錢孝云

（上海西門子醫(yī)療器械有限公司，上海 201318）

0 引言

磁共振MRI利用人體在強(qiáng)大的靜磁場下按時疊加梯度磁場和射頻磁場，在某一頻率附近產(chǎn)生對高頻電磁場的共振吸收、當(dāng)射頻RF停止人體中的氫質(zhì)子釋放能量而成像的大型醫(yī)療設(shè)備。CAN作為一種實時、高容錯的通信協(xié)議在MRI系統(tǒng)中被廣泛的應(yīng)用，但是由于MRI的強(qiáng)磁場和R F射頻的特殊應(yīng)用環(huán)境，CAN的傳輸方式在MRI系統(tǒng)中不是采用常用的雙絞線傳輸，而是通過POF（塑料光纖）來進(jìn)行傳輸?shù)?。在雙絞線傳輸?shù)腃AN系統(tǒng)中，各個節(jié)點可以按總線型拓?fù)?、心型拓?fù)涞确绞街苯訏旖釉诳偩€上即可，而在CAN光纖傳輸?shù)南到y(tǒng)中，由于光信號只能單向傳輸，無法直接掛接，因此需要特定的電路設(shè)計。另外，在系統(tǒng)具有多個CAN光纖節(jié)點的情況下，如何設(shè)計能夠連接多個節(jié)點的光纖CAN中繼也是MRI總系統(tǒng)架構(gòu)的重要議題。

1 MRI系統(tǒng)CAN拓?fù)?/h2>

在圖1的MRI系統(tǒng)CAN拓?fù)渲?，系統(tǒng)主機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)和CAN中繼相連，CAN中繼擴(kuò)展出CAN0、CAN1、CAN2、CAN3等多個CAN的鏈 路，MRI系統(tǒng)中，連接在CAN總線上的節(jié)點可能有：冷卻系統(tǒng)，氦氣壓縮系統(tǒng)，磁體監(jiān)控系統(tǒng)，控制面板，病床，磁體電源系統(tǒng)，R F射頻系統(tǒng)等。從物理上來看，MRI主機(jī)位于診斷室內(nèi)，藍(lán)色虛線框內(nèi)的部件位于MRI系統(tǒng)的磁體中，而橙色虛線框內(nèi)的部件位于病床子系統(tǒng)內(nèi)。其中MRI主機(jī)和系統(tǒng)CAN中繼通過千兆局域網(wǎng)相連，系統(tǒng)CAN中繼擴(kuò)展出多個CAN的鏈路分別連接各節(jié)點，位于磁體外側(cè)的病床系統(tǒng)是CAN鏈路的衍生節(jié)點。

圖1 一種MRI系統(tǒng)的CAN拓?fù)?/p>

病床內(nèi)包含驅(qū)動器、病床監(jiān)控、燈光裝飾等多個光纖CAN節(jié)點，但是由于病床屬于子系統(tǒng)模塊，不能夠采用架構(gòu)復(fù)雜、成本高昂的系統(tǒng)CAN中繼方案，因此病床內(nèi)需要特殊設(shè)計的光纖CAN中繼來連接這些節(jié)點，這也是本文主要討論和論述的內(nèi)容。

2 病床光纖CAN設(shè)計

2.1 CAN雙絞線通信模型

按照前面所述，在MRI系統(tǒng)中的CAN通信線纜為光纖，光纖的單向性決定了光纖CAN節(jié)點不能采用通用的CAN收發(fā)器如82C25x（x=0，1，2）、SN65HVD251、TCAN1042等芯片直接驅(qū)動和接收來自光纖的信號，CAN通信在雙絞線傳輸?shù)哪Ｐ腿鐖D2所示，CAN控制器的兩個TTL信號TXD和RXD傳輸至CAN收發(fā)器，CAN收發(fā)器將其轉(zhuǎn)換差分信號CANH和CANL發(fā)送到連接器X1和X2，其中X1和X2用于連接CAN總線的前后節(jié)點。

圖2 雙絞線CAN通信拓?fù)?/p>

以隔離型收發(fā)器ISO1050為例，其驅(qū)動接收的真值表如表1所示，CAN控制器的TXD和RXD的對應(yīng)于總線上的CANH和CANL的不同電平狀態(tài)，從而決定了總線的顯性和隱性狀態(tài)。CANH的H電平為3.5 V，隱性電平為2.5 V，CANL的L電平為1.5 V，隱性電平為2.5 V（注：這里以及本文所列出的具體電氣值都是在特定條件下的測試值，實際應(yīng)用中會存在一定的偏差，偏差值和使用環(huán)境以及芯片相關(guān)，實際使用時請參考芯片手冊）。需要特別說明的是，表1中RXD和TXD的H值和前端CAN控制器有關(guān)，如果控制器的IO高電平是5 V，那么TXD和RXD的H即為5 V，如果控制器的IO高電平為3.3 V或是1.8 V，那么TXD和RXD的H即表示3.3 V和1.8 V，（對應(yīng)ISO1050來說，IO高電平為5 V或者3.3 V），L電平一般來說都為0 V。在表1中：

表1 ISO1050真值表

（1）當(dāng)ISO1050作為驅(qū)動輸出時，TXD的電平狀態(tài)決定了總線的狀態(tài)。TXD為L時（0 V），對應(yīng)差分端CANH為H（3.5 V/5 V），CANL為L （1.5 V ），總線上有差分電壓（2 V），狀態(tài)為顯性。反之，TXD為H時（控制器IO高電平）或者開路時，CANH和CANL處于高阻態(tài)，總線狀態(tài)為隱性。

（2）當(dāng)ISO1050作為接收端時，總線上的差分電平Vid決定了控制器的輸入信號RXD的電平值，當(dāng)Vid大于等于0.9 V，RXD的為L，輸入信號有效，當(dāng)Vid處于其他的范圍或者open時，RXD位于高電平或者不確定值，這時候無有效通信數(shù)據(jù)。

在雙絞線通信模型中，CANH和CANL的顯性和隱形通信電平在3.5 V，2.5 V和1.5 V之間切換，這樣的電平值對應(yīng)光纖中的激光LED來說比較難以控制，LED的導(dǎo)通電壓一般在2 V左右，關(guān)閉電壓小于1.5 V，所以雙絞線的通信模型中的CAN收發(fā)器不適用于光纖通信，而是用CAN控制器的TTL信號直接連接光纖和遠(yuǎn)端CAN光纖節(jié)點通信。

2.2 單節(jié)點CAN光纖通信拓?fù)?/h3>

單節(jié)點光纖CAN的通信拓?fù)浔容^簡單，如圖3所示，CAN控制器1和TXD1經(jīng)發(fā)送驅(qū)動發(fā)送給光纖發(fā)送器1，經(jīng)光纖1和光纖接收器2相連，再有接收驅(qū)動后輸出RXD2給CAN控制器2，同理，TXD2到RXD1的傳輸原理和TXD1到RXD2的傳輸原理一樣。

在圖3中的光纖發(fā)送器可以采用Broadcom公司的AFBR1528CZ，接收光纖使用AFBR2528CZ，（也可以采用AFBR其他系列，詳情請參考官網(wǎng)），其數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)10 MB/s，在1 mm的塑料光纖中可以傳輸50 m，適合用于CAN傳輸。發(fā)送驅(qū)動和接收驅(qū)動采用CMOS邏輯門如74LVCxx或者TTL邏輯門74AHCT125等即可，輸出電流可以達(dá)到20 mA以上。

這樣的點到點通信結(jié)構(gòu)簡單，但是不能滿足MRI的應(yīng)用要求，在圖1中，病床CAN中繼器上端連接磁體光纖，下端連接的設(shè)備有電機(jī)驅(qū)動器（水平運(yùn)動和垂直運(yùn)動）、病床監(jiān)控測試、燈光裝飾節(jié)點，需要多個光纖節(jié)點相連，因而需要不同的設(shè)計和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如1.2.3。

圖3 單節(jié)點到單節(jié)點光纖CAN通信拓?fù)?/p>

圖4 多節(jié)點病床光纖CAN通信拓?fù)?/p>

2.3 多節(jié)點病床CAN光纖通信拓?fù)?/h3>

如圖4所示，在MRI的病床端，包含病床CAN控制器提供兩路節(jié)點CAN 1和CAN 2，節(jié)點CAN1的CAN_TXD1/CAN_RXD1經(jīng)過CAN收發(fā)器11和病床水平運(yùn)動電氣驅(qū)動器、垂直運(yùn)動電機(jī)驅(qū)動器等節(jié)點鏈接，同時CAN1H/CAN1L也經(jīng)CAN收發(fā)器12重新轉(zhuǎn)換為TTL信號CAN_TXD12/CAN_RXD12，TTL信號經(jīng)過光纖發(fā)送驅(qū)動1、接收驅(qū)動1鏈接到光纖發(fā)送器1，光纖接收器1，進(jìn)而經(jīng)長距離光纖對1和MRI的磁體CAN中繼控制器鏈接，實現(xiàn)磁體和病床的通信。在這個CAN的鏈路上，水平運(yùn)動電機(jī)驅(qū)動器和垂直運(yùn)動電機(jī)驅(qū)動器和病床節(jié)點1通過屏蔽雙絞線相連，因為這些節(jié)點位于同一個電磁屏蔽罩殼內(nèi)，因而可以省去光纖連接，簡化設(shè)計。

另一路節(jié)點CAN2的設(shè)計和CAN1不同，CAN2設(shè)計為可以同時和其他兩路光纖節(jié)點通信。設(shè)計原理如下。

當(dāng)CAN2和監(jiān)控測試光纖節(jié)點2通信時，發(fā)送數(shù)據(jù)時，CAN_TXD2經(jīng)與門1（光纖節(jié)點1無數(shù)據(jù)發(fā)出時的RXD111為高，對與門沒有影響，下面其他與門連接原理類似）、發(fā)送驅(qū)動22、光纖發(fā)送器22發(fā)送到CAN_TXD22。接收數(shù)據(jù)時，監(jiān)控節(jié)點的CAN_RXD22經(jīng)光纖接收器22、接收驅(qū)動22、與門2、與門3連接到CAN_RXD2。

當(dāng)CAN2和燈光光纖節(jié)點1通信時，CAN_TXD2經(jīng)與門2、發(fā)送驅(qū)動11、光纖發(fā)送器11連接到CAN_TXD11。接 收數(shù)據(jù)時，燈光節(jié)點的CAN_TXD11經(jīng)光纖接收器11、接收驅(qū)動11、與門1、與門3連接到CAN_RXD2。

當(dāng)燈光光纖節(jié)點1和監(jiān)控測試光纖節(jié)點2通信時，CAN_TXD11經(jīng)光纖接收器11、接收驅(qū)動11、與門1、發(fā)送驅(qū)動22、光纖發(fā)送器22連接到CAN_RXD22，接收數(shù)據(jù)時，CAN_TXD22經(jīng)光纖接收器22、接收驅(qū)動22、與門2、發(fā)送驅(qū)動11、光纖發(fā)送器11連接到CAN_RXD11。在病床CAN控制器的內(nèi)部，節(jié)點CAN1和節(jié)點CAN2可以內(nèi)部直接進(jìn)行報文通信，如此可以實現(xiàn)磁體CAN中繼控制器經(jīng)光纖對1可以和病床中的水平運(yùn)動電機(jī)驅(qū)動器、垂直運(yùn)動電機(jī)驅(qū)動器、屏蔽罩殼內(nèi)其他CAN節(jié)點、燈光光纖節(jié)點1、監(jiān)控測試光纖節(jié)點2的多個光纖節(jié)點的通信要求。

3 結(jié)束語

本文論述介紹了一種可以用于MRI磁場環(huán)境中的患者支撐裝置病床設(shè)備的多節(jié)點光纖CAN拓?fù)?，這種多節(jié)點光纖CAN設(shè)計克服了簡單光纖CAN網(wǎng)絡(luò)只能實現(xiàn)點到點通信的缺點，能夠同時連接多個雙絞線CAN節(jié)點（水平運(yùn)動電機(jī)驅(qū)動器、垂直運(yùn)動電機(jī)驅(qū)動器等）、兩個光纖CAN節(jié)點（燈光節(jié)點、監(jiān)控測試節(jié)點）。本文論述的設(shè)計簡單經(jīng)濟(jì)，通用性強(qiáng)，可以擴(kuò)展用于其他有多光纖節(jié)點要求的應(yīng)用場合。此外，如果需要3個以上光纖CAN節(jié)點，可以采用邏輯編程器件FPGA或者CPLD搭建，以適應(yīng)復(fù)雜的應(yīng)用場景。