基于CAN通信的醫(yī)院中心供氧監(jiān)控系統(tǒng)的研究

周德強，尹軍，顏樂先，萇飛霸，魏安海，李姝穎

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

基于CAN通信的醫(yī)院中心供氧監(jiān)控系統(tǒng)的研究

周德強，尹軍，顏樂先，萇飛霸，魏安海，李姝穎

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

目的 研制一套基于CAN總線的遠程實時監(jiān)控中心供氧系統(tǒng)。方法 在各臨床科室供氧輸入端安裝氧氣監(jiān)控裝置，采集供氧壓力、流量和用氧量等參數(shù)，并通過CAN總線將其遠程傳送至中心供氧上位機。結果 氧氣監(jiān)控裝置能正常地采集壓力、流量和用氧量等參數(shù)并將其傳送至上位機，能正常地響應并執(zhí)行上位機的控制命令；上位機能正常地顯示監(jiān)控狀態(tài)。結論 該監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)中心供氧的遠程監(jiān)控，提高供氧管理效率。

CAN總線；中心供氧；遠程監(jiān)控；氧氣監(jiān)控裝置

0 前言

中心供氧系統(tǒng)具有使用方便快捷、可適應醫(yī)院大規(guī)模發(fā)展需求的特性，已成為現(xiàn)代化醫(yī)院不可或缺的重要設施。由于技術方面的原因，我國大部分醫(yī)院在早期構建中心供氧設施時采用機械表盤顯示壓力、流量和總使用量等數(shù)據，無法實行組網自動化管理，需醫(yī)工人員24 h值班巡檢以保證供氧安全。

鑒于此，筆者研制了一套中心供氧監(jiān)控系統(tǒng)，具有可遠程監(jiān)測供氧壓力、流量和使用量等參數(shù)，對氧壓不足進行報警，對科室用氧進行計量計費等功能；此外，該系統(tǒng)還具有可遠程自動或手動控制氧氣監(jiān)控裝置以保證供氧安全，減少醫(yī)工人員巡檢工作量以提高供氧管理效率等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)規(guī)劃與實現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)設計方案

根據醫(yī)院中心供氧站的氧源壓力為0.5 MPa、設備氧源壓力為0.4 MPa的需求，選擇輸出為4～20 mA的LD183A型壓力變送器（合肥雷德電子科技有限公司生產）作為系統(tǒng)的壓力傳感器；根據醫(yī)院各科室氧流量為0～200 L/M的需求，選擇輸出為RS485的MF5712-N-200型流量傳感器（矽翔微機電系統(tǒng)有限公司生產）作為系統(tǒng)的流量傳感器；選擇具有12位模數(shù)轉換器及內部參考電壓源，支持雙串口和SPI的MSP430F149單片機作為系統(tǒng)氧氣監(jiān)控裝置的主控芯片[1-5]；選擇容錯機制好、無節(jié)點錯誤影、對工業(yè)環(huán)境適應能力強的CAN總線作為遠程通信方式[6-10]。系統(tǒng)設計框架圖，見圖1。

圖1 系統(tǒng)設計框架圖

監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理為：壓力傳感器和流量傳感器采集供氧參數(shù)后將其傳送至主控芯片MSP430F149，數(shù)據經主控芯片處理后通過LED在下位機實時顯示，并通過CAN總線上傳至上位機。數(shù)據如有異常，則上位機進行報警提示，并自動或手動遠程關閉或打開下位機電磁閥。

1.2 氧氣監(jiān)控裝置主要硬件電路設計

1.2.1 數(shù)據采集接收電路

數(shù)據采集接收電路圖，見圖2。壓力傳感器輸出4～20 mA的電流信號接入P5（P6），經過高精度電阻R5、R6（R7、R8）轉換成0.5～2.5 V的電壓信號，再經過電容C6（C7）濾波、LM358射隨穩(wěn)壓后，送入MSP430F149的AD采樣端口P6.1（P6.0）；流量傳感器輸出形式為RS485，分別對應接入A、B，通過MAX1490A和74HC86轉換后接入MSP430F149串口P3.4、P3.5；MSP430F149接收到壓力傳感器和流量傳感器數(shù)據后進行轉換處理，通過LED進行顯示，并將處理后的數(shù)據傳輸給CAN協(xié)議控制器MCP2515。

圖2 數(shù)據采集接收電路圖

1.2.2 CAN通信電路

CAN通信電路圖，見圖3。CAN通信電路選擇MCP2515作為協(xié)議控制器，MCP2515自帶的兩個驗收屏蔽寄存器和6個驗收濾波寄存器可以過濾掉不想要的報文，從而減少主單片機（MCU）的開銷[11-12]；選擇ADUM1201作為3 V/5 V電平轉換隔離器，其具有優(yōu)于光耦合器替代器件的出色性能；選擇PCA82C250作為CAN收發(fā)器，PCA82C250 是CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，可為CAN總線提供差動發(fā)送能力并為CAN控制器提供差動接收能力[13]。MSP430F149將處理后的數(shù)據通過SPI通信方式傳輸給MCP2515，經ADUM1201數(shù)字隔離后再通過CAN收發(fā)器PCA82C250發(fā)送至CAN總線上傳至上位機。

圖3 CAN通信電路圖

1.3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)上電或復位開機后，首先進行初始化，包括MCU串口工作方式、時鐘頻率、中斷觸發(fā)方式、定時器工作模式、引腳工作模式、模數(shù)轉換器工作方式等的初始化。系統(tǒng)初始化后，MCU以中斷等待方式判斷是否需要進行電磁閥的控制操作，同時進行數(shù)據采集，對轉換處理后的數(shù)據進行顯示，并通過SPI通信方式將數(shù)據傳送至MCP2515，再通過CAN總線上傳至中心供氧站的上位機；上位機接收到上傳數(shù)據后，對其進行處理和實時顯示，并比較其是否高于或低于設定閾值，如果否則不執(zhí)行其他操作，如果是則進行報警并判定其是否達到電磁閥自動關閉條件，如果否則只行報警操作，如果是則向下位機發(fā)送電磁閥關閉指令，MCU接收到上位機指令后關閉相應電磁閥。系統(tǒng)軟件采用模塊化結構的設計方法來實現(xiàn)，根據系統(tǒng)功能主要分為3部分：① MSP430F149對數(shù)據的采集處理、LED顯示以及控制電磁閥的下位機部分；② 數(shù)據的上傳以及指令下行的通信部分；③ 在中心供氧站主機上進行處理顯示的上位機部分。系統(tǒng)軟件流程圖，見圖4。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

2 測試驗證

測試方式：采用ID0和ID2兩個節(jié)點的下位機做參照對比實驗，使ID0節(jié)點處于關閉狀態(tài)，ID2節(jié)點處于正常工作狀態(tài)。測試結果見圖5。圖5（1）所示為系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)顯示欄，主要功能是顯示系統(tǒng)運行時的詳細狀態(tài)參數(shù)，如CAN總線通信速率、工作模式、指令操作次數(shù)統(tǒng)計等。圖5（2）所示為ID0節(jié)點下位機的工作狀態(tài)及參數(shù)情況，流量與壓力指示燈均為紅色，表示均處于未正常運行狀態(tài)；電磁閥1、電磁閥2指示燈均為灰色，表示電磁閥均處于關閉狀態(tài)；由于ID0節(jié)點下位機處于關閉狀態(tài)，無流量、壓力等數(shù)據的上傳，故流量、壓力數(shù)值顯示處無顯示數(shù)值，流量、壓力波形顯示框內也無波形顯示。圖5（3）所示為ID2節(jié)點下位機的工作狀態(tài)及參數(shù)情況，流量與壓力指示燈均為綠色，表示均處于正常運行狀態(tài)，且此時該節(jié)點的實時流量為103 L/M、總流量為1.312 m3、壓力為0.400 MPa；電磁閥1指示燈為綠色，表示電磁閥1處于打開狀態(tài)，電磁閥2指示燈為灰色，表示電磁閥2處于關閉狀態(tài)；流量、壓力波形顯示框內有當前100 s內相對應的波形顯示，也可以通過拖動時間軸查看更多的波形記錄。如果希望手動打開或者關閉某一電磁閥，可以通過在圖5（1）所示ID處手動輸入相對應的節(jié)點ID號、Data處輸入電磁閥序號和開關指令，然后點擊發(fā)送即可完成操作，還可以直接選定對應電磁閥的指示燈進行點擊，完成對應電磁閥的打開與關閉操作的切換。常地響應并執(zhí)行上位機的控制命令；上位機能正常顯示監(jiān)控狀態(tài)；該監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)中心供氧的遠程監(jiān)控，提高供氧管理效率。

圖5 測試結果圖

3 結語

該監(jiān)控系統(tǒng)壓力測量范圍為0～1 MPa，流量測量范圍為0～200 L/M，最多可掛載112個氧氣監(jiān)控裝置節(jié)點；遠程通信方面，系統(tǒng)CAN總線在容錯機制、節(jié)點錯誤影響和抗干擾性方面有著很好的性能，能很好地適應工業(yè)環(huán)境；軟件設計方面，系統(tǒng)采用模塊化設計，便于軟件系統(tǒng)的調試和優(yōu)化。測試結果表明，系統(tǒng)氧氣監(jiān)控裝置能正常地采集壓力、流量和用氧量等參數(shù)并將其傳送至上位機，能正

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Research on Monitoring System for Hospital Central Oxygen Supply Based on CAN Communication

ZHOU De-qiang, YIN J un, YAN Le-xian, CHANG Fei-ba, WEI An-hai, LI Shu-ying
Department of Medical Engineering, Institute of Field Surgery, Daping Hospital, Third Military Medical University, Chongqing 400042, China

Objective To develop a set of remote and real-time monitoring system for central oxygen supply based on CAN total line. Methods Oxygen monitoring devices were installed in each clinical department to collect various parameters including oxygen pressure, oxygen flow and oxygen consumption. Then the above parameters were transmitted to the upper computer of central oxygen supply through CAN total line. Results Oxygen monitoring devices can collect oxygen supply parameters and transmit the parameters to the upper computer as well as can respond and execute the control commands from the upper computer normally. The upper computer can display monitoring status normally. Conclusion The monitoring system which can implement the remote monitoring of central oxygen supply will improve the management effi ciency of oxygen supply.

CAN total line; central oxygen supply; remote monitoring; oxygen monitoring device

TP277

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.01.007

1674-1633(2015)01-0028-03

2014-08-01

2014-09-15

重慶市科技攻關計劃項目（CSTC，2012gg-yyjs10025）。

本文作者：周德強，助理工程師，研究方向為醫(yī)療儀器與電子信息工程。

尹軍，高級工程師，研究方向為醫(yī)療設備與耗材的管理與醫(yī)療儀器研發(fā)

作者郵箱：zhoudeqiang520@126.com