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）

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 MRI系统CAN拓扑

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，蓝色虚线框内的部件位于MRI系统的磁体中，而橙色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

病床内包含驱动器、病床监控、灯光装饰等多个光纤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，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 CAN双绞线通信模型

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，详情请参考官网），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

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。