生理 信息( 心电、血压、脉搏、血氧饱和度、体温、阻抗等，可根据临床需要选择监 护项目) ，经放大、滤波，传输至中央处理器进行信号处理，随后系统处理单元将 结果显示、存储、打印等。目前国内多道生理信号监护系统主要分为两大类：高 端监护系统和中低端监护系统，但无论高端监护还是中低端监护，它们的主要电 气结构，发展至今几乎没有什么太大的变化，如图1 1 所示。从高低端上看存在的 区别主要在于系统处理单元及各模块处理单元的不同，这些不同除了适应中国高 低端市场变化的需求外，同时也是为了适应目前信息技术发展的需要。 第一章绪论 图1 1 主流监护系统电气结构框图 为了适应中低端市场的需求，同时降低产品的生产成本，国内外有些企业将 多道生理信号监护设备的各个监护模块采用模块集合的方式进行研发和生产。这 类多道生理信号监护设备的电气结构将会由图1 1 的结构变化为图1 2 的结构，其 优点是结构简单、成本低、适合大批量生产，缺点是模块维护成本高并且扩展能 力弱。 图1 2 低端监护系统电气结构框图 在我国，为了既满足高低端市场的需求，同时又适应现代信息技术的发展， 有些企业仍然将多道生理信号监护设备的各参数模块采用分立模块的方式进行开 发和生产，这也是一种必然的趋势和结果，这类多道生理信号监护设备的电气结 构和图1 1 没有什么不同，主要区别在于它的信息处理单元采用了嵌入式工业控制 计算机处理单元，其优点是具备信息分析、处理和模块扩展能力，另外软件开发 周期短，缺点是信息处理单元和各个单元模块的成本较高。 4 基于c a n 总线的中央射频神经疼痛治疗及多道生理信号监护系统 结合高端监护设备和中低端监护设备的优缺点，未来多道生理信号监护设备 在满足现代信息发展的同时也能实现简单结构和低成本生产。按照这样的思路， 可以认为未来多道生理信号监护设备的结构可能会演变为图1 3 的结构，它将以信 息处理及信息交换为核心( 如有线、无线网络的建立) ，同时可以直接采集和处理 多个病人的生理信息，在电气方面各参数模块将不再有单独的数据分析和处理单 元，这样一来基本上就实现了中低端监护设备低成本的要求，与此同时，由于采 用了嵌入式工控计算机处理单元，高端监护设备的全部优势也将得以保留。 图1 3 未来多道生理信号监护系统结构框图 采用嵌入式模块作为控制核心的多道生理信号监护设备的功能结构如图1 4 所示。产品以嵌入式处理器模块作为控制核心，电子盘可作为系统存储单元，系 统自带有显示、键盘、u s b 等端口可直接连接外设，网口可进行通讯，a d 转换模 块可连接各个子功能检测模块，结构清晰，可扩展性好。 图1 4 嵌入式多道生理信号监护设备功能结构图 第一章绪论 结合上述对多道生理信号监护设备电气结构的分析，嵌入式工控计算机处理 单元( 单片机、a r m 、f p g a 或其它) 在目前及未来的多道生理信号监护设各中 都将承担着重要的角色。通过这类产品具备的高速计算和处理能力以及对存储模 块、液晶屏显示、以太网接口、串口、并口、u s b 、键盘等接口的扩展能力，多 道生理信号监护设备可以很容易地将病人信息及其监护信息进行存贮、分析、记 录、网络传输，甚至实现远程分析、专家会诊。由于嵌入式工控计算机处理单元 对操作系统如, u c o s l l 、u c l i n u x 的支持，加上丰富的软件开发包，产品的开发 周期及稳定性将会获得很大程度上的提高。高端多道生理信号监护设备组成的病 人信息共享网络如图1 5 所示图中的病人信息传输将不再以中央监护信息系统为 病人信息中转系统，理论上单台监护设备就完全可以与医院信息系统或互联网进 行病人信息传输和共享。 圄饕p 图i5 多台监护设备共享网络示意图 在e e , j , 型医疗设备中，有些产品与多道生理信号监护设备相比，其实有很多 相似的地方，众多的中小型医疗设备将会和多道生理信号监护设备一样踏上相同 的发展之路。 据相关资料介绍，自2 0 0 5 年起，我国医疗器械市场已成为继美国和日本之后 世界第三大医疗市场。我国目前有县及县以上医院13 万家，乡( 镇) 卫生所5 2 万家，医院病床数达3 0 0 多万张。根据“十一五”规划，到2 0 0 7 年，“新农村合作医 疗”试点的覆盖面将扩大到全国市( 县、区) 总数的6 0 ，到2 0 0 8 年，在全国基 本普及，2 0 l o 年实现基本覆盖农村居民的目标。按平均3 床位1 台多道生理信号 监护设备来计算，大概需要l o o 多万台监护设备。据不完全统计，2 0 0 6 年国内多 道生理信号监护设备采购仅有6 万台左右，如果按每年3 0 递增，还需要1 0 多年 的时间才能基本满足需求，之后将进入大批量的更新换代阶段。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题基于射频神经疼痛治疗仪的治疗过程提出了中央监护系统的具体方案 6基于c a n 总线的中央射频神经疼痛治疗及多道生理信号监护系统 分如下章节对该系统的功能，硬件电路，软件界面进行了分析： ( 1 ) 第一章阐述本课题研究的背景，介绍了监护仪、监护系统在国内外的 发展历程，从最初的单一信号监测发展到集中式多道生理信号监护， 并给出了高低端监护系统的电气结构图。 ( 2 ) 第二章着重论述系统整体方案的设计，包括硬件电路的结构，现场总 线的选择，以及软件系统所使用的技术基础。其中信号采集电路监测 四路人体生理信号：温度，阻抗，心电，血氧饱和度。传输总线选用 更加稳定，高速，传输距离更长的c a n 总线。软件系统基于j 2 e e 技 术，系统的构架采用b s ( b r o w s e r s e r v e r ) ，这更加方便使用及维护， w e b 服务器使用最为流行的t o m c a t 作为容器，页面部分基于j s p 技 术，非常适合工业控制及工程类项目软件系统。 ( 3 ) 第三章详细介绍了整个系统的硬件电路部分：射频神经疼痛治疗模块， 阐述了射频热凝技术的原理及应用，分模块的简要介绍了射频神经疼 痛治疗电路的结构和功能；心电、血氧饱和度信号监护模块，首先分 别介绍了心电信号监护以及血氧饱和度信号监护的临床使用和必要 性，随后给出了信号采集电路的结构框图以及功能概述。 ( 4 ) 第四章论述了p c 机软件系统的设计：介绍了j s p 技术，服务器及w e b 站点的配置，j a v a 虚拟机和w e b 服务器的安装、配置、调试等。作 为软件系统开发的重要环节，数据库的建设具有非常重要的意义，本 系统采用s q ls e r v e r2 0 0 0 作为数据库服务器，论文详细介绍了数据 表的创建、结构以及数据库访问技术。 ( 5 ) 第五章从功能的角度介绍了软件系统的总体结构和各个模块的设计。 其中最为关键的部分是信号实时监测模块，该部分采用了异步 j a v a s c r i p t 和x m l 技术，极大得提高了数据传输的效率和速度，为系 统实时性打下了坚实的基础。除此之外，本系统还包括人员管理、系 统管理以及数据查询等功能模块。 ( 6 )第六章结束语：概括、总结了本课题研究所取得的成果，展望了中央 监护系统的前景。 第二章系统方案设计 7 第二章系统方案设计 2 1 方案设计简介 本论文设计的是一种分层式分布多处理器结构的射频神经疼痛治疗及多道生 理信号监护系统。该系统基于现代化监测控制和网络传输技术，实现了对多病床 病人生理信息的实时监测和集中管理等，这种集中式的监护有利于及时了解各个 监护子系统的工作状态，从而提高了系统的工作效率。该监护系统按照功能可分 为三层结构：信息采集层，数据传输层，信息发布层。 图2 1 射频神经疼痛治疗及多道生理信号监护系统结构框图 结构框图如图2 1 所示：信号采集层由多个治疗监护子系统构成，该层使用内 嵌a r m 7 微处理器的控制芯片l p c 2 2 9 2 ，为保证实时性，芯片上使用了移植了嵌 入式操作系统。信号采集层的主要任务是：采集射频神经疼痛治疗的关键信息即 射频针的温度，治疗部位的阻抗，监护信息即病人的心电信号以及血氧饱和度信 息。这一层由射频治疗电路，心电信号采集调理电路以及血氧饱和度信号采集调 理电路构成。当采集到需要的信息后，治疗监护子系统通过a d c 将信号转换成适 合处理的数字信号，之后再将转换后的数据通过c a n 总线传送至通信服务器。 数据传输层包括c a n 总线和通信服务器。c a n 总线相比于r s 4 8 5 通信方式， 在实时性、抗干扰性、可靠性方面都存在技术上的优势，随着工业控制的发展， 对计算机要求越来越高，现场应用条件越来越复杂，所以，c a n 必然会替代现有 包括r s 4 8 5 在内的网络总线。c a n 控制器工作于多主方式，采用直线拓扑结构， 8基于c a n 总线的中央射频神经疼痛治疗及多道生理信号监护系统 单条网络线路可以连接1 1 0 个节点，网络中的各个节点都可以根据总线访问优先 权通过无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据。c a n 特有的非破坏总线 仲裁技术较好的处理了多个节点同时向总线发送信息的冲突现象，优先级较低的 节点会主动退出发送，而优先级最高的节点可不受影响地保持数据传输，这样大 大节省了总线冲突仲裁时间，以应对网络负载较重的情况而不会出现瘫痪。通信 服务器实质上是一个数据转换的网关设备。它一端连接着c a n 总线网络，另一端 连接着i p 网，控制芯片同样采用l p c 2 2 9 2 ，以太网控制器采用r t l 8 0 1 9 a s ，c a n 通信模块采用c t m 8 2 5 0 t 作为控制器。通信服务器一方面与治疗子系统之间进行 c a n 通信，另一方面将c a n 总线上的所有监测点传来的数据按照时间先后顺序 组织成i p 包，在i p 链路畅通的情况下发送给中央监护室的p c 机数据接收控制台 程序来处理，如果i p 链路短时中断，数据就将被暂存在通信服务器的电子盘中。 这样就能够保证在i p 通信链路短时中断时，监测数据不至于丢失。 信息发布层由中央监护室的p c 机组成，软件系统包括数据接收控制台程序， 数据库服务器，w e b 应用软件。通过网线发送过来的数据被数据接收控制台程序 按照节点号、接收时间、接收数据等分类输入至数据库服务器s q ls e r v e r2 0 0 0 中去，w e b 应用软件通过访问数据库服务器将这些数据实时地展示在w e b 页面 上，供查询和后续处理。 2 2j 2 e e 架构简介 作为一套全然不同于传统应用开发模式的技术架构，j 2 e e 包含许多组件， 重要的是它可以简化且规范应用系统的开发及部署，从而提高代码的可重用 性、系统的可移植性和安全性。j 2 e e 架构的核心是一组技术标准与规范，其 中所包含的各种服务架构、技术层次以及各类组件，均有共同的标准及规范， 这就保证各种依托于j 2 e e 架构的不同平台之间，具有良好的兼容性，解决了 过去企业后台使用的信息产品彼此之间无法兼容而导致企业内部或外部相互 难以沟通的麻烦和不便。 1 j 2 e e 概念简介 目前，j a v a2 平台有3 个版本，分别是是适用于小型设备和智能卡的j a v a 2 平台m i c r o 版( j a v a2p l a t f o r mm i c r oe d i t i o n ，j 2 m e ) 、适用于桌面系统的 j a v a2 平台标准版( j a v a2p l a t f o r l t ls t a n d a r de d i t i o n ，j 2 s e ) 、适用于创建服 务器应用程序和服务的j a v a2 平台企业版( j a v a2p l a t f o r i l le n t e r p r i s ee d i t i o n ， j 2 e e ) 。j 2 e e 是一种利用j a v a2 平台来简化企业解决方案的开发、部署和管 理相关的复杂问题的体系结构。j 2 e e 技术的基础就是核心j a v a 平台或称j 2 s e ， j 2 e e 不仅继承了j 2 s e 中的许多优点，例如“一次编程、随处运行”的特性， 第二章系统方案设计 9 方便访问数据库并进行存取操作的j d b ca p i ( j a v ad a t ab a s ec o n n e c t i v i t y a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) ，c o r b a ( c o m m o no b j e c tr e q u e s tb r o k e r a r c h i t e c t u r e 公共对象请求代理体系结构) 技术以及能够在i n t e r n e t 应用中保护 数据的安全模式等等，同时还提供了对e j b ( e n t e r p r i s ej a v a b e a n s ) 、j a v as e r v l e t a p i 、j s p ( j a v as e r v e rp a g e s ) 以及x m l ( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e 扩展标记 语言) 技术的全面支持。其最终目的就是成为一个可以使企业开发者大幅缩短 产品开发以及市场投放周期的体系结构。 2 j 2 e e 的优势 j 2 e e 具有良好的机制，这为搭建可伸缩性好、灵活性高、易维护的服务 器系统提供了方便，具体优势体现在以下几个方面： 可重用性高：由于w e b 应用程序的开发必须满足新的系统需求，如果 能够充分地利用已有的w e b 应用，而不是彻底否定原有系统，重新制 定整体方案将会大大提高开发效率，避免资源浪费。由此可见，一个 渐进式的、以原有系统为基础的系统是非常必要的。j 2 e e 架构可以充 分利用原有的w e b 应用程序或系统，任何开发人员都可以对现有的客 户提供不需彻底推倒重建的已有系统，而直接进入可移植j 2 e e 领域的 升级途径。此外，由于基于j 2 e e 平台的应用软件或系统几乎能够跨平 台的在任意操作系统和硬件服务器配置上运行，所以已有的操作系统， 甚至硬件也都可以保留使用。 独立、高效的开发过程：软件开发过程中事实上存在着很多不必要的 重复，j 2 e e 允许开发者将一些通用的、冗繁的服务端任务交给中间件 供应商去完成。这样一来，开发者可以专注于如何创建系统需要的业 务逻辑上，从而缩短了开发时间。高级中间件供应商可以提供很多复 杂的中间件服务：例如状态管理服务、持续性服务、分布式共享数据 服务，这些服务可以让开发人员写更少的代码，不用对数据访问逻辑 进行编码就能编写应用程序，从而生成更加轻量级的与数据库无关的 应用程序，由于不再关心如何管理状态，开发者能够更快地完成程序 开发，这种应用程序更易于开发与维护，极大地提高了整体部署的伸 缩性。 跨平台性：开发环境的不同也使得w e b 应用软件的开发经常会陷入无 可避免的兼容性问题中。j 2 e e 能够开发并部署跨平台的可移植程序， 基于j 2 e e 的应用软件可以不依赖任何特定的操作系统、中间件、硬件 等。因此经过合理设计的j 2 e e 应用系统只需开发一次，编译后即可部 署到各类平台中去。这在典型的异构应用环境中是十分关键的。j 2 e e 1 0 基于c a n 总线的中央射频神经疼痛治疗及多道生理信号监护系统 的规范也允许开发者自行开发与j 2 e e 兼容的第三方插件，并把它们部 署到异构应用环境中，从而降低了自行制订方案的成本。 灵活性高：基于j 2 e e 架构的应用程序可被部署到不同的操作系统上， 这种架构可以提供极佳的可伸缩性去满足通过不同操作系统在开发的 应用程序上进行操作的海量用户。j 2 e e 领域的供应商提供了相当广泛 的负载平衡策略，能够消除传统负载部署的瓶颈，允许多台服务器集 成部署。这种部署类似于现如今如火如荼的“云计算”技术，部署规 模可达数千个处理器，从而实现系统的高灵活性、高伸缩性，以满足 未来工业应用的需要。 稳定性强：稳定性是衡量服务器好坏的重要标准，因为服务器必须能 2 4 小时运转以处理海量用户的请求，同时互联网是世界性的、无处不 在的，即使在夜间停机也可能造成严重损失。如果是意外停机，甚至 会出现不可预知的灾难性后果。j 2 e e 部署到稳定可靠的操作环境中， 支持长期的可用性。即使是部署在w i n d o w s 环境中，用户也可选择 稳定性更好的操作系统如s u ns o l a r i s 。据悉，健壮性最高的操作系统可 达到9 9 9 9 9 的可用性或每年只需5 分钟的停机时间。这是实时性很强 的工业控制及商业系统理想的选择。 3 j 2 e e 的分层结构 为了解决传统的c s ( c l i e n t s e r v e r ) 两层模式的弊病，s u n 公司设计了j 2 e e 的架构，使得客户端摒弃了繁杂的业务逻辑，传统的c s 模式虽然一次部署比 较容易，但是升级、维护、改进起来比较困难，扩展性也不够好，对于数据库 访问的兼容性往往也不够理想。j 2 e e 使用多层分布式应用模式，应用逻辑按 功能划分为不同的组件，各个组件根据实际需要分布在不同的计算机上，提高 了业务逻辑的可重用性。目前，j 2 e e 的多层企业级应用模型将c s 模型中的 不同层面划分成多个层。一个多层结构的应用能够为不同的业务逻辑提供一个 独立的层，一个典型的j 2 e e 四层结构如下： 运行在客户端机器上的客户层组件 运行在j 2 e e 服务器上的w e b 层组件 运行在j 2 e e 服务器上的业务逻辑层组件 运行在服务器上的企业信息系统( e n t e r p r i s ei n f o r m a t i o ns y s t e m ) 层软件 4 j 2 e e 的核心a p i 与组件 j 2 e e 架构由一整套组件、a p i ( 应用程序接口) 和协议构成，它对开发基 于w e b 的分层式应用提供了技术支持和标准规范，以下是几种常用的j 2 e e 技术规范： 第二章系统方案设计 j d b c ( j a v a d a t a b a s ec o n n e c t i v i t y ) ：j d b ca p i 为访问不同的数据库提 供了一种统一的途径，j d b c 对开发者屏蔽了一些繁琐的细节问题， 这一点类似于w i n d o w s 平台的o d b c 技术，另外，j d c b 对数据库 的访问也具有跨平台性。 j n d i ( j a v an a m ea n dd i r e c t o r yi n t e r f a c e ) ：j n d ia p i 被用于执行名称及 路径服务。它提供了一致的模型来存取和操作系统资源如域名系统 ( d o m a i nn a m es y s t e m ，d n s ) ，本地文件系统，或应用服务器中的对象。 e j b ( e n t e r p r i s ej a v a b e a n ) ：j 2 e e 技术之所以得到广泛运用，一个重要 的原因就是e j b 。它提供了一个框架来开发和部署分布式业务逻辑， 这就大大简化了具有强伸缩性和高复杂度的企业级w e b 应用的开 发。e j b 技术规范定义了e j b 组件在何时，怎样与其容器进行交互。 容器负责提供通用的服务，例如路径服务、事务管理、资源缓冲池、 安全性及容错性。但需要开发者注意的是，e j b 并不是实现j 2 e e 的 唯一方式，由于其开放性，使得可以利用类似的技术达到使用e j b 的 相同目的。 j s p ( j a v as e r v e rp a g e s ) ：j s p 不能简单的当成是j a v a 代码和w e b 页 面的结合，事实上它有自己的一套语法规范。通常，j s p 页面由h t m l 代码和嵌入其中的j a v a 代码所组成。w e b 服务器在页面被客户端 请求后编译、运行这些j a v a 代码，然后将生成的h t m l 页面返回给 客户端的浏览器。 s e r v l e t ：s e r v l e t 是运行在服务器端的小型j a v a 程序，它扩展了w e b 服务器的功能。作为一种服务器端的应用，s e r v l e t 通过线程，在被请 求时开始执行，这和c g i 、p e r l 脚本语言比较类似。s e r v l e t 提供的功 能大多与j s p 相同，但是实现的方式不同：j s p 通常是以h t m l 代码 为主，中间嵌入少量小段的j a v a 代码，而s e r v l e t 全部由j a v a 写成， 并且编译后生成相应的h t m l 页面。 x m l ( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g u a g e ) ：扩展标记语言x m l 是一种可以 用来定义其它标记语言的语言，具有相当强的灵活性。它被用来在不 同的业务逻辑过程中共享数据。x m l 的发展历程和j a v a 并没有太 大的关系，但却和j a v a 具有同样的跨平台目标也即平台独立性。结 合运用j a v a 和x m l 语言，开发者可以开发出一个比较完美的跨平 台的解决方案。 j a v a m a i l ：j a v a m a i l 是用于存取邮件服务器的a p i ，它提供了一套邮 件服务器的抽象类。不仅支持s m t p 服务器，也支持i m a p 服务器。 1 2 基于c a n 总线的中央射频神经疼痛治疗及多道生理信号监护系统 2 3b s 模式简介 b s 模式：( b r o w s e r s e r v e r ，浏览器h i 务器模式) 是w e b 技术兴起后的一 种软件应用结构模式，w e , b 浏览器是客户端最主要的应用软件，对软硬件要求非 常简洁。这种模式统一了客户端，将系统业务逻辑实现的核心部分集中到服务器 端，简化了系统的开发、维护和使用。在这种模式下，客户端只需要安装一个浏 览器，如i n t e m e t e x p l o r e r ，f i r e f o x ，n e t s c a p en a v i g a t o r 等，服务器安装o r a c l e 、 s y b a s e 、i n f o r m i x 或s q ls e r v e r 等数据库，浏览器通过w e bs e r v e r 同数据库进 行访问和数据交互。当前，b s 结构的应用越来越广泛，特别是a j a x 技术的诞生 和发展，a j a x 程序也能在客户端电脑上进行部分处理，从而大大的减轻了服务器 的负担，并增加了交互性，能进行局部数据实时刷新。 1 b s 模式下软件系统开发的优势与劣势 b s 结构最大的优点就是不用安装任何专门的软件就可以在任何地方进行操 作。只要有一台能上网的电脑就能使用，客户端零维护。系统的扩展非常便捷， 只要连接上网，再由系统管理员分配一个用户名和密码，就可以使用了。甚至可 以在线申请，通过公司内部的安全认证后，不需要管理员的参与，系统就可以自 动分配给用户一个账号进入系统。 ( 1 ) 大大降低了成本。当前w i n d o w s 在桌面电脑上几乎一统天下，浏览 器成为了标准配置，但服务器操作系统领域并不是w i n d o w s 的强项。目前最流 行的做法是在安装了l i n u x 的服务器上使用b s 架构的应用管理软件，安全性较 w i n d o w s 要高出很多。可见服务器操作系统的选择是很多的，不管选用哪种操 作系统都可以让大部分使用w i n d o w s 作为桌面操作系统的人不受影响，这就使 得最为流行的l i n u x 操作系统快速发展起来，l i n u x 除了操作系统是免费的以外， 连数据库也是免费的，这种选择非常盛行。举个例子，很多人每天登陆搜狐网， 只要安装了浏览器就可以了，并不需要了解搜狐的服务器用的是什么样的操作系 统，而事实上大部分网站都没有使用w i n d o w s 操作系统，但用户的电脑大部分 使用的是w i n d o w s 操作系统。 ( 2 ) 便于维护和更新。目前，软件系统版本的更新换代愈加频繁，这种情况 下，基于b s 架构的软件系统的便捷性就得以体现。对于传统的大型机房，系统 管理人员可能需要在几百乃至上千台电脑之间来回走动调试，任务量和工作效率 可想而知，但基于b s 架构的软件系统只需要维护一台服务器就可以了，所有的 客户端都只需要一个浏览器支持即可，无需做任何维护。即使用户的数量再大， 分支机构再多都不会增加任何维护升级的工作量，因为所有的操作只需要针对服 务器进行。如果是远程操作，只需要利用一款流行的远程服务器操作软件p u t t y 把 第二章系统方案设计 服务器连接至专网即可实现远程维护、升级和共享。所以客户端越来越“瘦 ， 而服务器端越来越“胖 是将来信息化发展的主流方向。第一次部署好系统之后， 软件的升级和维护会越来越容易，同时使用起来会越来越简单。这会极大地节省 人力、物力、时间、消耗等资源。因此，维护和升级软件系统的方式是让客户端 越来越“瘦”，服务器端越来越“胖”。 ( 3 ) b s 模式的缺点在于服务器负荷较重。由于b s 模式的系统软件只安装 在服务器端( s e r v e r ) ，系统管理人员只需要维护和管理服务器就可以了，而用户 界面的主要事务逻辑在服务器端( s e r v e r ) 完全通过w e b 浏览器实现，极少部分 的事务逻辑在客户端( b r o w s e r ) 实现，所有的客户端都只有浏览器，系统管理人 员只需要做硬件维护。但是这样一来，服务器运行海量数据，会带来极重的负荷 压力，甚至有可能发生服务器崩溃等问题，后果相当严重。所以备用的数据库存 储服务器常常被用来以防万一。 2 b s 模式与c s 模式的联系与区别 c s 是c l i e n v s e r v e r 的缩写，服务器通常采用高性能的p c 机、工作站或小型 机，并采用大型数据库系统，例如o r a c l e 、s y b a s e 、i n f o r m i x 以及s q ls e r v e r 。客 户端往往需要安装比较大型的、专用的客户端软件。c s 与b s 的区别大致有以下 几个方面： 硬件环境不同：c s 模式的搭建一般运用在专用的网络上或者小范围的网 络环境，局域网之间可以再通过专门的网关设备提供连接和数据交互服 务。b s 模式一般搭建在广域网之上，不需要专门的网络硬件环境，例如 拨号上网，服务器租用。b s 模式下，信息由自己管理，适应范围比c s 模式更广泛，一般只要有操作系统和浏览器即可。 程序架构的安全性不同：c s 模式的用户群一般来说相对固定，对信息安 全的控制能力很强。所以高度机密的信息系统采用c s 模式比较适合。同 时c s 系统的程序更加注重流程，可以对权限进行多层次的校验而稍微忽 略系统运行速度。b s 模式建立在广域网上，面对的用户群往往存在不可 知性，这样一来在安全方面，控制能力相对薄弱。当然特定局域网的应用 系统另当别论。总之，b s 模式对系统运行速度以及安全因素的考虑有着 更高的要求。 其他不同：c s 程序因为不可避免的要考虑其系统的整体性，因此代码的 重用性不如在b s 要求下的构件好。在系统维护方面，c s 软件系统由于 其整体性，必须要整体考察，当处理所出现的b u g 或者进行系统升级时 非常繁琐，甚至需要开发一个全新的系统。而b s 模式的软件系统由一个 一个相对独立的构件组成，个别构件的更换不会引发整个系统的调整，系 1 4 基于c a n 总线的中央射频神经疼痛治疗及多道生理信号监护系统 从而使系统维护的成本降低到最小，对于一些简单的插件用户从网上自己 下载安装即可实现升级。 2 4t o m c a t 简介【1 】 j a r k a r t at o m c a t 服务器是在s u n 公司的j s w d k ( j a v a s e r v e rw 曲 d e v e l o p m e n t k i t 是s u n 公司推出的小型s e r v l e t j s p 调试工具) 的基础上发展起来 的一个优秀的s e r v l e t j s p 容器，它是a p a c h e j a k a r t a 软件组织的一个子项目。它不 但支持运行s e r v l e t 和j s p ，而其还具备了作为商业j a v aw e b 应用容器的特征。 作为一个开放源码的软件，t o m c a t 得到了开放源码志愿者的广泛支持，它可 以和目前大部分的主流h t t p 服务器( 如i i s 和a p a c h e 服务器) 一起工作，而且 运行稳定、可靠、效率高。 t o m c a t 服务器除了能够运行s e r v l e t 和j s p ，还提供了作为w 曲服务器的一些 特有功能，如t o m c a t 管理和控制平台、安全域管理和t o m c a t 闽等。t o m c a t 已经 成为目前开发企业j a v aw 曲应用的最佳选择之一。 2 4 1t o m c a t 与s e r v l e t 容器 j a k a r t at o m c a t 服务器是一种s e r v l e t j s p 容器。s e r v l e t 是一种运行在支持j a v a 语言的服务器上的组件。s e r v l e t 最常见的用途是扩展j a v aw e b 服务器功能，提供 非常安全的、可移植的、易于使用的c g i 替代品。它是一种动态加载的模块，因 此它的运行不依赖于浏览器。 t o m c a t 作为s e r v l e t 容器，负责处理客户请求，把请求传送给s e r v l e t 并把结果 返回给客户。s e r v l e t 容器与s e r v l e t 之间的接口是由j a v as e r v l e t a p i 定义的，在j a v a s e r v l e t a p i 中定义了s e r v l e t 的各种方法，这些方法在s e r v l e t 声明周期的不同阶段 被s e r v l e t 容器调用，s e r v l e t a p i 还定义了s e r v l e t 容器传递给s e r v l e t 的对象类，如 请求对象s e r v l e t r e q u e s t 和相应对象s e r v l e t r e s p o n s e 。 当客户请求访问某一个s e r v l e t 时，s e r v l e t 容器将创建一个s e r v l e t r e q u e s t 对象 和s e r v l e t r e s p o n s e 对象。在s e r v l e t r e q u e s t 对象中封装了客户请求信息，然后s e r v l e t 容器把s e r v l e t r e q u e s t 对象和s e r v l e t r e s p o n s e 对象传给客户所请求的s e r v l e t 。 s e r v l e t 把响应结果写到s e r v l e t r e s p o n s e 中，然后由s e r v l e t 容器把响应结果传给客 户。s e r v l e t 容器响应客户