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医疗设备控制系统中同步与异步通信的架构设计

news 2025/10/11 16:44:20

在医疗设备控制系统的开发过程中，我们面临一个经典的技术挑战：如何在保持用户界面流畅响应的同时，可靠地处理设备控制的长时间操作。本文将通过一个医疗床控制系统的实际案例，分享我们在同步与异步通信架构设计上的解决方案。

问题场景

我们的医疗床控制系统采用主从架构：Host（主控端）与EPC（设备控制单元）通过双端口通信：

Command端口：用于发送控制命令和接收立即响应
Event端口：用于接收异步的执行结果和状态更新

关键需求：

用户点击"移动病床"按钮后，需要等待设备执行完成（可能耗时数十秒）
在此期间界面必须保持响应，不能卡死
需要处理多种控制命令（移动、激光、通风等）
要支持被动状态更新（其他设备触发的控制）

解决方案：工作线程 + 同步等待

核心架构

我们采用工作线程执行同步操作，主线程负责UI响应的架构：

┌─────────────┐    ┌──────────────────┐    ┌──────────────┐
│   UI线程    │    │    工作线程      │    │  监听线程    │
│             │    │                  │    │              │
│ 按钮点击事件 │───▶│ 发送命令并同步等待 │───▶│  发送命令    │
│             │    │                  │    │              │
│ 更新UI状态  │◀───│  返回执行结果    │◀───│ 接收执行结果 │
└─────────────┘    └──────────────────┘    └──────────────┘

实现思路

1. 统一的状态管理机制

我们设计了一个通用的命令等待管理器，用两个核心数据结构管理所有命令状态：

class CommandWaitManager {
private:std::mutex m_mutex;std::condition_variable m_cv;std::map<std::string, bool> m_commandResults;  // 命令-结果映射std::set<std::string> m_waitingCommands;       // 等待中的命令public:// 等待指定命令的执行结果bool WaitForCommand(const std::string& command, int timeoutSeconds = 30);// 设置命令执行结果void SetCommandResult(const std::string& command, bool success);
};

这种设计的优势在于：

扩展性：支持任意数量的命令类型，无需为每个命令单独定义变量
线程安全：内置互斥锁保护共享状态
超时控制：防止永久阻塞

2. 工作线程中的同步等待

在工作线程中，我们使用同步方式等待设备响应：

// 在工作线程中执行
BOOL MoveRelative(double distance) {// 发送移动命令SendCommand("#MOVETO:", distance);// 同步等待执行结果（最多等待30秒）if (waitManager.WaitForCommand("#MOVETO", 30)) {return TRUE;  // 移动成功} else {return FALSE; // 移动失败或超时}
}

3. 异步事件监听与处理

独立的监听线程负责接收设备推送的状态更新：

void EventListenerThread() {while (running) {string message = ReceiveEventMessage();if (message == "#MOVETO:SUCCESSFUL") {waitManager.SetCommandResult("#MOVETO", true);} else if (message == "#MOVETO:FAILED") {waitManager.SetCommandResult("#MOVETO", false);}// 处理其他命令...}
}

4. UI线程的异步响应

UI线程通过回调或消息机制更新界面：

// UI线程中的按钮处理
void OnMoveButtonClicked() {// 立即更新UI状态button.SetEnabled(false);button.SetText("移动中...");// 启动工作线程执行耗时操作StartWorkerThread([this]() {BOOL result = bedController.MoveRelative(100.0);// 回到UI线程更新界面PostUIMessage([this, result]() {button.SetEnabled(true);button.SetText("开始移动");ShowResultMessage(result ? "移动成功" : "移动失败");});});
}