萇飛霸，尹軍，王俐，顏樂先，陳維平，徐力

第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所醫(yī)學(xué)工程科，重慶 400042

0 前言

目前，全國大部分醫(yī)院都采用中心供氧，通過管道將醫(yī)用氧氣直接輸送到各臨床科室。中心供氧站實(shí)行24 h值班制，能監(jiān)測并及時(shí)處理供氧站出現(xiàn)的故障。但由于種種技術(shù)原因，多數(shù)醫(yī)院在建造中心供氧設(shè)施時(shí)，在一級(jí)科室都沒有設(shè)置氧氣監(jiān)測、計(jì)量裝置。這樣，因管道故障造成臨床科室氧氣壓強(qiáng)不足時(shí)，通常需依靠使用氧氣的生命支持設(shè)備如呼吸機(jī)的報(bào)警才能推測出該故障；科室實(shí)際用氧情況也無法精確掌握[1]。這種粗放式的管理模式已越來越無法適應(yīng)醫(yī)院以病人安全為中心的服務(wù)理念以及精細(xì)化管理的需求。因此，醫(yī)院需要在每一個(gè)臨床科室的供氧輸入端設(shè)置氧氣監(jiān)測與控制裝置，并使得中心供氧站可以實(shí)時(shí)監(jiān)測各臨床科室的供氧壓力、濃度及流量數(shù)據(jù)，并對(duì)供氧出現(xiàn)的一些意外情況進(jìn)行及時(shí)處理。

控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）總線是一種“多主機(jī)”現(xiàn)場總線局域網(wǎng)，其通信網(wǎng)絡(luò)具有抗干擾強(qiáng)、高度可靠、實(shí)時(shí)高效、成本低廉等特征，目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制、軌道交通管理、紡織機(jī)械、農(nóng)業(yè)器具、機(jī)器人、醫(yī)療器械、傳感監(jiān)測、環(huán)境控制等領(lǐng)域[2-3]。

醫(yī)院中心供氧實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)利用基于CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)院中心供氧監(jiān)測與控制技術(shù)，在每一個(gè)臨床科室供氧輸入端設(shè)置氧氣監(jiān)測與控制裝置，采集各臨床科室的供氧壓力、濃度及流量數(shù)據(jù)，通過CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)送至中心供氧站的中心監(jiān)控電腦上；在中心監(jiān)控電腦上通過監(jiān)控軟件，能遠(yuǎn)程監(jiān)測各臨床科室的供氧壓力、濃度及流量數(shù)據(jù)，能對(duì)氧壓、氧濃度不足進(jìn)行報(bào)警，能對(duì)科室用氧量進(jìn)行計(jì)量計(jì)費(fèi)，并在病區(qū)出現(xiàn)火情時(shí)，能遠(yuǎn)程自動(dòng)或手動(dòng)控制氧氣監(jiān)測與控制裝置以關(guān)閉病區(qū)氧氣供應(yīng)，保證供氧安全，提高供氧管理水平；同時(shí)病區(qū)供氧情況不再需要醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行監(jiān)測，減少了醫(yī)護(hù)人員的額外工作量。

1 CAN總線接口轉(zhuǎn)換卡總體設(shè)計(jì)

醫(yī)院中心供氧實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的CAN總線接口主要包括CAN通信接口模塊、串口通信模塊、電源模塊?？傮w設(shè)計(jì)框圖，見圖1。

圖1 CAN總線接口轉(zhuǎn)換卡總體設(shè)計(jì)框圖

CAN通信接口模塊采用MCP2515控制器通過SPI接口與MSP430F149微處理器相連，實(shí)現(xiàn)微處理器的CAN總線接口擴(kuò)展。MSP430F149對(duì)MCP2515進(jìn)行初始化并通過控制MCP2515實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。串口通信模塊主要包括通信串口和串口轉(zhuǎn)USB，醫(yī)院中心供氧實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)采集各臨床科室的供氧壓力、濃度及流量數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)通過CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)送至CAN總線接口，CAN總線接口利用串口或者串口轉(zhuǎn)USB將數(shù)據(jù)發(fā)送到中心供氧站的中心監(jiān)控電腦上。電源模塊采用USB供電和外部直流電源供電兩種方式，當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)，通過電源選擇按鍵選擇任一種供電方式，保證供電的安全性、有效性和穩(wěn)定性。

2 CAN總線接口轉(zhuǎn)換卡各模塊設(shè)計(jì)

2.1 CAN通信接口模塊

CAN總線接口采用MCP2515作為協(xié)議控制器，PCA82C250作為收發(fā)器；并且在MCP2515和CAN收發(fā)器之間增加光耦隔離器以增加系統(tǒng)的抗干擾能力，以有效提高系統(tǒng)的可靠性[4-5]，具體電路設(shè)計(jì)，見圖2。MCP2515可與任何帶有SPI接口的單片機(jī)直接相連，并且支持SPI1.1和SPI0.0模式。單片機(jī)通過SPI接口可以讀取接收緩沖器數(shù)據(jù)。MCP2515對(duì)CAN總線的數(shù)據(jù)發(fā)送沒有限制，只要采用單片機(jī)通過SPI接口將待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入MCP2515的發(fā)送緩沖器，然后在調(diào)用RTS（發(fā)送請求）命令即可將數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上。在時(shí)鐘SCK的下降沿，通過SO引腳把數(shù)據(jù)送出。操作中片選引腳CS保持低電平[6-8]。

MSP430F149可以通過內(nèi)置SPI接口和MCP2515直接連接，MCP2515的CLK與MSP430F149的UCLK0連接，為數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收提供同步時(shí)鐘信號(hào)；并在MCP2515和CAN收發(fā)器之間增加光耦隔離器ADUM1201以增加系統(tǒng)的抗干擾能力。收發(fā)器PCA82C250引腳CANH、CANL是CAN總線的接口，R906是CAN總線終端電阻，用來避免收發(fā)信號(hào)的反射，減少共模干擾。CAN通信接口模塊采用MCP2515作為協(xié)議控制器減少了系統(tǒng)的連線，簡化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具有較高的抗干擾能力。

圖2 CAN總線通信接口模塊電路設(shè)計(jì)

2.2 串口通信模塊

本系統(tǒng)采用串口轉(zhuǎn)USB進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。簡單的RS232串口通信速度慢且不能即插即用，但是傳統(tǒng)的USB接口設(shè)計(jì)又較為復(fù)雜，需要專門的USB驅(qū)動(dòng)芯片以及驅(qū)動(dòng)程序，會(huì)增加開發(fā)成本和開發(fā)周期。本文采用串口轉(zhuǎn)USB芯片來設(shè)計(jì)接口，這種方式集成了USB的優(yōu)點(diǎn)且其電路設(shè)計(jì)簡單，可避免繁瑣的USB協(xié)議和USB驅(qū)動(dòng)。另外，為了使CAN總線接口可以應(yīng)用于一些無USB而只有串口的設(shè)備上，CAN總線接口還設(shè)計(jì)了RS232串口通信接口，方便與RS232設(shè)備相連。

利用FT232BM可以方便地實(shí)現(xiàn)USB接口通信，F(xiàn)T232BM是一個(gè)UART轉(zhuǎn)USB的橋接器，可對(duì)RS232串口進(jìn)行相應(yīng)的操作，需要設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、停止位等串口屬性；在數(shù)據(jù)傳輸過程中按照USB協(xié)議進(jìn)行傳輸，可以加快數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?。通過這種方式，下位機(jī)和上位機(jī)的程序只需要對(duì)串口進(jìn)行編程操作，不需考慮橋接器的內(nèi)部傳輸機(jī)制。

串口通信模塊電路設(shè)計(jì)，見圖3。FT232BM外圍電路XTIN和XTOUT接6 MHz的外部晶振。將MSP430F149內(nèi)部經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號(hào)通過該芯片以USB傳輸格式傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，非常方便。

利用FT232BM的異步收發(fā)器（UART）實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)（MSP430F149）的串行接口，通過TXD、RXD、GND3根數(shù)據(jù)線分別與單片機(jī)的RXD、TXD、GND相連，完成與單片機(jī)的數(shù)據(jù)交換。FT232BM內(nèi)含兩個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)：128字節(jié)的發(fā)送緩沖區(qū)和384字節(jié)的接收緩沖區(qū)，均用于USB數(shù)據(jù)與串行I/O數(shù)據(jù)的交換緩沖區(qū)。只要USB的數(shù)據(jù)線D+、D-分別連接FT232BM的USBDM、USBDP管腳，就可以實(shí)現(xiàn)USB數(shù)據(jù)與單片機(jī)串行I/O數(shù)據(jù)的交換。

圖3 串口通信模塊電路設(shè)計(jì)

2.3 電源模塊

CAN總線接口采用兩種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的供電，電源模塊電路設(shè)計(jì)，見圖4。因?yàn)橛?jì)算機(jī)的USB接口能夠提供最大達(dá)5 V的電壓、500 mA的電流，只要進(jìn)行相應(yīng)的限流處理，就可以使一般的小型外部設(shè)備利用USB接口進(jìn)行供電，不需要其他外部設(shè)備，從而在不影響系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)上簡化電路的整體復(fù)雜度。

在計(jì)算機(jī)USB接口負(fù)載不了系統(tǒng)工作時(shí)，可通過一個(gè)外部直流電源供電，然后通過78M05芯片將外部直流電源穩(wěn)壓至5 V。通過選擇開關(guān)選擇所需要的供電電源。

整個(gè)系統(tǒng)采用+5 V和+3.3 V供電，故在外部接通電源后，將電源通過隔離穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓至+5 V，將隔離過后的電壓再通過LM1117低壓差電壓調(diào)節(jié)器穩(wěn)壓到+3.3 V，并且提供電流限制和熱保護(hù)。

CAN總線接口設(shè)計(jì)中，需要+3.3 V供電的芯片包括MSP430F149、MCP2515等；需要+5.0 V供電的芯片包括光耦A(yù)DUM1201、FT232BM等。電源電路負(fù)責(zé)向整個(gè)CAN總線接口的元器件提供穩(wěn)定電壓。測試表明，電源電路對(duì)系統(tǒng)的供電安全、有效、穩(wěn)定。

圖4 電源模塊電路設(shè)計(jì)

3 CAN總線接口轉(zhuǎn)換卡功能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證筆者設(shè)計(jì)的CAN總線接口的功能，在上位機(jī)上通過串口轉(zhuǎn)USB接口向CAN總線接口不停地發(fā)送數(shù)據(jù)，然后利用設(shè)計(jì)的CAN總線接口把接收到的串口數(shù)據(jù)向USB-CAN適配器發(fā)送。其中CAN總線接口采用的幀格式選擇標(biāo)準(zhǔn)幀格式，串口發(fā)送的數(shù)據(jù)為0X01至0X08。結(jié)果表明，CAN總線接口可以正常工作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收等功能，基本達(dá)到了實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

4 結(jié)論

筆者針對(duì)醫(yī)院中心供氧實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸和控制的要求，采用微處理器MSP430F149搭載CAN協(xié)議控制器MCP2515及收發(fā)驅(qū)動(dòng)器PCA82C250設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了醫(yī)院中心供氧實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的CAN總線接口轉(zhuǎn)換卡。該CAN總線接口通過其SPI接口實(shí)現(xiàn)了微處理器MSP430F149的CAN接口擴(kuò)展，且可以滿足對(duì)中心供氧實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中CAN總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

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