周德強(qiáng)，尹軍，顏樂先，萇飛霸，魏安海，李姝穎

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

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(qiáng)，尹軍，顏樂先，萇飛霸，魏安海，李姝穎

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

目的 研制一套基于CAN總線的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)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(yuǎn)程傳送至中心供氧上位機(jī)。結(jié)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(jī)，能正常地響應(yīng)并執(zhí)行上位機(jī)的控制命令；上位機(jī)能正常地顯示監(jiān)控狀態(tài)。結(jié)論 該監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)中心供氧的遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高供氧管理效率。

CAN總線；中心供氧；遠(yuǎn)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(yīng)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(shè)施。由于技術(shù)方面的原因，我國大部分醫(yī)院在早期構(gòu)建中心供氧設(shè)施時(shí)采用機(jī)械表盤顯示壓力、流量和總使用量等數(shù)據(jù)，無法實(shí)行組網(wǎng)自動(dòng)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(yuǎn)程監(jiān)測供氧壓力、流量和使用量等參數(shù)，對氧壓不足進(jìn)行報(bào)警，對科室用氧進(jìn)行計(jì)量計(jì)費(fèi)等功能；此外，該系統(tǒng)還具有可遠(yuǎn)程自動(dòng)或手動(dòng)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(diǎn)。

1 系統(tǒng)規(guī)劃與實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)醫(yī)院中心供氧站的氧源壓力為0.5 MPa、設(shè)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(chǎn)）作為系統(tǒng)的壓力傳感器；根據(jù)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(jī)電系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)）作為系統(tǒng)的流量傳感器；選擇具有12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器及內(nèi)部參考電壓源，支持雙串口和SPI的MSP430F149單片機(jī)作為系統(tǒng)氧氣監(jiān)控裝置的主控芯片[1-5]；選擇容錯(cuò)機(jī)制好、無節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤影、對工業(yè)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的CAN總線作為遠(yuǎn)程通信方式[6-10]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架圖，見圖1。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jù)經(jīng)主控芯片處理后通過LED在下位機(jī)實(shí)時(shí)顯示，并通過CAN總線上傳至上位機(jī)。數(shù)據(jù)如有異常，則上位機(jī)進(jìn)行報(bào)警提示，并自動(dòng)或手動(dòng)遠(yuǎn)程關(guān)閉或打開下位機(jī)電磁閥。

1.2 氧氣監(jiān)控裝置主要硬件電路設(shè)計(jì)

1.2.1 數(shù)據(jù)采集接收電路

數(shù)據(jù)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(hào)接入P5（P6），經(jīng)過高精度電阻R5、R6（R7、R8）轉(zhuǎn)換成0.5～2.5 V的電壓信號(hào)，再經(jīng)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(yīng)接入A、B，通過MAX1490A和74HC86轉(zhuǎn)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(jù)后進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，通過LED進(jìn)行顯示，并將處理后的數(shù)據(jù)傳輸給CAN協(xié)議控制器MCP2515。

圖2 數(shù)據(jù)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(gè)驗(yàn)收屏蔽寄存器和6個(gè)驗(yàn)收濾波寄存器可以過濾掉不想要的報(bào)文，從而減少主單片機(jī)（MCU）的開銷[11-12]；選擇ADUM1201作為3 V/5 V電平轉(zhuǎn)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(dòng)發(fā)送能力并為CAN控制器提供差動(dòng)接收能力[13]。MSP430F149將處理后的數(shù)據(jù)通過SPI通信方式傳輸給MCP2515，經(jīng)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(jī)。

圖3 CAN通信電路圖

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電或復(fù)位開機(jī)后，首先進(jìn)行初始化，包括MCU串口工作方式、時(shí)鐘頻率、中斷觸發(fā)方式、定時(shí)器工作模式、引腳工作模式、模數(shù)轉(zhuǎn)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(jìn)行電磁閥的控制操作，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對轉(zhuǎn)換處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，并通過SPI通信方式將數(shù)據(jù)傳送至MCP2515，再通過CAN總線上傳至中心供氧站的上位機(jī)；上位機(jī)接收到上傳數(shù)據(jù)后，對其進(jìn)行處理和實(shí)時(shí)顯示，并比較其是否高于或低于設(shè)定閾值，如果否則不執(zhí)行其他操作，如果是則進(jìn)行報(bào)警并判定其是否達(dá)到電磁閥自動(dòng)關(guān)閉條件，如果否則只行報(bào)警操作，如果是則向下位機(jī)發(fā)送電磁閥關(guān)閉指令，MCU接收到上位機(jī)指令后關(guān)閉相應(yīng)電磁閥。系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)系統(tǒng)功能主要分為3部分：① MSP430F149對數(shù)據(jù)的采集處理、LED顯示以及控制電磁閥的下位機(jī)部分；② 數(shù)據(jù)的上傳以及指令下行的通信部分；③ 在中心供氧站主機(jī)上進(jìn)行處理顯示的上位機(jī)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(yàn)證

測試方式：采用ID0和ID2兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的下位機(jī)做參照對比實(shí)驗(yàn)，使ID0節(jié)點(diǎn)處于關(guān)閉狀態(tài)，ID2節(jié)點(diǎn)處于正常工作狀態(tài)。測試結(jié)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(yùn)行時(shí)的詳細(xì)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(jì)等。圖5（2）所示為ID0節(jié)點(diǎn)下位機(jī)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(yùn)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(guān)閉狀態(tài)；由于ID0節(jié)點(diǎn)下位機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)，無流量、壓力等數(shù)據(jù)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(nèi)也無波形顯示。圖5（3）所示為ID2節(jié)點(diǎn)下位機(jī)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(yùn)行狀態(tài)，且此時(shí)該節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)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(guān)閉狀態(tài)；流量、壓力波形顯示框內(nèi)有當(dāng)前100 s內(nèi)相對應(yīng)的波形顯示，也可以通過拖動(dòng)時(shí)間軸查看更多的波形記錄。如果希望手動(dòng)打開或者關(guān)閉某一電磁閥，可以通過在圖5（1）所示ID處手動(dòng)輸入相對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)ID號(hào)、Data處輸入電磁閥序號(hào)和開關(guān)指令，然后點(diǎn)擊發(fā)送即可完成操作，還可以直接選定對應(yīng)電磁閥的指示燈進(jìn)行點(diǎn)擊，完成對應(yīng)電磁閥的打開與關(guān)閉操作的切換。常地響應(yīng)并執(zhí)行上位機(jī)的控制命令；上位機(jī)能正常顯示監(jiān)控狀態(tài)；該監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)中心供氧的遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高供氧管理效率。

圖5 測試結(jié)果圖

3 結(jié)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(gè)氧氣監(jiān)控裝置節(jié)點(diǎn)；遠(yuǎn)程通信方面，系統(tǒng)CAN總線在容錯(cuò)機(jī)制、節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤影響和抗干擾性方面有著很好的性能，能很好地適應(yīng)工業(yè)環(huán)境；軟件設(shè)計(jì)方面，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，便于軟件系統(tǒng)的調(diào)試和優(yōu)化。測試結(jié)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(jī)，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(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（CSTC，2012gg-yyjs10025）。

本文作者：周德強(qiáng)，助理工程師，研究方向?yàn)獒t(yī)療儀器與電子信息工程。

尹軍，高級工程師，研究方向?yàn)獒t(yī)療設(shè)備與耗材的管理與醫(yī)療儀器研發(fā)

作者郵箱：zhoudeqiang520@126.com