基于现场总线的医院病房全开放分布式监护系统设计方案

2010-12-24 21:14:17来源: 互联网
  0. 前言

  20世纪80年代初,随着传感检测技术、模拟及数字通信技术、计算机应用技术、微电子技术等许多新技术的迅速发展,带各种微计算机的监护仪及监护系统便应运而生。医院病房监护也逐渐由人工临床监护转向利用现场监护仪及监护系统实现远程监护。特别是90年代开始,网络技术、多媒体技术、信息技术的开发与应用,医院在管理手段上发生着根本性的转变,使医院信息数字化飞速发展。在一些大型综合医院,更是提出了一种基于信息技术,面向21世纪的“数字化医院”的新模式。

  所谓数字化医院是以局域网为依托的一种开放的全开放分布式医院管理信息系统模式,通过计算机网络连接医院分散的各个部门,覆盖患者在医院就诊的各个环节。医院监护系统便是住院管理系统中的一个底层分布式监控局域网。早在七五期间,危重病人监护系统作为国家攻关项目,相继产生了一些初具雏形的总线分布式病房监护方案。但这些所谓的总线式监护系统,由于采用的都是传统串行通信协议,只能实现点对点之间的通信,即使系统通过“主(Master)”设备中转可以实现多点通信,但这种总线网络中只允许存在一个主设备,其余全部是从(Slave)设备,因此各个节点之间不具有互可操作性,并且无法构成多主冗余系统,系统可靠性差。此外,构成系统的节点受主设备负荷限制,扩展性很差,所以传统总线方案都不具备全开放分布式网络性能。而现场总线作为近些年来首先在工控领域发展起来的一种新型技术,目前尚未被应用于医院病房监护领域。现场总线在病房监护全开放分布式系统中的应用,将具有很重要的现实革新意义。

  1. 医院病房分布式监护系统的发展及其现状

  80年代之前,在我国微电子计算机技术尚未兴起,医院病房监护主要依靠人工步行呼叫值班员来对病人进行监护。80年代以后,开始出现由病号呼叫值班员请求医疗护理的各种病房呼叫对讲装置和系统。此后,出现了带各种微计算机的监护仪及监护系统,起初的这种监护系统一般采用专用器件,形成一个独立系统,不提供与外部系统的接口,不能进行远程监护。因此,如何将这些现场监护仪器设备以及独立的监护系统互联起来,构成医院病房监护分布式系统网络,实现远程监护,成为了该领域一个研究的热门课题。随着数字通信技术的迅速发展和应用,适应远程信息传输的串行通信技术逐渐成熟并得到广泛应用,医院病房监护系统开始引入了串行通信技术,利用分布在各个病房的现场监护仪器设备实现对病人生理参数作实时数据采集,通过串行通信接口进行对数据信息的远距离传输,借助远程计算机经医务人员对数据参数进行分析处理形成病人医嘱信息,传输给护士值班员对病人执行临床监护,同时护士值班员也可以在值班室得到病人实时监护请求信息以及简单的监护反馈信息,这样便形成了所谓的医院病房分布式监护系统。

  最先采用的串行通信协议是RS-232接口标准,系统结构如图1所示,该系统采用一般的双绞线做传输介质,实现中心监护站对病人床边监护仪之间点对点的通信,通信简单容易实现。但整个系统随着监护病人数量增多,联网线路太多,而且由于RS-232接口标准出现较早,通信上存在一些不足之处,主要有以下四点:

  (1) 接口的信号电平值较高,易损坏接口电路的芯片,又因为与TTL 电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。

  (2) 传输速率较低,在异步传输时,波特率为20Kbps。

  (3) 接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式,这种共地传输容易产生共模干扰,所以抗噪声干扰性弱。

  (4) 传输距离有限,最大传输距离标准值为50英尺,实际上也只能用在50米左右。

基于RS-232标准系统组成框图

  针对RS-232的不足,于是就不断出现了一些新的接口标准,RS-485就是其中之一,并且在病房监护领域很快得到应用,系统结构如图2所示。

基于RS-485标准系统组成框图

  相对而言,RS485串行通讯接口具备了多点之间相互通信功能,可以说是一种总线标准的通信协议,它具有如下优点:

  (1) RS-485接口信号电平比RS-232降低了,不易损坏接口电路的芯片,且该电平与TTL电平兼容,可方便与TTL电路连接。

  (2) RS-485的数据最高传输速率为10Mbps。

  (3) RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合,抗共模干能力增强,即抗噪声干扰性好。

  (4) RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺,实际上可达3000米,另外RS-232接口在总线上只允许连接1个收发器,即单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达32个收发器。即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。

  尽管RS-485构成的分布式总线系统,和以往出现的分布式系统相比较具有以上诸多优点。但是,和现场总线构成的全开放分布式系统相比较,本身仍然存在一些无法克服的缺陷:

  (1)硬件上检错、纠错、和错误定位能力较弱,系统自身的监控和维护功能差;

  (2)无总线脱离功能,一旦某个节点上的RS-485收发器短路或发生严重错误,整个总线将不能正常工作;

  (3)硬件上没有缓存功能;

  (4)数据通信方式为命令响应式,致使系统灵活性差;

  (5)RS-485总线在空闲时需要在总线上维持一个固定的电流,这对器件的寿命和功耗都产生影响

  (6)RS-485总线网的设备间要想互通信息只有通过“主(Master)”设备中转才能实现,而这种总线网络中只允许存在一个主设备,其余全部是从(Slave)设备,因此各个节点之间不具有互可操作性,并且无法构成多主冗余系统,系统可靠性差;

  (7)RS-485总线不具有开放式互联网的特点,还不能构成全开放分布式的互联通信网络系统。

  2. 现场总线技术特点以及运用在医院病房全开放分布式监护系统中的优点

  由于传统总线系统存在的不足,我们分析了自控领域内多年来发展并应用成熟的现场总线技术的特点,将其引入医院病房监护,构成医院病房全开放分布式监护系统能够很好的克服传

统总线系统的不足。

  现场总线(Fieldbus)是80年代末、90年代初国际上发展形成的,按照ISO/OSI国际标准组织的开放系统互连模型提供网络服务,用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、多变量、多点、多站的通信系统。现场总线系统在技术上具有以下特点:

  (1)系统的开放性 开放系统是指通信协议公开,各不同厂家设备之间可进行互连并实现信息交换。现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里的开放是指对相关标准的一致性、公开性,强调对标准的共识与遵从。一个开放系统,它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。一个具有总线功能的现场总线网络,系统必须是开放的;开放系统把系统集成的权利交给了用户。用户可按自己的需要和考虑,把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。

  (2)互可操作性与互用性 这里的互可操作性,是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通,可实行点对点,一点对多点的数字通信。而互用性则意味着对不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。

  (3)现场设备的智能化与功能自治性 它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成,仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能,并可随时诊断设备的运行状态。

  (4)系统结构的高度分散性 由于现场设备本身可完成自动控制的基本功能,导致现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系,简化了系统结构,提高了可靠性。

  

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关键字:现场总线  RS-485  医院病房  全开放分布式监护系统

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2010/1224/article_1755.html
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