醫院中心供氧實時監控系統的CAN總線接口設計

萇飛霸，尹軍，王俐，顏樂先，陳維平，徐力

第三軍醫大學大坪醫院野戰外科研究所醫學工程科，重慶 400042

0 前言

目前，全國大部分醫院都采用中心供氧，通過管道將醫用氧氣直接輸送到各臨床科室。中心供氧站實行24 h值班制，能監測并及時處理供氧站出現的故障。但由于種種技術原因，多數醫院在建造中心供氧設施時，在一級科室都沒有設置氧氣監測、計量裝置。這樣，因管道故障造成臨床科室氧氣壓強不足時，通常需依靠使用氧氣的生命支持設備如呼吸機的報警才能推測出該故障；科室實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醫院以病人安全為中心的服務理念以及精細化管理的需求。因此，醫院需要在每一個臨床科室的供氧輸入端設置氧氣監測與控制裝置，并使得中心供氧站可以實時監測各臨床科室的供氧壓力、濃度及流量數據，并對供氧出現的一些意外情況進行及時處理。

控制器局域網（Controller Area Network，CAN）總線是一種“多主機”現場總線局域網，其通信網絡具有抗干擾強、高度可靠、實時高效、成本低廉等特征，目前廣泛應用于工業過程控制、軌道交通管理、紡織機械、農業器具、機器人、醫療器械、傳感監測、環境控制等領域[2-3]。

醫院中心供氧實時監控系統利用基于CAN總線通信網絡的醫院中心供氧監測與控制技術，在每一個臨床科室供氧輸入端設置氧氣監測與控制裝置，采集各臨床科室的供氧壓力、濃度及流量數據，通過CAN總線通信網絡送至中心供氧站的中心監控電腦上；在中心監控電腦上通過監控軟件，能遠程監測各臨床科室的供氧壓力、濃度及流量數據，能對氧壓、氧濃度不足進行報警，能對科室用氧量進行計量計費，并在病區出現火情時，能遠程自動或手動控制氧氣監測與控制裝置以關閉病區氧氣供應，保證供氧安全，提高供氧管理水平；同時病區供氧情況不再需要醫護人員進行監測，減少了醫護人員的額外工作量。

1 CAN總線接口轉換卡總體設計

醫院中心供氧實時監控系統的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。總體設計框圖，見圖1。

圖1 CAN總線接口轉換卡總體設計框圖

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，實現微處理器的CAN總線接口擴展。MSP430F149對MCP2515進行初始化并通過控制MCP2515實現數據的接收和發送。串口通信模塊主要包括通信串口和串口轉USB，醫院中心供氧實時監控系統采集各臨床科室的供氧壓力、濃度及流量數據，并將采集的數據通過CAN總線通信網絡送至CAN總線接口，CAN總線接口利用串口或者串口轉USB將數據發送到中心供氧站的中心監控電腦上。電源模塊采用USB供電和外部直流電源供電兩種方式，當系統工作時，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、有效性和穩定性。

2 CAN總線接口轉換卡各模塊設計

2.1 CAN通信接口模塊

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

MSP430F149可以通過內置SPI接口和MCP2515直接連接，MCP2515的CLK與MSP430F149的UCLK0連接，為數據的發送和接收提供同步時鐘信號；并在MCP2515和CAN收發器之間增加光耦隔離器ADUM1201以增加系統的抗干擾能力。收發器PCA82C250引腳CANH、CANL是CAN總線的接口，R906是CAN總線終端電阻，用來避免收發信號的反射，減少共模干擾。CAN通信接口模塊采用MCP2515作為協議控制器減少了系統的連線，簡化了系統的設計，具有較高的抗干擾能力。

圖2 CAN總線通信接口模塊電路設計

2.2 串口通信模塊

本系統采用串口轉USB進行數據傳輸。簡單的RS232串口通信速度慢且不能即插即用，但是傳統的USB接口設計又較為復雜，需要專門的USB驅動芯片以及驅動程序，會增加開發成本和開發周期。本文采用串口轉USB芯片來設計接口，這種方式集成了USB的優點且其電路設計簡單，可避免繁瑣的USB協議和USB驅動。另外，為了使CAN總線接口可以應用于一些無USB而只有串口的設備上，CAN總線接口還設計了RS232串口通信接口，方便與RS232設備相連。

利用FT232BM可以方便地實現USB接口通信，FT232BM是一個UART轉USB的橋接器，可對RS232串口進行相應的操作，需要設置波特率、數據位、停止位等串口屬性；在數據傳輸過程中按照USB協議進行傳輸，可以加快數據傳輸的速度。通過這種方式，下位機和上位機的程序只需要對串口進行編程操作，不需考慮橋接器的內部傳輸機制。

串口通信模塊電路設計，見圖3。FT232BM外圍電路XTIN和XTOUT接6 MHz的外部晶振。將MSP430F149內部經A/D轉化后的數字信號通過該芯片以USB傳輸格式傳輸到上位機，非常方便。

利用FT232BM的異步收發器（UART）實現與單片機（MSP430F149）的串行接口，通過TXD、RXD、GND3根數據線分別與單片機的RXD、TXD、GND相連，完成與單片機的數據交換。FT232BM內含兩個數據緩沖區：128字節的發送緩沖區和384字節的接收緩沖區，均用于USB數據與串行I/O數據的交換緩沖區。只要USB的數據線D+、D-分別連接FT232BM的USBDM、USBDP管腳，就可以實現USB數據與單片機串行I/O數據的交換。

圖3 串口通信模塊電路設計

2.3 電源模塊

CAN總線接口采用兩種方式實現對系統的供電，電源模塊電路設計，見圖4。因為計算機的USB接口能夠提供最大達5 V的電壓、500 mA的電流，只要進行相應的限流處理，就可以使一般的小型外部設備利用USB接口進行供電，不需要其他外部設備，從而在不影響系統工作的基礎上簡化電路的整體復雜度。

在計算機USB接口負載不了系統工作時，可通過一個外部直流電源供電，然后通過78M05芯片將外部直流電源穩壓至5 V。通過選擇開關選擇所需要的供電電源。

整個系統采用+5 V和+3.3 V供電，故在外部接通電源后，將電源通過隔離穩壓芯片穩壓至+5 V，將隔離過后的電壓再通過LM1117低壓差電壓調節器穩壓到+3.3 V，并且提供電流限制和熱保護。

CAN總線接口設計中，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ADUM1201、FT232BM等。電源電路負責向整個CAN總線接口的元器件提供穩定電壓。測試表明，電源電路對系統的供電安全、有效、穩定。

圖4 電源模塊電路設計

3 CAN總線接口轉換卡功能驗證

為了驗證筆者設計的CAN總線接口的功能，在上位機上通過串口轉USB接口向CAN總線接口不停地發送數據，然后利用設計的CAN總線接口把接收到的串口數據向USB-CAN適配器發送。其中CAN總線接口采用的幀格式選擇標準幀格式，串口發送的數據為0X01至0X08。結果表明，CAN總線接口可以正常工作，實現數據的發送、接收等功能，基本達到了實驗目的。

4 結論

筆者針對醫院中心供氧實時監控系統數據傳輸和控制的要求，采用微處理器MSP430F149搭載CAN協議控制器MCP2515及收發驅動器PCA82C250設計并實現了醫院中心供氧實時監控系統的CAN總線接口轉換卡。該CAN總線接口通過其SPI接口實現了微處理器MSP430F149的CAN接口擴展，且可以滿足對中心供氧實時監控系統中CAN總線數據傳輸的需求。

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