基于CAN通信的医院中心供氧监控系统的研究

周德强，尹军，颜乐先，苌飞霸，魏安海，李姝颖

第三军医大学大坪医院野战外科研究所医学工程科，重庆 400042

基于CAN通信的医院中心供氧监控系统的研究

周德强，尹军，颜乐先，苌飞霸，魏安海，李姝颖

第三军医大学大坪医院野战外科研究所医学工程科，重庆 400042

目的 研制一套基于CAN总线的远程实时监控中心供氧系统。方法 在各临床科室供氧输入端安装氧气监控装置，采集供氧压力、流量和用氧量等参数，并通过CAN总线将其远程传送至中心供氧上位机。结果 氧气监控装置能正常地采集压力、流量和用氧量等参数并将其传送至上位机，能正常地响应并执行上位机的控制命令；上位机能正常地显示监控状态。结论 该监控系统可实现中心供氧的远程监控，提高供氧管理效率。

CAN总线；中心供氧；远程监控；氧气监控装置

0 前言

中心供氧系统具有使用方便快捷、可适应医院大规模发展需求的特性，已成为现代化医院不可或缺的重要设施。由于技术方面的原因，我国大部分医院在早期构建中心供氧设施时采用机械表盘显示压力、流量和总使用量等数据，无法实行组网自动化管理，需医工人员24 h值班巡检以保证供氧安全。

鉴于此，笔者研制了一套中心供氧监控系统，具有可远程监测供氧压力、流量和使用量等参数，对氧压不足进行报警，对科室用氧进行计量计费等功能；此外，该系统还具有可远程自动或手动控制氧气监控装置以保证供氧安全，减少医工人员巡检工作量以提高供氧管理效率等优点。

1 系统规划与实现

1.1 系统设计方案

根据医院中心供氧站的氧源压力为0.5 MPa、设备氧源压力为0.4 MPa的需求，选择输出为4～20 mA的LD183A型压力变送器（合肥雷德电子科技有限公司生产）作为系统的压力传感器；根据医院各科室氧流量为0～200 L/M的需求，选择输出为RS485的MF5712-N-200型流量传感器（矽翔微机电系统有限公司生产）作为系统的流量传感器；选择具有12位模数转换器及内部参考电压源，支持双串口和SPI的MSP430F149单片机作为系统氧气监控装置的主控芯片[1-5]；选择容错机制好、无节点错误影、对工业环境适应能力强的CAN总线作为远程通信方式[6-10]。系统设计框架图，见图1。

图1 系统设计框架图

监控系统的工作原理为：压力传感器和流量传感器采集供氧参数后将其传送至主控芯片MSP430F149，数据经主控芯片处理后通过LED在下位机实时显示，并通过CAN总线上传至上位机。数据如有异常，则上位机进行报警提示，并自动或手动远程关闭或打开下位机电磁阀。

1.2 氧气监控装置主要硬件电路设计

1.2.1 数据采集接收电路

数据采集接收电路图，见图2。压力传感器输出4～20 mA的电流信号接入P5（P6），经过高精度电阻R5、R6（R7、R8）转换成0.5～2.5 V的电压信号，再经过电容C6（C7）滤波、LM358射随稳压后，送入MSP430F149的AD采样端口P6.1（P6.0）；流量传感器输出形式为RS485，分别对应接入A、B，通过MAX1490A和74HC86转换后接入MSP430F149串口P3.4、P3.5；MSP430F149接收到压力传感器和流量传感器数据后进行转换处理，通过LED进行显示，并将处理后的数据传输给CAN协议控制器MCP2515。

图2 数据采集接收电路图

1.2.2 CAN通信电路

CAN通信电路图，见图3。CAN通信电路选择MCP2515作为协议控制器，MCP2515自带的两个验收屏蔽寄存器和6个验收滤波寄存器可以过滤掉不想要的报文，从而减少主单片机（MCU）的开销[11-12]；选择ADUM1201作为3 V/5 V电平转换隔离器，其具有优于光耦合器替代器件的出色性能；选择PCA82C250作为CAN收发器，PCA82C250 是CAN协议控制器和物理总线之间的接口，可为CAN总线提供差动发送能力并为CAN控制器提供差动接收能力[13]。MSP430F149将处理后的数据通过SPI通信方式传输给MCP2515，经ADUM1201数字隔离后再通过CAN收发器PCA82C250发送至CAN总线上传至上位机。

图3 CAN通信电路图

1.3 系统软件设计

系统上电或复位开机后，首先进行初始化，包括MCU串口工作方式、时钟频率、中断触发方式、定时器工作模式、引脚工作模式、模数转换器工作方式等的初始化。系统初始化后，MCU以中断等待方式判断是否需要进行电磁阀的控制操作，同时进行数据采集，对转换处理后的数据进行显示，并通过SPI通信方式将数据传送至MCP2515，再通过CAN总线上传至中心供氧站的上位机；上位机接收到上传数据后，对其进行处理和实时显示，并比较其是否高于或低于设定阈值，如果否则不执行其他操作，如果是则进行报警并判定其是否达到电磁阀自动关闭条件，如果否则只行报警操作，如果是则向下位机发送电磁阀关闭指令，MCU接收到上位机指令后关闭相应电磁阀。系统软件采用模块化结构的设计方法来实现，根据系统功能主要分为3部分：① MSP430F149对数据的采集处理、LED显示以及控制电磁阀的下位机部分；② 数据的上传以及指令下行的通信部分；③ 在中心供氧站主机上进行处理显示的上位机部分。系统软件流程图，见图4。

图4 系统软件流程图

2 测试验证

测试方式：采用ID0和ID2两个节点的下位机做参照对比实验，使ID0节点处于关闭状态，ID2节点处于正常工作状态。测试结果见图5。图5（1）所示为系统状态参数显示栏，主要功能是显示系统运行时的详细状态参数，如CAN总线通信速率、工作模式、指令操作次数统计等。图5（2）所示为ID0节点下位机的工作状态及参数情况，流量与压力指示灯均为红色，表示均处于未正常运行状态；电磁阀1、电磁阀2指示灯均为灰色，表示电磁阀均处于关闭状态；由于ID0节点下位机处于关闭状态，无流量、压力等数据的上传，故流量、压力数值显示处无显示数值，流量、压力波形显示框内也无波形显示。图5（3）所示为ID2节点下位机的工作状态及参数情况，流量与压力指示灯均为绿色，表示均处于正常运行状态，且此时该节点的实时流量为103 L/M、总流量为1.312 m3、压力为0.400 MPa；电磁阀1指示灯为绿色，表示电磁阀1处于打开状态，电磁阀2指示灯为灰色，表示电磁阀2处于关闭状态；流量、压力波形显示框内有当前100 s内相对应的波形显示，也可以通过拖动时间轴查看更多的波形记录。如果希望手动打开或者关闭某一电磁阀，可以通过在图5（1）所示ID处手动输入相对应的节点ID号、Data处输入电磁阀序号和开关指令，然后点击发送即可完成操作，还可以直接选定对应电磁阀的指示灯进行点击，完成对应电磁阀的打开与关闭操作的切换。常地响应并执行上位机的控制命令；上位机能正常显示监控状态；该监控系统可实现中心供氧的远程监控，提高供氧管理效率。

图5 测试结果图

3 结语

该监控系统压力测量范围为0～1 MPa，流量测量范围为0～200 L/M，最多可挂载112个氧气监控装置节点；远程通信方面，系统CAN总线在容错机制、节点错误影响和抗干扰性方面有着很好的性能，能很好地适应工业环境；软件设计方面，系统采用模块化设计，便于软件系统的调试和优化。测试结果表明，系统氧气监控装置能正常地采集压力、流量和用氧量等参数并将其传送至上位机，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

重庆市科技攻关计划项目（CSTC，2012gg-yyjs10025）。

本文作者：周德强，助理工程师，研究方向为医疗仪器与电子信息工程。

尹军，高级工程师，研究方向为医疗设备与耗材的管理与医疗仪器研发

作者邮箱：zhoudeqiang520@126.com