智能醫(yī)療設(shè)備中的總線技術(shù)探討

孫志輝，周 尚，門述強(qiáng)

智能醫(yī)療設(shè)備中的總線技術(shù)探討

孫志輝，周 尚，門述強(qiáng)

分析了總線技術(shù)在智能醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)中的重要作用，介紹了總線的定義和原理，并根據(jù)不同的劃分方式對(duì)總線的種類進(jìn)行了劃分。從通信介質(zhì)、通信距離、最大容量、傳輸速度等方面闡述了RS-232總線、IEEE-488總線、USB總線和以太網(wǎng)總線的性能，指出了各類總線的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)開發(fā)、使用、維修、檢測智能醫(yī)療設(shè)備有著積極的推動(dòng)作用。

智能醫(yī)療設(shè)備；總線技術(shù)；總線種類

0 引言

1 總線定義

在電子學(xué)定義上，總線通常特指連接計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備之間傳輸信息的公共數(shù)據(jù)通道（即一組傳輸線），它采取分時(shí)復(fù)用的方式傳送信息。其重要特征是可讓總線上的所有設(shè)備共享，可以將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)、外的多種設(shè)備連接到總線上。如果是某2臺(tái)設(shè)備或設(shè)備之間專用的信號(hào)連線，則不能稱之為總線。

2 總線原理

總線是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)各設(shè)備組件（包括外圍設(shè)備）之間數(shù)據(jù)交換的規(guī)范化通道，保證以一種規(guī)定的方式為各組件提供數(shù)據(jù)傳送途徑和控制邏輯。另一方面，如果把計(jì)算機(jī)主板比作一座城市，那么總線就像是城市里的公共交通工具，能按照固定行車路線，來回不停地傳輸數(shù)據(jù)——比特（bit）。這些線路在同一時(shí)間內(nèi)僅能傳輸一個(gè)比特?cái)?shù)據(jù)，因此必須同時(shí)采用多條線路才能傳送更多的數(shù)據(jù)，而總線可同時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量就稱為總線帶寬，以比特為單位，總線帶寬愈大，傳輸性能就愈佳。單位時(shí)間內(nèi)可以傳輸?shù)目倲?shù)據(jù)數(shù)：

總線帶寬=頻率×寬度（bytes/s）。

實(shí)現(xiàn)總線技術(shù)的關(guān)鍵在于線路的“共用”和數(shù)據(jù)的“交錯(cuò)”。當(dāng)所有器件都以高阻態(tài)形式連接到總線時(shí)，我們稱總線此時(shí)為“空閑”，這時(shí)其中的一個(gè)器件可以進(jìn)行通信；主動(dòng)發(fā)起通信的器件驅(qū)動(dòng)總線，發(fā)出目的器件的地址和需要傳送的數(shù)據(jù)，總線狀態(tài)為“忙”，與地址信息相匹配的器件（以高阻態(tài)形式連接在總線上）就可以通過總線接收數(shù)據(jù)。通信結(jié)束后，總線重新回到“空閑”狀態(tài)，等待下一次通信。這樣，通過總線技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)一套計(jì)算機(jī)主機(jī)同時(shí)控制多臺(tái)傳統(tǒng)意義上的醫(yī)療設(shè)備和打印機(jī)、顯示器、讀碼器、報(bào)警器、控制器等，形成基于數(shù)字化、系統(tǒng)化、信息化的智能醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)。

3 總線種類

（1）根據(jù)總線功能，可以分為地址總線和數(shù)據(jù)總線2種。一些硬件系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)總線和地址總線采取分時(shí)公用的方式，也就是說，這些傳輸總線在某些時(shí)刻出現(xiàn)的信號(hào)為數(shù)據(jù)的地址，而在另外一些時(shí)刻則表示數(shù)據(jù)；還有一些硬件系統(tǒng)的總線則是完全分開的，數(shù)據(jù)總線和地址總線是物理分開使用的。例如：在51系列單片機(jī)中，地址總線和數(shù)據(jù)總線為復(fù)用方式，而在個(gè)人計(jì)算機(jī)中的地線總線和數(shù)據(jù)總線則是分開設(shè)計(jì)。

（2）總線還可根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)方式不同，分為串行總線和并行總線。串行總線傳輸數(shù)據(jù)需要以二進(jìn)制的形式，將數(shù)據(jù)逐位分時(shí)通過一根數(shù)據(jù)線發(fā)送到目的器件，目的器件按照預(yù)定協(xié)議按固定周期讀取單位數(shù)據(jù)；并行總線的數(shù)據(jù)線通常在2根以上，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)多位數(shù)據(jù)同時(shí)在不同線路并行傳送到目的器件，目的器件在同一時(shí)間即可獲得單位數(shù)據(jù)。醫(yī)療設(shè)備中通常遇到的串行總線有串行設(shè)備接口（serial peripheral interface，SPI）、通用串行總線（universal serial bus，USB）及RS232等，個(gè)人計(jì)算機(jī)中的外設(shè)部件互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)（peripheral component interconnect，PCI）和指令集架構(gòu)（instruction set architecture，ISA）總線都屬于并行總線。

（五）宣傳營銷不夠，土家文化知曉度低。在縣城、重點(diǎn)旅游鄉(xiāng)鎮(zhèn)、主要景區(qū)節(jié)點(diǎn)、滬渝高速出口、火車站等重點(diǎn)區(qū)域和領(lǐng)域缺少特有的文化“符號(hào)”，旅游宣傳的重點(diǎn)突出體現(xiàn)在風(fēng)光類產(chǎn)品、節(jié)會(huì)活動(dòng)等方面，眾多游客知道石柱黃水、大風(fēng)堡、千野草場，但對(duì)秦良玉等土家文化還是不甚了解，其知曉度僅局限于本縣“圈內(nèi)人”。

（3）串行總線根據(jù)時(shí)鐘信號(hào)是否獨(dú)立可以分為同步串行總線和異步串行總線。SPI以及I2C（interintegrated circuit）屬于同步串行總線，異步串行總線的代表是RS232。它們的不同點(diǎn)在于，同步串行總線的時(shí)鐘信號(hào)獨(dú)立于數(shù)據(jù)信號(hào)，而異步總線的時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)的時(shí)鐘信號(hào)則是從同一時(shí)鐘提取出來的。

（4）按照總線與處理器之間的關(guān)系劃分，可以分為內(nèi)部總線和外部總線。直接與CPU連接的稱之為內(nèi)部總線，如I2C、SPI、串行通信接口（serial communication interface，SCI）總線；通過輔助器件與處理器通信的稱之為外部總線，如RS-232-C、RS-485、IEEE-488、USB總線。

4 總線技術(shù)優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)

4.1 總線結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)

（1）簡化硬件設(shè)計(jì)。利用面向總線的微型計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方法，可以十分方便地設(shè)計(jì)出模塊化結(jié)構(gòu)，CPU插件、存儲(chǔ)器插件以及I/O插件等都可以按照模塊分別設(shè)計(jì)，最后將它們統(tǒng)一連入總線系統(tǒng)即可。

（2）優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。采用總線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可大量實(shí)現(xiàn)底板連線的印制化，大大減少系統(tǒng)硬件的外部連線，從而使整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡化、清晰、有效。

（3）提高系統(tǒng)擴(kuò)充性。一方面，當(dāng)硬件系統(tǒng)需要在功能上或規(guī)模上進(jìn)行擴(kuò)充時(shí)，僅僅需要保證插入的插件是相同類型或具有相同協(xié)議即可；另一方面，如果需要擴(kuò)充醫(yī)療設(shè)備的功能，可以按照總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)新的功能插件，而插件的拆裝都比較靈活，沒有嚴(yán)格的限制。

（4）增強(qiáng)系統(tǒng)可更新性。由于存儲(chǔ)器、CPU、I/O等接口都是按總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則獨(dú)立掛接到總線上的，因此可以隨時(shí)根據(jù)芯片的發(fā)展設(shè)計(jì)新的插件，對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行更新，而其他插件和底板連線一般不需要改，增強(qiáng)了醫(yī)療設(shè)備的更新性。

（5）提高故障診斷和維修效率。采取總線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以提高醫(yī)療設(shè)備故障診斷的智能性，可以借助智能化的主板測試卡對(duì)出現(xiàn)故障的部位、總線類型進(jìn)行分析和識(shí)別。

4.2 總線結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)

（1）區(qū)別于單獨(dú)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)，總線結(jié)構(gòu)傳送數(shù)據(jù)具有分時(shí)性。每當(dāng)有多個(gè)設(shè)備同時(shí)申請(qǐng)使用總線時(shí)，會(huì)引起協(xié)議沖突，必須通過總線仲裁來解決。

（2）不同于單一硬件系統(tǒng)的資源獨(dú)占，總線結(jié)構(gòu)的帶寬是有限的，特別是當(dāng)多個(gè)硬件設(shè)備之間缺乏資源調(diào)控機(jī)制時(shí)，很容易造成總線數(shù)據(jù)傳送的延時(shí)，對(duì)某些需即時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備來說是致命缺點(diǎn)。

（3）以總線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)醫(yī)療設(shè)備時(shí)，硬件設(shè)備必須要設(shè)計(jì)帶有信息篩選的功能，用于準(zhǔn)確地判斷總線上的信息是否是傳給自己的。

5 幾種常用總線

5.1 RS-232總線

RS-232總線是一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)，可以在簡單的電話線上交換數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，由美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)（Electronic Industries Association，EIA）制定。它在主計(jì)算機(jī)和遠(yuǎn)程終端之間，通過調(diào)制解調(diào)器實(shí)現(xiàn)。RS-232設(shè)有25條信號(hào)線，其中包括1根主通道和1根輔助通道。通常雙工通信時(shí)，僅需1根發(fā)送線、1根接收線及一條地線[1]就可實(shí)現(xiàn)較為可靠的通信。

從1981年到20世紀(jì)90年代，RS232兼容接口是PC機(jī)串行通信的標(biāo)準(zhǔn)。1997年，由于微軟要推行USB總線，RS232受到了來自微軟的擠壓。到2005年，在主流PC機(jī)上已經(jīng)很難看到RS232串行接口了。

采用RS-232標(biāo)準(zhǔn)的通信距離一般為20 m以內(nèi)。原因包括2點(diǎn)：一是驅(qū)動(dòng)器允許有2 500 pF的電容負(fù)載，限制了通信距離；二是RS-232屬單端信號(hào)傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題[1]。

5.2 IEEE-488總線

與RS-232總線不同，IEEE-488總線屬于并行總線結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)按照“位”并行或“字節(jié)”串行雙向異步方式進(jìn)行傳輸，設(shè)備單元可以直接連于總線之上[1]。IEEE-488總線最大容量是同時(shí)連接15臺(tái)設(shè)備。

IEEE-488總線使用了很少應(yīng)用的24針微帶連接器，其中16根信號(hào)線包括8根雙向數(shù)據(jù)交換線、3根握手信號(hào)線和5根總線管理信號(hào)線，另外還有8根地線。IEEE-488允許以菊花鏈的連接方式最多連接15臺(tái)設(shè)備，這些設(shè)備共享同一個(gè)8位并行總線。IEEE-488總線的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是其堅(jiān)固的設(shè)計(jì)和可靠的服務(wù)，贏得了高可靠性的美譽(yù)。

IEEE-488總線的缺點(diǎn)包括：隨著儀器數(shù)量的增加，總線速度會(huì)顯著降低；專用電纜價(jià)格很高；在系統(tǒng)計(jì)算機(jī)中需要安裝專用的IEEE-488控制卡。

5.3 USB總線

USB總線是由 Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、Northern Telecom這7家世界著名的[2]計(jì)算機(jī)通信公司共同推出的，實(shí)現(xiàn)了外圍設(shè)備的簡單快速連接，使PC外設(shè)的低成本、易擴(kuò)展成為可能。USB技術(shù)的最突出特點(diǎn)是快速，傳統(tǒng)USB的最高傳輸率可達(dá)12 Mbps，最新USB3.0傳輸率最高達(dá)25 Gbps。此外，USB還可以為外設(shè)提供電源，解決了以往使用串、并口設(shè)備需要使用單獨(dú)供電系統(tǒng)的問題，而且USB還能支持多媒體、移動(dòng)存儲(chǔ)等家庭常用功能。如今，幾乎所有的消費(fèi)電子產(chǎn)品都有USB2.0以上接口。

USB總線支持4種傳輸方式：控制方式、批量方式、中斷方式和等時(shí)方式?？刂品绞接脕碓谥鳈C(jī)與設(shè)備間交換配置、設(shè)置和命令信息。為了確保這些數(shù)據(jù)包正確傳輸，需要進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn)（cyclic redundancy check，CRC），必要時(shí)啟動(dòng)重新發(fā)送。批量方式是在實(shí)時(shí)性要求不強(qiáng)的情況下，傳輸大量數(shù)據(jù)時(shí)使用，典型應(yīng)用為打印機(jī)和掃描儀。批量傳輸就像個(gè)填充器，在沒有更重要的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)請(qǐng)求閑置的總線帶寬，用CRC校驗(yàn)來保證數(shù)據(jù)的正確性。雖然CPU在轉(zhuǎn)向檢測、輪詢?cè)O(shè)備是否需要服務(wù)時(shí)不能中斷，但在交換需引起注意的少量信息（比如鼠標(biāo)、鍵盤等）時(shí)可中斷傳輸，用錯(cuò)誤校驗(yàn)確保數(shù)據(jù)有效。等時(shí)傳輸方式用來處理來自視頻或者音頻設(shè)備的數(shù)據(jù)流，這些信號(hào)是時(shí)間敏感信息，所以在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，USB總線必須保證傳輸完成。這種傳輸方式?jīng)]有錯(cuò)誤校驗(yàn)，所以系統(tǒng)必須容忍偶爾的字節(jié)錯(cuò)誤。

USB總線使用串行協(xié)議，在一對(duì)雙絞線上傳輸各種差分信號(hào)，支持所有類型的數(shù)據(jù)傳輸，從速度較慢的鼠標(biāo)輸入信號(hào)到數(shù)字音頻，甚至壓縮視頻信號(hào)；USB總線網(wǎng)絡(luò)使用了客戶-服務(wù)器架構(gòu)，并使用了分層星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由一個(gè)主機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)。只有當(dāng)主機(jī)發(fā)起請(qǐng)求時(shí)，才能與其通信。相反，具有控制器的火線設(shè)備中，任何節(jié)點(diǎn)都可以在任何時(shí)間控制網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況，發(fā)起與任何節(jié)點(diǎn)的通信；USB規(guī)范中規(guī)定USB總線提供+5 V的供電能力；一個(gè)主控制器可以支持127臺(tái)設(shè)備；電纜長度最大為5 m，但是如果用USB集線器或有源的擴(kuò)展電纜，最大長度可以達(dá)到25 m；此外，USB總線還具有低成本和熱插拔的特點(diǎn)。存在的不足有2點(diǎn)：（1）連接器雖然很牢固，但是沒有鎖緊結(jié)構(gòu)，所以USB總線不適用于電纜沒有固定或振動(dòng)的環(huán)境；（2）由于總線控制任務(wù)由主機(jī)負(fù)責(zé)，所以USB比火線占用的CPU資源多。一旦計(jì)算機(jī)執(zhí)行完任務(wù)，USB設(shè)備只能獲取較少的資源，工作速度會(huì)變慢，很少能夠達(dá)到480 MB/s的理論傳輸速度。

5.4 以太網(wǎng)總線

首次出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)性以太網(wǎng)的速度為3 MB/s，并使用8位源與目的地址字段；雙絞線以太網(wǎng)（10BASE-T）系統(tǒng)最初是以星形局域網(wǎng)的形式出現(xiàn)，但隨后的10BASE-T被廣泛認(rèn)可，10GBASE-T使傳輸速率達(dá)到10 GB/s，傳輸介質(zhì)使用F類或E類加長的雙絞銅線，通過4個(gè)連接器，傳輸距離可以達(dá)到100 m。以太網(wǎng)隨后迅猛發(fā)展，至今已成為組成廣大地區(qū)局域網(wǎng)的主要技術(shù)。

由于以太網(wǎng)的普遍應(yīng)用，其硬件價(jià)格不斷下降，利用雙絞線作為通信媒介使得面板空間減小，并且生產(chǎn)廠商將以太網(wǎng)卡的功能直接內(nèi)嵌在PC主板上，排除了需要單獨(dú)安裝網(wǎng)卡的麻煩，這也成為以太網(wǎng)廣泛應(yīng)用的重要原因之一。

6 結(jié)語

醫(yī)療設(shè)備是現(xiàn)代技術(shù)綜合運(yùn)用的產(chǎn)物，它功能繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、涉及領(lǐng)域廣、更新?lián)Q代快，對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性能、便捷維修和智能升級(jí)等有較高的要求。因此，充分利用總線技術(shù)，對(duì)提高醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)高效性、系統(tǒng)擴(kuò)充性、功能智能性以及信息網(wǎng)絡(luò)化具有重要作用，并可在短時(shí)間內(nèi)迅速提升我國醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)業(yè)行業(yè)的研究能力和水平，研制出一批適合中國醫(yī)療市場的醫(yī)療設(shè)備，推出一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的醫(yī)療設(shè)備民族品牌[3]。

[1] 陸宏軍.計(jì)算機(jī)總線技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用[J].甘肅冶金，2004，26（4）：49-51.

[2] 黃世安，劉志國.CAN總線在醫(yī)療中的應(yīng)用及展望[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2014，35（8）：112-115.

[3] 周璞，趙小利，曹修哲.CAN總線在X線遙控透視診斷機(jī)中的應(yīng)用[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，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

軍事醫(yī)學(xué)計(jì)量科研專項(xiàng)課題（2012-JL1-035）

孫志輝（1970—），男，高級(jí)工程師，主要從事醫(yī)療設(shè)備計(jì)量、檢修方面的研究工作。

100071北京，總后衛(wèi)生部藥品儀器檢驗(yàn)所（孫志輝，周 尚）；065000河北廊坊，北京北大方正軟件技術(shù)學(xué)院（門述強(qiáng)）