光纖CAN網絡在磁共振系統中的應用

錢孝云

（上海西門子醫療器械有限公司，上海 201318）

0 引言

磁共振MRI利用人體在強大的靜磁場下按時疊加梯度磁場和射頻磁場，在某一頻率附近產生對高頻電磁場的共振吸收、當射頻RF停止人體中的氫質子釋放能量而成像的大型醫療設備。CAN作為一種實時、高容錯的通信協議在MRI系統中被廣泛的應用，但是由于MRI的強磁場和R F射頻的特殊應用環境，CAN的傳輸方式在MRI系統中不是采用常用的雙絞線傳輸，而是通過POF（塑料光纖）來進行傳輸的。在雙絞線傳輸的CAN系統中，各個節點可以按總線型拓撲、心型拓撲等方式直接掛接在總線上即可，而在CAN光纖傳輸的系統中，由于光信號只能單向傳輸，無法直接掛接，因此需要特定的電路設計。另外，在系統具有多個CAN光纖節點的情況下，如何設計能夠連接多個節點的光纖CAN中繼也是MRI總系統架構的重要議題。

1 MRI系統CAN拓撲

在圖1的MRI系統CAN拓撲中，系統主機通過網絡和CAN中繼相連，CAN中繼擴展出CAN0、CAN1、CAN2、CAN3等多個CAN的鏈 路，MRI系統中，連接在CAN總線上的節點可能有：冷卻系統，氦氣壓縮系統，磁體監控系統，控制面板，病床，磁體電源系統，R F射頻系統等。從物理上來看，MRI主機位于診斷室內，藍色虛線框內的部件位于MRI系統的磁體中，而橙色虛線框內的部件位于病床子系統內。其中MRI主機和系統CAN中繼通過千兆局域網相連，系統CAN中繼擴展出多個CAN的鏈路分別連接各節點，位于磁體外側的病床系統是CAN鏈路的衍生節點。

圖1 一種MRI系統的CAN拓撲

病床內包含驅動器、病床監控、燈光裝飾等多個光纖CAN節點，但是由于病床屬于子系統模塊，不能夠采用架構復雜、成本高昂的系統CAN中繼方案，因此病床內需要特殊設計的光纖CAN中繼來連接這些節點，這也是本文主要討論和論述的內容。

2 病床光纖CAN設計

2.1 CAN雙絞線通信模型

按照前面所述，在MRI系統中的CAN通信線纜為光纖，光纖的單向性決定了光纖CAN節點不能采用通用的CAN收發器如82C25x（x=0，1，2）、SN65HVD251、TCAN1042等芯片直接驅動和接收來自光纖的信號，CAN通信在雙絞線傳輸的模型如圖2所示，CAN控制器的兩個TTL信號TXD和RXD傳輸至CAN收發器，CAN收發器將其轉換差分信號CANH和CANL發送到連接器X1和X2，其中X1和X2用于連接CAN總線的前后節點。

圖2 雙絞線CAN通信拓撲

以隔離型收發器ISO1050為例，其驅動接收的真值表如表1所示，CAN控制器的TXD和RXD的對應于總線上的CANH和CANL的不同電平狀態，從而決定了總線的顯性和隱性狀態。CANH的H電平為3.5 V，隱性電平為2.5 V，CANL的L電平為1.5 V，隱性電平為2.5 V（注：這里以及本文所列出的具體電氣值都是在特定條件下的測試值，實際應用中會存在一定的偏差，偏差值和使用環境以及芯片相關，實際使用時請參考芯片手冊）。需要特別說明的是，表1中RXD和TXD的H值和前端CAN控制器有關，如果控制器的IO高電平是5 V，那么TXD和RXD的H即為5 V，如果控制器的IO高電平為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，（對應ISO1050來說，IO高電平為5 V或者3.3 V），L電平一般來說都為0 V。在表1中：

表1 ISO1050真值表

（1）當ISO1050作為驅動輸出時，TXD的電平狀態決定了總線的狀態。TXD為L時（0 V），對應差分端CANH為H（3.5 V/5 V），CANL為L （1.5 V ），總線上有差分電壓（2 V），狀態為顯性。反之，TXD為H時（控制器IO高電平）或者開路時，CANH和CANL處于高阻態，總線狀態為隱性。

（2）當ISO1050作為接收端時，總線上的差分電平Vid決定了控制器的輸入信號RXD的電平值，當Vid大于等于0.9 V，RXD的為L，輸入信號有效，當Vid處于其他的范圍或者open時，RXD位于高電平或者不確定值，這時候無有效通信數據。

在雙絞線通信模型中，CANH和CANL的顯性和隱形通信電平在3.5 V，2.5 V和1.5 V之間切換，這樣的電平值對應光纖中的激光LED來說比較難以控制，LED的導通電壓一般在2 V左右，關閉電壓小于1.5 V，所以雙絞線的通信模型中的CAN收發器不適用于光纖通信，而是用CAN控制器的TTL信號直接連接光纖和遠端CAN光纖節點通信。

2.2 單節點CAN光纖通信拓撲

單節點光纖CAN的通信拓撲比較簡單，如圖3所示，CAN控制器1和TXD1經發送驅動發送給光纖發送器1，經光纖1和光纖接收器2相連，再有接收驅動后輸出RXD2給CAN控制器2，同理，TXD2到RXD1的傳輸原理和TXD1到RXD2的傳輸原理一樣。

在圖3中的光纖發送器可以采用Broadcom公司的AFBR1528CZ，接收光纖使用AFBR2528CZ，（也可以采用AFBR其他系列，詳情請參考官網），其數據傳輸率達10 MB/s，在1 mm的塑料光纖中可以傳輸50 m，適合用于CAN傳輸。發送驅動和接收驅動采用CMOS邏輯門如74LVCxx或者TTL邏輯門74AHCT125等即可，輸出電流可以達到20 mA以上。

這樣的點到點通信結構簡單，但是不能滿足MRI的應用要求，在圖1中，病床CAN中繼器上端連接磁體光纖，下端連接的設備有電機驅動器（水平運動和垂直運動）、病床監控測試、燈光裝飾節點，需要多個光纖節點相連，因而需要不同的設計和拓撲結構，如1.2.3。

圖3 單節點到單節點光纖CAN通信拓撲

圖4 多節點病床光纖CAN通信拓撲

2.3 多節點病床CAN光纖通信拓撲

如圖4所示，在MRI的病床端，包含病床CAN控制器提供兩路節點CAN 1和CAN 2，節點CAN1的CAN_TXD1/CAN_RXD1經過CAN收發器11和病床水平運動電氣驅動器、垂直運動電機驅動器等節點鏈接，同時CAN1H/CAN1L也經CAN收發器12重新轉換為TTL信號CAN_TXD12/CAN_RXD12，TTL信號經過光纖發送驅動1、接收驅動1鏈接到光纖發送器1，光纖接收器1，進而經長距離光纖對1和MRI的磁體CAN中繼控制器鏈接，實現磁體和病床的通信。在這個CAN的鏈路上，水平運動電機驅動器和垂直運動電機驅動器和病床節點1通過屏蔽雙絞線相連，因為這些節點位于同一個電磁屏蔽罩殼內，因而可以省去光纖連接，簡化設計。

另一路節點CAN2的設計和CAN1不同，CAN2設計為可以同時和其他兩路光纖節點通信。設計原理如下。

當CAN2和監控測試光纖節點2通信時，發送數據時，CAN_TXD2經與門1（光纖節點1無數據發出時的RXD111為高，對與門沒有影響，下面其他與門連接原理類似）、發送驅動22、光纖發送器22發送到CAN_TXD22。接收數據時，監控節點的CAN_RXD22經光纖接收器22、接收驅動22、與門2、與門3連接到CAN_RXD2。

當CAN2和燈光光纖節點1通信時，CAN_TXD2經與門2、發送驅動11、光纖發送器11連接到CAN_TXD11。接 收數據時，燈光節點的CAN_TXD11經光纖接收器11、接收驅動11、與門1、與門3連接到CAN_RXD2。

當燈光光纖節點1和監控測試光纖節點2通信時，CAN_TXD11經光纖接收器11、接收驅動11、與門1、發送驅動22、光纖發送器22連接到CAN_RXD22，接收數據時，CAN_TXD22經光纖接收器22、接收驅動22、與門2、發送驅動11、光纖發送器11連接到CAN_RXD11。在病床CAN控制器的內部，節點CAN1和節點CAN2可以內部直接進行報文通信，如此可以實現磁體CAN中繼控制器經光纖對1可以和病床中的水平運動電機驅動器、垂直運動電機驅動器、屏蔽罩殼內其他CAN節點、燈光光纖節點1、監控測試光纖節點2的多個光纖節點的通信要求。

3 結束語

本文論述介紹了一種可以用于MRI磁場環境中的患者支撐裝置病床設備的多節點光纖CAN拓撲，這種多節點光纖CAN設計克服了簡單光纖CAN網絡只能實現點到點通信的缺點，能夠同時連接多個雙絞線CAN節點（水平運動電機驅動器、垂直運動電機驅動器等）、兩個光纖CAN節點（燈光節點、監控測試節點）。本文論述的設計簡單經濟，通用性強，可以擴展用于其他有多光纖節點要求的應用場合。此外，如果需要3個以上光纖CAN節點，可以采用邏輯編程器件FPGA或者CPLD搭建，以適應復雜的應用場景。