CAN总线在医疗中的应用及展望

黄世安，刘志国

CAN总线在医疗中的应用及展望

黄世安，刘志国

简要概括了控制器局域网（controller area network can，CAN）总线的特点，对比研究了CANopen、DeviceNet、SDS、CANKingdom、J1939等多种基于CAN的高层协议，从大型医疗设备、一般医疗设备和机动医疗平台3个方面详细分析了CAN总线在医疗领域的应用现状，并对CAN总线技术在医疗保健的应用发展进行了展望。

CAN总线；CANopen；DeviceNet；CANKingdom；医疗设备

0 引言

控制器局域网（controller area network，CAN）作为目前最流行的一种现场总线（field bus），以实时性强、可靠性高、成本低廉的特点在汽车工业广泛应用，同时也在医疗行业得到了大量应用。本文首先简要概括了CAN总线的发展史和特点，对比研究了CANopen、DeviceNet、SDS、CANKingdom、J1939等基于CAN的高层协议；再从大型医疗设备、一般医疗设备和机动医疗平台3个方面详细分析了CAN总线在医疗领域中的应用；最后对CAN总线技术在医疗保健的应用发展进行了展望。

1 CAN总线的现状

1.1 CAN总线的发展

现代汽车控制与测试仪器较多，彼此间的数据交换频繁，导致车内的信号线不断增加。为解决这一问题[1]，德国Bosch公司在1986年开发出一种串行高速数据通信总线——CAN。目前，欧洲的每一辆新客车几乎都装配有CAN局域网[2]。CAN总线很快得到了各个行业和公司的支持，国际上各大厂商（如Vector、EPEC、IXXAT）不断研制和推出新的CAN总线产品，并逐步形成系列。CAN总线不仅仅在汽车行业，还在航空工业[3]、电梯控制[4]、工业控制、纺织机械、数控机床、安全防护、机器人、医疗器械、交通管理、照明控制等行业广泛使用，并于1993年成为国际标准ISO 11898（高速应用）和ISO 11519（低速应用）。2000年，飞利浦半导体宣布销售了超过1亿个CAN收发器，2007年则增长至近7亿个。目前，国内CAN总线的发展较快，多家企业（如南车浦镇、南京康尼、虹科电子、广州致远电子）成为CiA（CAN in automation）组织成员，多款自行开发的CAN总线产品已开始投入市场。2012年，CAN FD（CAN with flexible data rate）协议发布，该协议继承了CAN总线的主要特性，由传统的8位信号帧、最高1MB/s的传输速率升级至64位信号帧、最高8MB/s的传输速率，引起了业界特别是汽车行业的很大兴趣。

1.2 CAN总线的特点

（1）CAN总线是一种串行总线[5]，任何CAN节点都可以“挂”在一个CAN网络上，能够有效减少线束数量，同时也易于扩展[6]。

（2）CAN总线协议是一个开放的体系，任何组织或个人都可以依据CAN协议来开发属于自己的高层应用。

（3）CAN节点不分主从，可在任意时刻向其他节点发送信息，支持差分收发。

（4）CAN节点开发方便，硬件需求低，普通8位单片机即可满足基本要求。

（5）CAN的最远通信距离可达10km（速率5KB/s以下），最高通信速率可达1MB/s（距离40m以下）。

（6）采用短帧结构，每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，抗干扰性好，传输时间短。

（7）CAN节点在错误严重时可自动关闭输出，以避免其他节点受到影响[7]。

1.3 基于CAN的高层应用协议

CAN总线协议的层定义与开放系统互联模型（open system interconnection，OSI）一致，但CAN是一个非常简单的基础性协议，只定义了OSI模型中的物理层和数据链路层，本身并不完整，有些复杂的应用问题需要一个更高层次的协议——应用层协议CAL（CAN application layer）来实现。CAN总线允许各厂商在CAN的基础上开发自己的高级应用层协议，这就导致了CANopen、DeviceNet、SDS、CANKing dom、J1939、CANaerospace、NMEA 2000等协议的出现。这些协议大多得到CiA组织的支持，符合ISO 11898标准，同时又各具特色[8]。

1992年，Holger Zeltwanger将用户和厂商集中在一起，讨论建立一个促进CAN技术发展的中立平台，同时也针对串行总线市场进行分析。1992年5月，CiA用户集团正式成立。CANopen由CiA旗下的特别兴趣组SIG（special interestgroup）使用CAL提供的通信服务的一个子集开发，主要用于产品部件的内部网络控制。1995年，CiA发布了完整的CANopen通信规范，很快，CANopen就成为欧洲最重要的嵌入式网络标准协议。CANopen不仅仅定义了应用层和通信子协议，还定义了可编程系统、不同器件、接口、应用子协议的页状态，其设计灵活、功能强大、发展前景广的特点促使多个工业领域（如印刷机械、海事应用、医疗系统）决定采用。

在1990年的早期，美国机械工程公司与Allen Bradley公司、Honeywell公司合资开展了一个项目，在CAN的基础上开发通信与控制协议。该项目组解散后，Allen Bradley公司和 Honeywell公司各自推进，Allen Bradley公司推出了DeviceNet，Honeywell公司则推出了SDS（smart distributed system）。1994年，Allen Bradley将DeviceNet规范移交给ODVA（open deviceNetvendorassociation），由后者进行专职推广。DeviceNet专注于工厂自动控制，并提供即插即用（off-the-shelf）功能，目前已经成为美国此类特殊市场的领头总线。而SDS作为一个开放式网络标准，专为分布式二进制传感器和执行器而设计。

CANKingdom最早是由Kvaser公司为分布式控制系统开发的一种不基于OSI参考模型的CAN高层应用层协议，后来交给非盈利组织CANKingdom International推广。CANKingdom并非一个完整的协议，而是一组协议原语[9]，系统设计者可视情况选择最佳的布局和总线存取管理。简而言之，CANKing dom可以根据实际设计网络，而不是选择某种既有的特定网络，因此，特别适用于要求实时性强的系统，该系统还可以方便地接入DeviceNet和SDS模块。

US协议J1939由美国机动工程师协会（Society of Automotive Engineers，SAE）卡车委员会和总线协议定义，是一个非模块化方案，非常容易使用，但灵活性较差，主要用于农业运输工具方面。ISO 11992（卡车和拖车接口）和ISO 11783（农业和林业机械）二者定义了以CAN为基础的应用条款，其依据就是J1939[10]。

5种基于CAN的高级协议对比见表1。

2 CAN总线在医疗设备中的应用

2.1 CAN总线在大型医疗设备中的应用

在CAN的早期，飞利浦医疗就认识到CAN总线的优点，并确定采用CAN总线作为其X线机的内部通信网络，用来互联诸如准直仪、X线发生器、病床等大量组件。由Tom Suters领导的一个小组制定了第一个基于CAN的高层协议CMS（the CANmessage specification），并于1992年公布于世[11-12]。随后飞利浦医疗将CAN总线引入其他影像设备产品中。

在20世纪90年代初，面对日益增长的更多功能的组合需求，同时又面临着降低医疗设备成本的巨大市场压力，西门子医疗集团转向汽车行业寻求帮助。CAN总线的特点非常适合作为X线机和CT的内部通信网络，最终西门子医疗集团确定CAN总线作为下一代CT系统的通信骨干[13]，其结构如图1所示[14]。国内的东软集团股份有限公司也开始在其产品中采用CAN[15]。

图1 多排螺旋CTCAN网络的拓扑结构

除了上述的X线机[16]、CT外，CAN总线还在其他大型医疗设备中，如数字X线摄影（digital radiography，DR）、核磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）、血管造影（digital subtraction angiography，DSA）[17]、正电子发射断层扫描（positron emission tomography，PET）、超声、放射模拟治疗机[18]），作为连接各功能组件的通信网络。

2.2 CAN总线在其他设备的应用推广

随着CAN总线的发展和不断完善，其不仅仅在高端医疗设备上使用，也越来越多地出现在其他医疗场合，如心电图机、手术室集成控制、患者呼叫系统[19]、智能输液系统[20]、病床、呼吸机[21]、智能轮椅等。数字化手术室需要集中控制许多设备，如无影灯、手术床、摄像头、腔镜、电刀、监护设备、生命支持设备等，其拓扑结构如图2所示。CAN总线可靠、实时、灵活、抗干扰，可实现设备和主机之间的实时通信，保证系统的安全可靠性[22]。其中，各设备与集中控制工作站均通过CAN总线相连，其网络结构如图3所示。

图2 数字化手术室方案示意图

图3 集中控制的CAN网络拓扑结构

2.3 CAN在机动医疗平台上的应用

医疗方舱和医疗车辆是目前主要的机动医疗平台，对三防功能的要求较高，需要对其内部压力、温度进行过程控制（process control）。传统的仪表布线方式已无法满足日益增长的设备和功能的要求，现场总线技术可减少布线，提高系统鲁棒性。文献[23]展示了一个带有CAN总线的温度监控系统在医疗车辆方舱中应用的实例。

3 CAN总线在医疗保健上的应用展望

尽管CAN总线已经在医疗设备中使用多年，但由于CAN总线协议仅仅定义了OSI模型中的物理层和数据链路层，各个厂家的CAL协议均不相同，部件供应商不得不针对各个CAL协议开发产品，不利于市场推广。继续改进CAN总线的基础协议，建立标准化的CANopen通信规范，生产符合标准化的CANopen通信规范的产品和组件，与企业以太网技术相结合，开发混合型总线技术，将是CAN在医疗保健应用中的主要方向。

（1）制定具体的医疗设备规范。CiA下属的一个特别兴趣组（SIGmedicaldevices）正致力于制定有关X线系统的设备和应用通信规范[11]——这些规范都属于CANopen的一部分。

CiA412-1（DS） General definitions for medicaldevices

CiA412-2（DS） Automatic x-ray collimator

CiA412-3（P） X-ray generators

CiA412-4（P） Patient tables

CiA412-5（P） X-ray stands

CiA412-6（DS） Dosemeasurementsystem

CiA425-1（DSP） General definitions formedicaldiagnostic add on devices

CiA425-2（DSP） Injector

CiA425-3（P） Electrocardiogram

注：DS为 draft standard、P为 planned、DSP为draftstandard proposal。

目前，已经有公司依据CiA425-2（DSP）申请了专利[24-25]。

（2）各大医疗集团纷纷采用基于上述CANopen医疗规范的标准接口部件推出基于符合上述CANopen通信规范的产品，以降低成本。CAN和CANopen的灵活性使得原来的CAL向CANopen转化变得十分轻松。

（3）将CANopen与以太网技术结合，使设备或功能组件可以通过以太网进行远程访问，使关键数据（如检查诊断结果和患者信息）可以通过网络传输。未来性能更强的组件要求使用更高的带宽。由于CAN通信速率不高（最高1Mbit/s），难以满足日益增长的数据传输要求，各种实时以太网或高速串行总线可能是未来的替代方案。但CAN总线现在与将来仍是最便宜的一种总线技术，这可能导致未来的系统中出现混合型总线系统。

4 结语

CAN总线作为目前使用最为广泛的现场总线，其结构简单、实时性强、可靠性高、成本低廉，深受工业界的青睐。在CAN基础上发展功能更为强大的应用层协议，如标准化的CANopen通信规范已经成为医疗设备中不可缺失的一部分，受到越来越多的医疗设备制造商的欢迎，展现出强大的生命力和广阔的应用前景。

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（收稿：2013-10-29 修回：2014-01-03）

（栏目责任编校：李惠萍 孙丽丽）

Application and prospect of CAN bus in medical field

HUANG shi-an1,2,LIU Zhi-guo1
(1.Institute of medical Equipment,Academy ofMilitary Medical Sciences,Tianjin 300161,China; 2.Bethune International Peace Hospital,Shijiazhuang 050082,China)

The characteristics of controller are network (CAN)bus are described,which is compared with several CAN-based high-layer protocols such as CANopen,DeviceNet,SDS,CANKingdom and J1939.The medical application of CAN is discussed from the aspects of large-scalemedical equipment,generalmedical equipment and mobilemedical platform. The prospect of CAN in medical field is also predicted.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（8）：112-115]

CAN bus;CANopen;DeviceNet;CANKingdom;medical device

R318；TP393.1

A

1003-8868（2014）08-0112-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.08.112

总后重大专项（06MA32）

黄世安（1983—），男，研究方向为故障自诊断系统在机动医疗平台上的应用，E-mail：huangshian_hp@163.com。

300161天津，军事医学科学院卫生装备研究所（黄世安，刘志国）；050082石家庄，白求恩国际和平医院（黄世安）

刘志国，E-mail：liuzhiguo_s@263.net