Modbus与工业控制网络在医疗设备中的应用研究

李晓明，颜忠平

Modbus与工业控制网络在医疗设备中的应用研究

李晓明，颜忠平

目的：探讨Modbus及基于TCP/IP的工业以太网在医疗设备通信以及设备控制中的应用，研究通信的实时性和指令响应时间。方法：为了分析设备的运行情况，采用对设备的运行日志进行分析及对数据总线上的通信数据包传送进行监控2种方法来获取指令响应周期的实际数据。结果：高工作负荷的情况下，平均指令响应周期为34ms，最大响应周期为71ms。结论：对于实时响应周期要求小于100ms的医疗设备，使用Modbus和工业以太网络组合，完全可以满足设备使用的要求。

Modbus；工业控制网络；UDP；设备控制；实时性；指令响应周期

0 引言

将工业以太网应用到医疗设备中，设备扩展性和组合性均可以大大提高。将工业以太网与以太网或Internet连接，用户可通过网络实现远程监控和远程维护，这样就提高了设备的可维护性和维护的效率。通过在控制的各个层面，对性能、功能及通信要求进行仔细分析，采用统一的硬件和软件架构，使设计人员不但能够在最有竞争力的价格下获得最有效的解决方案，而且还可以通过软件复用来降低软件的开发成本，从而大幅缩短设计开发周期。

1 材料和方法

1.1 Modbus和TCP/IP以太网介绍

用户数据包（user datagram protocol，UDP）协议是TCP/IP组中的传输层协议，也是一种无连接的协议。它在开放式系统互联（open system interconnection，OSI）参考模型中位于第四层，也就是传输层，处于IP协议的上一层。UDP具有资源消耗小、传输速度快的特点[1]，很适合嵌入式单片机使用。但是，UDP存在不提供数据包分组、组装和不能对数据包进行排序的缺点，也就是说，当报文发送之后，并不保证它们能完整到达目的地[2]。Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言，在工业设备互联上的应用较成熟，可以实现可靠应答互联。将UDP和Modbus组合使用，既可以保证设备之间通信的可靠性，又可以提高设备之间通信的效率[3]。

图1 控制节点通信层次

1.2 搭建Modbus以太网控制网络和测试环境

在控制系统的组建过程中，为了兼容原有的系统，采用成熟的TCP转RS232通信模块，Modbus运行在8位低功耗的MCU系统里面。该控制系统由多个控制节点组成，其中每个控制节点都是一个UDP/Modbus结构。控制节点内部从物理层到应用层的层次结构如图1所示。

整个系统由主控制计算机和4个控制节点之间的系统连接，如图2所示。

整个网络中主控计算机是控制指令的唯一来源，它控制设备的横向和纵向运动，同时采集横向和纵向的位置作为闭环控制信息，从而确保设备运动的准确性。

在各节点之间的网络连接使用了600MB路由器，同时关闭路由器的DHCP功能。

为了满足应用的需要，搭建了2种工作环境对设备进行测试：（1）主控计算机和4个控制节点均使用有线连接路由器（以下简称有线联机）；（2）在第一种网络拓扑结构的基础上，将主控计算机和路由器之间的连接改为无线网络连接（以下简称无线联机）。

图2 系统连接框图

1.3 设备控制和实时性测试方法

指令周期：以客户端向服务器端发出请求指令开始，到收到服务器端反馈结束。

设备要求的运动速度为3 cm/s，测量定位精度为±3mm。

由主控计算机发出指令给运动驱动控制节点驱动设备运动，同时发出指令控制位置检测节点获取设备的位置，形成一个闭环的运动系统。因为本研究针对响应实时性小于100ms的设备，所以所有要求通信的指令周期小于100ms。

测量指令周期有2种方法：（1）使用网络监控软件，针对指定的IP和端口指令进行分析，分析一个时间段中数据包的接收和发送情况；（2）在主控制计算机的控制软件中，插入指令发送和接收日志，记录指令发出和接收的时间，根据日志中的时间计算指令的周期。

根据设备实际使用情况，设备首先运动15min，然后间歇停止10min，如此循环，连续工作12 h。同时，使用网络监控软件监控工作过程中的通信数据。

2 结果

2.1 数据统计

由于监控软件获取的数据量非常庞大，采用了每隔1min分析一个请求和反馈数据包。对网络监控软件获取数据的分析统计见表1。

表1 网络监控统计分析表

对主控计算机控制软件日志的分析统计见表2。

2.2 测试结果和数据比较

表2 日志统计分析表

2.2.1 测试方法比较

通过上述2个表的比较可知，日志记录的指令周期时间大于网络监控软件记录的时间。导致这种情况的原因有：（1）网络监控软件直接从TCP/IP的协议栈中获取数据，数据获取比较直接；（2）控制软件是运行在用户层的应用程序，响应等级较低，同时将数据写入磁盘文件也有一定的延时滞后。

由于网络监控使用的统计数据较少，采用了抽样统计的方法，无法断定使用网络监控软件所获取的时间一定比控制软件日志的时间更准确。

2.2.2 联机方法比较

从表1、2中可以看出，网络监控统计方法获取的无线传输最大指令周期比有线传输的时间多15ms，日志统计方法获取的无线传输最大指令周期比有线传输的时间多1ms。无线联机的数据传输时间大于有线联机时间。

3 讨论

3.1 影响实时性的因素

在设备中搭建的工业以太网中，各个功能控制点之间是互联互通的，可以实现相互的数据通信。为了保证通信的实时性，必须考虑以下因素：

（1）以太网功能复杂，网络组建的时候，关闭网络中不使用的功能[4]，例如，DHCP自动网址分配功能；

（2）选择网络关键硬件，必须考虑电磁兼容性，避免受到外来干扰和干扰附近的设备[5]；

（3）使用无线联机，需要充分做好网络加密，避免外来的网络访问和网络冲突[6]；

（4）作为网络关键节点的路由器，关闭其中不需要的功能[7]；

（5）在每个控制节点设置访问列表，对不在访问列表中的IP不能访问，使设备免受不必要的攻击，提高设备的安全性[8]。

3.2 Modbus和UDP结合的优势

与传统的现场控制总线相比，将Modbus应用协议和TCP/IP协议族中的UDP传输协议结合在一起具有以下的优点：

（1）安装布线方便，节省设备空间；

（2）模块化，减少设计工作量；

（3）易于诊断，容易和以太网进行无缝链接，实现远程维护，提高服务的实时性；

（4）自我建构，设备的可配置性和灵活性高；

（▶▶▶▶）（◀◀◀◀）

（5）企业化管理，很容易接入企业的管理系统[9]。

3.3 结论

测试采用工业以太网系统，它的设备系统响应周期为：有线联机的最大指令周期为70ms，无线联机为71ms，对于指令响应周期要求小于100ms的设备，完全可以满足本应用的需要。如果将TCP/IP协议堆栈和控制程序结合更好的情况下，工业以太网总线的实时性响应时间可以达到小于等于4ms[10]，目前的系统设计还有进一步优化的可能。

[1] 史蒂文斯.TCP/IP详解（卷1：协议）[M].范建华，译.北京：机械工业出版社，2000：27-28.

[2] 沈鑫剡.交换式以太网原理、技术及实现[M].北京：人民邮电出版社，1999：8-9.

[3]Andy Swales.Open Modbus/TCP Specification[M].Rueil Malmaison：Schneider Electric，1999：3-4.

[4] 黄周松，雷振明.以太网上实时业务服务质量保证策略的研究[J].计算机科学，2005，32（1）：55-59.

[5] 常赛，成玉娟，王宜怀.高实时性工业以太网模型的构建[J].军民两用技术与产品，2011，54（2）：8-10.

[6] 华镕，华夏.智慧地构建工业以太网[J].中国仪器仪表，2012（1）：45-46.

[7] 李卓涵，仲崇权.工业以太网EPA实时性测试方法研究[J].自动化仪表，2006，27（10）：4-5.

[8] 许洪华，刘科，基于MODBUS/UDP的控制系统开发[J].微计算机信息，2008（31）：3-4.

[9] 云利军，孙鹤旭，雷兆明，等.工业网络的发展及其在运动控制中的应用[J].微型机与应用，2005，81（9）：9-10.

[10]Hirschmann.Distributed Communication Architecture[M].St.Louis：Belden Inc,2009：16-17.

（收稿：2013-08-03 修回：2014-02-15）

（栏目责任编校：邢 楠 陈建新）

Applied research of Modbus and industrial Ethernet in medical device

LIXiao-ming1,YAN Zhong-ping2
(1.The 251st Hospital of the PLA,Zhangjiakou 075000,Hebei Province,China; 2.Zhuhai Ruihe Medical Technology Co.,Ltd.,Zhuhai519000,Guangdong Province,China)

Objective To explore the application of Modbus and TCP/IP-based industrial Ethernet to medical device communication and control,and to study the timeliness and instruction response time of the communication.Methods Two methods were involved to acquire the data on instruction response cycle,including analyzing the operation log of the device and monitoring the communication data packet of the data bus.Results In case of high workload,the mean instruction response time was 34 ms,and the maximum time was 71 ms.Conclusion Modbus combined with industrial Ethernet can meet the requirements of the medical device with a instruction response time less than 100 ms.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（8）：51-52，104]

Modbus;industrial Ethernet;user datagram protocol;device control;timeliness;instruction response time

R318；TP393.11

A

1003-8868（2014）08-0051-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.08.051

李晓明（1983—），男，工程师，主要从事医院网络信息方面的研究及管理工作，E-mail：36907985@qq.com。

075000河北张家口，解放军251医院（李晓明）；519000广东珠海，珠海瑞禾医疗科技有限公司（颜忠平）