智能医疗设备中的总线技术探讨

孙志辉，周 尚，门述强

智能医疗设备中的总线技术探讨

孙志辉，周 尚，门述强

分析了总线技术在智能医疗设备设计中的重要作用，介绍了总线的定义和原理，并根据不同的划分方式对总线的种类进行了划分。从通信介质、通信距离、最大容量、传输速度等方面阐述了RS-232总线、IEEE-488总线、USB总线和以太网总线的性能，指出了各类总线的优缺点，对开发、使用、维修、检测智能医疗设备有着积极的推动作用。

智能医疗设备；总线技术；总线种类

0 引言

1 总线定义

在电子学定义上，总线通常特指连接计算机和外围设备之间传输信息的公共数据通道（即一组传输线），它采取分时复用的方式传送信息。其重要特征是可让总线上的所有设备共享，可以将计算机系统内、外的多种设备连接到总线上。如果是某2台设备或设备之间专用的信号连线，则不能称之为总线。

2 总线原理

总线是实现计算机各设备组件（包括外围设备）之间数据交换的规范化通道，保证以一种规定的方式为各组件提供数据传送途径和控制逻辑。另一方面，如果把计算机主板比作一座城市，那么总线就像是城市里的公共交通工具，能按照固定行车路线，来回不停地传输数据——比特（bit）。这些线路在同一时间内仅能传输一个比特数据，因此必须同时采用多条线路才能传送更多的数据，而总线可同时传输的数据量就称为总线带宽，以比特为单位，总线带宽愈大，传输性能就愈佳。单位时间内可以传输的总数据数：

总线带宽=频率×宽度（bytes/s）。

实现总线技术的关键在于线路的“共用”和数据的“交错”。当所有器件都以高阻态形式连接到总线时，我们称总线此时为“空闲”，这时其中的一个器件可以进行通信；主动发起通信的器件驱动总线，发出目的器件的地址和需要传送的数据，总线状态为“忙”，与地址信息相匹配的器件（以高阻态形式连接在总线上）就可以通过总线接收数据。通信结束后，总线重新回到“空闲”状态，等待下一次通信。这样，通过总线技术就可以实现一套计算机主机同时控制多台传统意义上的医疗设备和打印机、显示器、读码器、报警器、控制器等，形成基于数字化、系统化、信息化的智能医疗设备系统。

3 总线种类

（1）根据总线功能，可以分为地址总线和数据总线2种。一些硬件系统中，数据总线和地址总线采取分时公用的方式，也就是说，这些传输总线在某些时刻出现的信号为数据的地址，而在另外一些时刻则表示数据；还有一些硬件系统的总线则是完全分开的，数据总线和地址总线是物理分开使用的。例如：在51系列单片机中，地址总线和数据总线为复用方式，而在个人计算机中的地线总线和数据总线则是分开设计。

（2）总线还可根据传输数据方式不同，分为串行总线和并行总线。串行总线传输数据需要以二进制的形式，将数据逐位分时通过一根数据线发送到目的器件，目的器件按照预定协议按固定周期读取单位数据；并行总线的数据线通常在2根以上，数据传输时多位数据同时在不同线路并行传送到目的器件，目的器件在同一时间即可获得单位数据。医疗设备中通常遇到的串行总线有串行设备接口（serial peripheral interface，SPI）、通用串行总线（universal serial bus，USB）及RS232等，个人计算机中的外设部件互联标准（peripheral component interconnect，PCI）和指令集架构（instruction set architecture，ISA）总线都属于并行总线。

（五）宣传营销不够，土家文化知晓度低。在县城、重点旅游乡镇、主要景区节点、沪渝高速出口、火车站等重点区域和领域缺少特有的文化“符号”，旅游宣传的重点突出体现在风光类产品、节会活动等方面，众多游客知道石柱黄水、大风堡、千野草场，但对秦良玉等土家文化还是不甚了解，其知晓度仅局限于本县“圈内人”。

（3）串行总线根据时钟信号是否独立可以分为同步串行总线和异步串行总线。SPI以及I2C（interintegrated circuit）属于同步串行总线，异步串行总线的代表是RS232。它们的不同点在于，同步串行总线的时钟信号独立于数据信号，而异步总线的时钟信号和数据的时钟信号则是从同一时钟提取出来的。

（4）按照总线与处理器之间的关系划分，可以分为内部总线和外部总线。直接与CPU连接的称之为内部总线，如I2C、SPI、串行通信接口（serial communication interface，SCI）总线；通过辅助器件与处理器通信的称之为外部总线，如RS-232-C、RS-485、IEEE-488、USB总线。

4 总线技术优点及缺点

4.1 总线结构的主要优点

（1）简化硬件设计。利用面向总线的微型计算机设计方法，可以十分方便地设计出模块化结构，CPU插件、存储器插件以及I/O插件等都可以按照模块分别设计，最后将它们统一连入总线系统即可。

（2）优化系统结构。采用总线结构设计，可大量实现底板连线的印制化，大大减少系统硬件的外部连线，从而使整个系统结构更加简化、清晰、有效。

（3）提高系统扩充性。一方面，当硬件系统需要在功能上或规模上进行扩充时，仅仅需要保证插入的插件是相同类型或具有相同协议即可；另一方面，如果需要扩充医疗设备的功能，可以按照总线标准设计新的功能插件，而插件的拆装都比较灵活，没有严格的限制。

（4）增强系统可更新性。由于存储器、CPU、I/O等接口都是按总线标准规则独立挂接到总线上的，因此可以随时根据芯片的发展设计新的插件，对硬件系统进行更新，而其他插件和底板连线一般不需要改，增强了医疗设备的更新性。

（5）提高故障诊断和维修效率。采取总线结构设计，可以提高医疗设备故障诊断的智能性，可以借助智能化的主板测试卡对出现故障的部位、总线类型进行分析和识别。

4.2 总线结构的缺点

（1）区别于单独数据传输系统设计，总线结构传送数据具有分时性。每当有多个设备同时申请使用总线时，会引起协议冲突，必须通过总线仲裁来解决。

（2）不同于单一硬件系统的资源独占，总线结构的带宽是有限的，特别是当多个硬件设备之间缺乏资源调控机制时，很容易造成总线数据传送的延时，对某些需即时传输数据的设备来说是致命缺点。

（3）以总线结构设计医疗设备时，硬件设备必须要设计带有信息筛选的功能，用于准确地判断总线上的信息是否是传给自己的。

5 几种常用总线

5.1 RS-232总线

RS-232总线是一种串行物理接口标准，可以在简单的电话线上交换数字数据，由美国电子工业协会（Electronic Industries Association，EIA）制定。它在主计算机和远程终端之间，通过调制解调器实现。RS-232设有25条信号线，其中包括1根主通道和1根辅助通道。通常双工通信时，仅需1根发送线、1根接收线及一条地线[1]就可实现较为可靠的通信。

从1981年到20世纪90年代，RS232兼容接口是PC机串行通信的标准。1997年，由于微软要推行USB总线，RS232受到了来自微软的挤压。到2005年，在主流PC机上已经很难看到RS232串行接口了。

采用RS-232标准的通信距离一般为20 m以内。原因包括2点：一是驱动器允许有2 500 pF的电容负载，限制了通信距离；二是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题[1]。

5.2 IEEE-488总线

与RS-232总线不同，IEEE-488总线属于并行总线结构，数据按照“位”并行或“字节”串行双向异步方式进行传输，设备单元可以直接连于总线之上[1]。IEEE-488总线最大容量是同时连接15台设备。

IEEE-488总线使用了很少应用的24针微带连接器，其中16根信号线包括8根双向数据交换线、3根握手信号线和5根总线管理信号线，另外还有8根地线。IEEE-488允许以菊花链的连接方式最多连接15台设备，这些设备共享同一个8位并行总线。IEEE-488总线的另一个优点是其坚固的设计和可靠的服务，赢得了高可靠性的美誉。

IEEE-488总线的缺点包括：随着仪器数量的增加，总线速度会显著降低；专用电缆价格很高；在系统计算机中需要安装专用的IEEE-488控制卡。

5.3 USB总线

USB总线是由 Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、Northern Telecom这7家世界著名的[2]计算机通信公司共同推出的，实现了外围设备的简单快速连接，使PC外设的低成本、易扩展成为可能。USB技术的最突出特点是快速，传统USB的最高传输率可达12 Mbps，最新USB3.0传输率最高达25 Gbps。此外，USB还可以为外设提供电源，解决了以往使用串、并口设备需要使用单独供电系统的问题，而且USB还能支持多媒体、移动存储等家庭常用功能。如今，几乎所有的消费电子产品都有USB2.0以上接口。

USB总线支持4种传输方式：控制方式、批量方式、中断方式和等时方式。控制方式用来在主机与设备间交换配置、设置和命令信息。为了确保这些数据包正确传输，需要进行循环冗余校验（cyclic redundancy check，CRC），必要时启动重新发送。批量方式是在实时性要求不强的情况下，传输大量数据时使用，典型应用为打印机和扫描仪。批量传输就像个填充器，在没有更重要的数据传输时请求闲置的总线带宽，用CRC校验来保证数据的正确性。虽然CPU在转向检测、轮询设备是否需要服务时不能中断，但在交换需引起注意的少量信息（比如鼠标、键盘等）时可中断传输，用错误校验确保数据有效。等时传输方式用来处理来自视频或者音频设备的数据流，这些信号是时间敏感信息，所以在规定时间内，USB总线必须保证传输完成。这种传输方式没有错误校验，所以系统必须容忍偶尔的字节错误。

USB总线使用串行协议，在一对双绞线上传输各种差分信号，支持所有类型的数据传输，从速度较慢的鼠标输入信号到数字音频，甚至压缩视频信号；USB总线网络使用了客户-服务器架构，并使用了分层星形网络拓扑结构，由一个主机控制网络。只有当主机发起请求时，才能与其通信。相反，具有控制器的火线设备中，任何节点都可以在任何时间控制网络，根据网络状况，发起与任何节点的通信；USB规范中规定USB总线提供+5 V的供电能力；一个主控制器可以支持127台设备；电缆长度最大为5 m，但是如果用USB集线器或有源的扩展电缆，最大长度可以达到25 m；此外，USB总线还具有低成本和热插拔的特点。存在的不足有2点：（1）连接器虽然很牢固，但是没有锁紧结构，所以USB总线不适用于电缆没有固定或振动的环境；（2）由于总线控制任务由主机负责，所以USB比火线占用的CPU资源多。一旦计算机执行完任务，USB设备只能获取较少的资源，工作速度会变慢，很少能够达到480 MB/s的理论传输速度。

5.4 以太网总线

首次出现的实验性以太网的速度为3 MB/s，并使用8位源与目的地址字段；双绞线以太网（10BASE-T）系统最初是以星形局域网的形式出现，但随后的10BASE-T被广泛认可，10GBASE-T使传输速率达到10 GB/s，传输介质使用F类或E类加长的双绞铜线，通过4个连接器，传输距离可以达到100 m。以太网随后迅猛发展，至今已成为组成广大地区局域网的主要技术。

由于以太网的普遍应用，其硬件价格不断下降，利用双绞线作为通信媒介使得面板空间减小，并且生产厂商将以太网卡的功能直接内嵌在PC主板上，排除了需要单独安装网卡的麻烦，这也成为以太网广泛应用的重要原因之一。

6 结语

医疗设备是现代技术综合运用的产物，它功能繁多、结构复杂、涉及领域广、更新换代快，对优化结构、稳定性能、便捷维修和智能升级等有较高的要求。因此，充分利用总线技术，对提高医疗设备的设计高效性、系统扩充性、功能智能性以及信息网络化具有重要作用，并可在短时间内迅速提升我国医疗设备产业行业的研究能力和水平，研制出一批适合中国医疗市场的医疗设备，推出一批具有自主知识产权的医疗设备民族品牌[3]。

[1] 陆宏军.计算机总线技术在工业中的应用[J].甘肃冶金，2004，26（4）：49-51.

[2] 黄世安，刘志国.CAN总线在医疗中的应用及展望[J].医疗卫生装备，2014，35（8）：112-115.

[3] 周璞，赵小利，曹修哲.CAN总线在X线遥控透视诊断机中的应用[J].医疗卫生装备，2013，34（12）：29-31.

（收稿：2014-04-20 修回：2014-09-25）

Bus technology in intelligent medical devices

SUN Zhi-hui1,ZHOU Shang1,MEN Shu-qiang2
（1.Institute of Drug and Instrument Control,Health Department of GLD,Beijing 100071,China; 2.Peking University Founder Technology College,Langfang 065000,Hebei Province,China）

Based on the importance of bus technology in medical devices,the definition,principle and types of bus technology are described.Several bus technologies have their functions introduced from the aspects of communication media,communication distance,maximum capacity and transmission speed,including RS-232 bus,IEEE-488 bus,USB bus and Ethernet bus.The advantages and disadvantages of the above technologies are also pointed out.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（4）：114-116]

intelligent medical device;bus technology;bus type

R318；R197.39

A

1003-8868（2015）04-0114-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.04.114

军事医学计量科研专项课题（2012-JL1-035）

孙志辉（1970—），男，高级工程师，主要从事医疗设备计量、检修方面的研究工作。

100071北京，总后卫生部药品仪器检验所（孙志辉，周 尚）；065000河北廊坊，北京北大方正软件技术学院（门述强）