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数字通信世界
2021.03
0 引言
磁共振MRI 利用人体在强大的静磁场下按时叠加梯度磁场和射频磁场，在某一频率附近产生对高频电磁场的共振吸收、当射频RF 停止人体中的氢质子释放能量而成像的大型医疗设备。CAN 作为一种实时、高容错的通信协议在MRI 系统中被广泛的应用，但是由于MRI 的强磁场和R F 射频的特殊应用环境，CAN 的传输方式在MRI 系统中不是采用常用的双绞线传输，而是通过POF （塑料光纤）来进行传输的。在双绞线传输的CAN 系统中，各个节点可以按总线型拓扑、心型拓扑等方式直接挂接在总线上即可，而在CAN 光纤传输的系统中，由于光信号只能单向传输，无法直接挂接，因此需要特定的电路设计。另外，在系统具有多个CAN 光纤节点的情况下，如何设计能够连接多个节点的光纤CAN 中继也是MRI 总系统架构的重要议题。 1 M RI 系统CAN 拓扑
持续改善在图1的MRI 系统CAN 拓扑中，系统主机通过网络和CAN 中继相连，CAN 中继扩展出CAN0、CAN1
、CAN2、CAN3等多个CAN 的链 路，MRI 系统中，连接在CAN 总线上的节点可能有：冷却系统，氦气压缩系统，
磁体监控系统，控制面板，病床，磁体电源系统，R F 射频系统等。从物理上来看，MRI 主机位于诊断室内，蓝虚线框内的部件位于MRI 系统的磁体中，而橙虚线框内的部件位于病床子系统内。其中MRI 主机和系统CAN 中继通过千兆局域网相连，系统CAN 中继扩展出多个CAN 的链路分别连接各节点，位于磁体外侧的病床系统是CAN 链路的衍生节点。
图1 一种MRI 系统的CAN 拓扑
纤CAN 节点，但是由于病床属于子系统模块，不能够采用架构复杂、成本高昂的系统CAN 中继方案，因此病床内需要特殊设计的光纤CAN 中继来连接这些节点，
光纤CAN 网络在磁共振系统中的应用
钱孝云
（上海西门子医疗器械有限公司，上海 201318）
摘要：文章介绍研究了一种适用于磁共振MRI 系统中病床设备的光纤CAN 中继方案，阐述了磁共振MRI 系统的环境特殊性，光纤CAN 在MRI 系统中传输的适用性。通过讲解CAN 双绞线传输原理和单节点到单节点光纤CAN 通信原理，引入多节点光纤CAN 通信拓扑的必要性，详细介绍了设计和工作原理。最后简述了该设计方案的优越性和扩展性。
关键词：MRI ；CAN ；光纤传输doi ：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2021.03.010中图分类号：TN913.7 文献标示码：A 文章编码：1672-7274（2021）03-0027-03
Plastic Fiber Optic CAN Communication in MRI Equipment
QIAN Xiaoyun
(Shanghai Siemens Medical Equipment Co., Ltd., Shanghai 201318, China)
Abstract ：The purpose of the paper is to develop one Plastic Fiber Optic CAN repeater which could be used in patient
table device of MRI equipment. The paper introduces MRI equipment speci fi c magnetic environme
nt and the reason of Fiber Optic CAN communication popularity and suitability in MRI equipment. The research methods include the introduction of CAN communication principle with Shield with Foiled Twisted Paris cable and shortage of single Plastic Fiber Optic CAN node to node communication. and then states the necessity of Multi-node Plastic Fiber Optic CAN. In a result, the Multi-node CAN topography is designed and descripted with detailed block chains. In the end, the paper also indicates the expandability of the concept and design.
Keywords ：MRI; CAN; optical fi ber transmission
作者简介： 钱孝云（1979-），女，汉族，江苏洪泽人，中级职称，硕士研究生，研究方向为医疗电子。
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这也是本文主要讨论和论述的内容。
2 病床光纤CAN 设计
2.1 C AN 双绞线通信模型
评师网按照前面所述，在MRI 系统中的CAN 通信线缆为光纤，光纤的单向性决定了光纤CAN 节点不能采用通用的CAN 收发器如82C25x （x=0，1，2）、SN65HVD251、TCAN1042等芯片直接驱动和接收来自光纤的信号，CAN 通信在双绞线传输的模型如图2所示，CAN 控制器的两个TTL 信号TXD 和RXD 传输至CAN 收发器，CAN 收发器将其转换差分信号CANH 和CANL 发送到连接器X1和X2，其中X1和X2用于连接CAN 总线的
前后节点。
图2 双绞线CAN 通信拓扑
以隔离型收发器ISO1050为例，其驱动接收的真值十七大以来的成就
表如表1所示，CAN 控制器的TXD 和RXD 的对应于总线上的CANH 和CANL 的不同电平状态，从而决定了总线的显性和隐性状态。CANH 的H 电平为3.5 V ，隐性电平为2.5 V ，CANL 的L 电平为1.5 V ，
隐性电平为2.5 V （注：这里以及本文所列出的具体电气值都是在特定条件下的测试值，实际应用中会存在一定的偏差，偏差值和使用环境以及芯片相关，实际使用时请参考芯片手册）。需要特别说明的是，表1中RXD 和TXD 的H 值和前端CAN 控制器有关，如果控制器的IO 高电平是5 V ，那么TXD 和RXD 的H 即为5 V ，如果控制器的IO 高电平为3.3 V 或是1.8 V ，那么TXD 和RXD 的H 即表示3.3 V 和1.8 V ，（对应ISO1050来说，IO 高电平为5 V 或者3.3 V ），L 电平一般来说都为0 V 。在表1中：
表1 ISO1050
真值表
（1）当ISO1050作为驱动输出时，TXD 的电平状态决定了总线的状态。TXD 为L 时（0 V ），对应差分端CANH 为H （3.5 V/5 V ），CANL 为L （1.5 V ），总线上
有差分电压（2 V ），状态为显性。反之，TXD 为H 时（控制器IO 高电平）或者开路时，CANH 和CANL 处于高阻态，总线状态为隐性。
（2）当ISO1050作为接收端时，总线上的差分电平Vid 决定了控制器的输入信号RXD 的电平值，当Vid 大于等于0.9 V ，RXD 的为L ，输入信号有效，当Vid 处于其他的范围或者open 时，RXD 位于高电平或者不确定值，这时候无有效通信数据。
在双绞线通信模型中，CANH 和CANL 的显性和隐形通信电平在3.5 V ，2.5 V 和1.5 V 之间切换，这样的电平值对应光纤中的激光LED 来说比较难以控制，LED 的导通电压一般在2 V 左右，关闭电压小于1.5 V ，所以双绞线的通信模型中的CAN 收发器不适用于光纤通信，而是用CAN 控制器的TTL 信号直接连接光纤和远端CAN 光纤节点通信。
2.2 单节点CAN 光纤通信拓扑
单节点光纤CAN 的通信拓扑比较简单，如图3所动物学哲学
示，CAN 控制器1和TXD1经发送驱动发送给光纤发送器1，经光纤1和光纤接收器2相连，再有接收驱动后输出RXD2给CAN 控制器2，同理，TXD2到RXD1的传输原理和TXD1到RXD2的传输原理一样。
在图3中的光纤发送器可以采用Broadcom 公司的AFBR1528CZ ，接收光纤使用AFBR2528CZ ，（也可以采用AFBR 其他系列，详情请参考），其数据传输率达10 MB/s ，在1 mm 的塑料光纤中可以传输50 m ，适合用于CAN 传输。发送驱动和接收驱动采用CMOS 逻辑门如74LVCxx 或者TTL 逻辑门74AHCT125等即可，输出电流可以达到20 mA 以上。
这样的点到点通信结构简单，但是不能满足MRI 的应用要求，在图1中，病床CAN 中继器上端连接磁体光纤，下端连接的设备有电机驱动器（水平运动和垂直运动）、病床监控测试、灯光装饰节点，需要多个光纤节点相连，因而需要不同的设计和拓扑结构，如1.2.3
。
图3 单节点到单节点光纤CAN
通信拓扑
图4 多节点病床光纤CAN 通信拓扑
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2.3 多节点病床CAN 光纤通信拓扑
如图4所示，在MRI 的病床端，包含病床CAN 控制器提供两路节点CAN 1和CAN 2，节点CAN1的CAN_TXD1/CAN_RXD1经过CAN 收发器11和病床水平运动电气驱动器、垂直运动电机驱动器等节点链接，同时CAN1H/CAN1L 也经CAN 收发器12重新转换为TTL 信号CAN_TXD12/CAN_RXD12，TTL 信号经过光纤发送驱动1、接收驱动1链接到光纤发送器1，光纤接收器1，进而经长距离光纤对1和MRI 的磁体CAN 中继控制器链接，实现磁体和病床的通信。在这个CAN 的链路上，水平运动电机驱动器和垂直运动电机驱动器和病床节点1通过屏蔽双绞线相连，因为这些节点位于同一个电磁屏蔽罩壳内，因而可以省去光纤连接，简化设计。
另一路节点CAN2的设计和CAN1不同，CAN2设计为可以同时和其他两路光纤节点通信。设计原理如下。
当CAN2和监控测试光纤节点2通信时，发送数据时，CAN_TXD2经与门1（光纤节点1无数据发出时的RXD111为高，对与门没有影响，下面其他与门连接原理类似）、发送驱动22、光纤发送器22发送到CAN_TXD22。接收数据时，监控节点的CAN_RXD22经光纤接收器22、接收驱动22、与门2、与门3连接到CAN_RXD2。
当CAN2和灯光光纤节点1通信时，CAN_TXD2经与门2、发送驱动11、光纤发送器11连接到CAN_TXD11。接 收数据时，灯光节点的CAN_TXD11经光纤接收器11、接收驱动11、与门1、与门3连接到CAN_RXD2。
当灯光光纤节点1和监控测试光纤节点2通信时，
CAN_TXD11经光纤接收器11、接收驱动11、与门1、发送驱动22、光纤发送器22连接到CAN_RXD22，接收数据时，CAN_TXD22经光纤接收器22、接收驱动22、与门2、发送驱动11、光纤发送器11连接到CAN_RXD11。在病床CAN 控制器的内部，节点CAN1和节点CAN2可以内部直接进行报文通信，如此可以实现磁体CAN 中继控制器经光纤对1可以和病床中的水平运动电机驱动器、垂直运动电机驱动器、屏蔽罩壳内其他CAN 节点、灯光光纤节点1、监控测试光纤节点2的多个光纤节点的通信要求。
3 结束语
本文论述介绍了一种可以用于MRI 磁场环境中的患者支撑装置病床设备的多节点光纤CAN 拓扑，这种多节点光纤CAN 设计克服了简单光纤CAN 网络只能实现点到点通信的缺点，能够同时连接多个双绞线CAN 节点（水平运动电机驱动器、垂直运动电机驱动器等）、两个光纤CAN 节点（灯光节点、监控测试节点）。本文论述的设计简单经济，通用性强，可以扩展用于其他有多光纤节点要求的应用场合。此外，如果需要3个以上光纤CAN 节点，可以采用逻辑编程器件FPGA 或者CPLD 搭建，以适应复杂的应用场景。
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（上接第21页）务数据，判断存在潮汐效应的；并针对这些使用时间序列分析方法，对业务量进行预测；
根据预测结果，将一段时间内的业务波动进行动态合并，计算出每个的启动时段。实现智能的关闭和启动方案，既能保障用户感知基本无差异的前提下，又能有效降低用电成本，提高电池等设备的使用寿命，最终达到降本增效的目的。
项目总体计划是在2020~2021年两年内研发出基于节能减排的电池脱钩系统，并完成项目的产业化，在2022~2023两年内销售30套，实现3 000万的销售收入，为国家创造税收300万元。本项目推出的基于节能减排的电池脱钩系统将填补国内在该方面的技术空白，大力
弘扬了国家倡导的自主创新精神，大大降低我国5G 网络建设成本，有力地推动5G 产业的纵深发展。
参考文献
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