基于CAN总线的呼吸机控制系统设计Design of ventilator control system based on CAN bus
嵌入式系统开发前景徐文超耿恒山薛永江朱向东
河北工业大学计算机科学与软件学院天津  300401
XU Wen Chao  GENG Heng Shan  XUE Yong Jiang  ZHU Xiang Dong
摘 要: 文章介绍了一种基于 ARM 微控制器的呼吸机控制系统的设计，融合嵌入式技术和 CAN 现场总线技术，此系统采用 LPC2368 处理器，具有结构简单、性价比高、扩充灵活的特点。本文提供了系统总体设计方案，详细说明了其中的硬件与软件设计要点和程序流程图。
关键词： ARM、CAN总线、LPC2368、呼吸机
Abstract：This paper introduces a design of ventilator control system based on ARM microcontroller．This designs has the characteristics of simple structure，high quality-price ratio, flexible expansion and used LPC2368 and integrated with build in embedded technology and CAN-bus technology. The paper o
ffers the system overall design plan，explains the hardware and software design consideration in detail and block diagram of program.
Key Words:  ARM  CAN-bus  LPC2368  ventilator
中图分类号：TP29 文献标识码：B
1. 引言
作为手术室设备的重要组成部分, 呼吸机已被普遍应用于各手术室的急救和重症监护中，随着科技的不断进步，人们对医疗设备的性能也有着越来越高的要求，为了在实际应用中，使呼吸机的功能得以全面发挥，更准确地施行和救护，增强呼吸机的稳定性和可靠性，提高其性价比，功能扩充灵活是非常必要的，所以在呼吸机控制系统中采用 CAN 总线技术，可大幅降低系统复杂度, 降低成本，并将 ARM 微处理器引入到控制系统中，可提高系统可靠性，也可最大程度地减少电缆的使用。与此同时，基于 ARM 的嵌入式系统设备以其超低的功耗，强大的软硬件支持，优良的内核结构等一系列的优点，迅速占据了包括医疗电子设备在内的高低端嵌入式应用市场。在这样的背景下，作者选用功能较为适合呼吸机需求的PHILIPS 公司的 LPC2368 芯片，并结合相应的软件技术设计了本款呼吸机，本文将着重介绍呼吸机的软硬件设计与实现。
2. 系统的总体结构设计
根据用户的实际需求和当前各种技术的发展，考虑到系统未来兼容的可能性，设计应要求：对病人的采集点个数多，并能根据需求灵活扩充，本系统基本组成结构如图1所示。
图1 基本组成结构
为了充分利用总线优势来传输数据，减少不必要的多余线束，结构上本系统由一个主系统节点和若干活动节点构成的子系统节点，此外还可有一个与上位机进行交互的通讯模块。各系统节点完成各自的功能，并通过CAN总线来完成数据的交互。
3.系统的硬件设计
3.1 主处理器的选择
CAN 总线必须有微控制器作为其控制平台，PHILIPS 公司的 LPC2368 是一款支持实时仿真和跟踪的32位 ARM7TDMI-S 微控制器，具备ARM 处理器性能高、稳定性好、成本低和能耗小的特点。芯片内部集成了512k Flash程序存储器、58kRAM、 I2C串行接口、2路CAN控制器、4个32位定时器、4个UART、6通道10位A/D转换器、实时时钟等多种功能模块。LPC2368集成的功能模块多数都是本系统的需求，其余资源以备未来系统扩展需求。
3.2 CAN 控制器与收发器
主节点由电源接口与变换电路、晶振电路、JTAG 接口电路、复位电路、存储器、液晶显示、RS232 电平转换电路、键盘电路等组成。如图2所示。
图2 主节点电路基本组成结构
CAN 接口电路实现CAN控制器和通信线路的物理连接。为了使电路更为简洁而且成本更低，本系统的CAN接口选择致远公司的 CTM1050T 芯片，同时可靠性也得以提高。CTM1050T符合ISO11898标准，主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平，其内部集成了所有必需的CAN 隔离、CAN 收发器件、总线保护和电源电路，无需外加元件可直接使用。芯片具有 DC2500V 的隔离功能、ESD 保护功能，高低温特性好，完全满足工业级产品技术要求。CAN接口连接原理图如图3所示。
本设计中 CAN 终端电阻使用了分裂终端，即总线端节点的2个终端电阻都被分成两个等值的电阻，用两个60Ω的电阻代替一个120Ω的电阻, 为了减小现场对节点的干扰，需用屏蔽双绞线，且根据实际使用经验，屏蔽电缆的屏蔽层无需接地，这种设计可以有效的减少辐射，总线性能得到优化。
图3 CAN接口连接原理图
3.3 其他模块的设计
主要是指各活动节点的设计，根据不同型号的呼吸机需采集的数据量不同, 活动节点可灵活地增加或减少, 并安装到最利于数据采集的位置, 从而最大程度地减少数据采集使用的电缆, 降低系统复杂程度和故障率，以减少硬件改动。
每个活动节点中各种传感器信号的采集和处理，均是采用 LPC2368 10位精度的A/D转换器进行的，先进行信号的滤波、放大等处理，转换器处理后通过 CAN 接口发送到CAN总线上。
当各传感器的信号超过或者低于主节点设定的限值后会触发另外节点的语音报警。
对电磁阀、比例阀的控制是由主节点对各种传感器的数据和键盘设置值的处理后由DA 产生的信号来控制其流量大小的，其中控制比例阀的电路如图4所示。
图4 比例阀驱动电路
4. 系统的软件设计
4.1数据类型与优先级
多个控制模块同时向总线发送数据，发生总线上的数据冲突时，CAN 总线协议提出了用标识符识别数据优先权的总线仲裁，这种位仲裁的方法可以解决当多个站同时发送数据时产生的碰撞问题。CAN 的非破
坏性解决总线存取冲突的方法，确保在传送有用消息时总线不被占用，甚至当总线在重负载情况下，以消息内容为优先的总线存取也被证明是一种有效的方法。根据消息类型确定消息优先级由高到低分别为：网络控制报文、紧急报文、工作密切消息、命令消息、配置消息、传感器轮询消息、警报工作事件、心跳报文。通过消息优先级确定11位ID，优先级越高，ID值越小。根据ID确定消息类型，然后根据相应的数据结构对数据进行解析。
4.2软件设计
本系统采用中断的方式接收数据，一旦发生中断，即将接收的数据自动装载到相应的报文寄存器中。此外还采用屏蔽滤波寄存器对接收报文的标识符和预先在接收缓冲器初始化时设定的标识符进行有选择地逐位比较，标识符匹配的报文才能进入接收缓冲器，不符合要求的报文将被屏蔽于接收缓冲器外，这减轻了CPU 处理报文的负担，同时不同数据放入不同的报文寄存器中，在接收中断服务程序中即可很容易判断出中断是由哪个接收报文引起的。
为了便于编写和调试程序，实现所要求的功能，本系统采用模块化的程序设计方法，主程序实现初始化、条件判断和子程序调用的功能，主程序流程图如图5所示。
图5 主程序流程图
5. 结束语
为满足手术室环境复杂、采集点分散、电磁干扰较大的数据采集需要，本文基于ARM 和CAN 总线技术设计了一种呼吸机控制系统。系统采用ARM7TDMI 内核的嵌入式微控制器LPC2368，片内丰富的硬件资源使系统电路简单，结构紧凑，有较高的可靠性和抗干扰能力。同时该系统成本低，易构建，具有很强的扩展性和可移植性，尤其是对各种不同传感器节点经常更换的需要，只需更换此节点硬件和修改主节点软件，即可对系统进行升级改进。目前，此呼吸机控制系统已投入到实际应用中，实际证明该系统的设计合理性和通用性，达到了设计的初衷，具有良好的使用价值和应用前景。
本文作者创新点是把LPC2368处理器和CAN现场总线技术相结合应用到呼吸机控制系统中，提高了系统的可扩展性和抗干扰能力。
此项目已产生经济效益3000万元以上。
参考文献
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[3] Philips Semiconductor，LPC2368 data sheet [S],2005.
[4] 周立功.ARM 嵌入式系统基础教程.北京航空航天大学出版社，2005.
作者简介：
徐文超（1981.11～）男，汉，河北工业大学，硕士研究生，研究方向：计算机智能控制。耿恒山（1952.5～）男，汉，河北工业大学，教授，研究方向：计算机控制技术。
薛永江（1983～）男，河北工业大学，硕士研究生，研究方向：计算机智能控制。
朱向东（1983～）男，河北工业大学，硕士研究生，研究方向：计算机智能控制。Biography：
XU Wen Chao（1981.11~）Male, Han nationality , Hebei University of Technology, Major in Computer Intelligence Control.
GENG Heng Shan（1952.5～）Male, Han nationality ,Professor, Hebei University of Technology, Major in Technology of Computer Control.
作者：

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