虹科PCAN在医疗设备领域的应用

Application of HongKe PCAN in Medical Equipment

基于虹科PCAN接口卡实现上肢康复训练系统

背景与发展

当今社会心脑血管疾病的发病率和死亡率居高不下,而这类疾病通常都会对患者的大脑产生巨大损伤,从而使患者进一步患上脑中风等疾病的几率大大增加,对身体其他部分也产生病变,比如使患者患上四肢偏瘫、面部偏瘫、语言和视力水平下降等,其中偏瘫是大部分患者的主要表现。其中由于人的上肢本身动作十分精细,因此上肢的康复治疗难度相当大。而传统由医生对患者患肢进行人工方式进行康复训练的方式存在效率低、康复数据控制不够精确、康复训练结果反馈不明显等问题。上述问题,使得将现代自动化控制系统引入到上肢康复训练医疗领域称为一种可能。采用自动化康复训练系统有如下优势:第一是机器人不会疲劳,能够将医生从繁重的工作中解放出来;第二是机器人可以根据不同情况的患者、或者是同一个患者的不同康复阶段灵活的调整康复训练强度和训练模式,并及时直观的反馈训练效果,方便医生做下一步诊断。在上肢康复训练系统中,我们采用CAN总线作为上位机和传感器、电机等的通讯方式,CAN总线技术能够实时、安全地传输系统中的控制指令和反馈数据。目前上海卓道医疗的ArmGuider上肢康复训练系统就是采取了上述技术方案。

1 ArmGuider上肢康复训练系统

基于虹科PCAN接口卡实现的上肢康复训练系统

图2 基于虹科PCAN接口卡实现的上肢康复训练系统

如上图2,由于整个上肢康复训练系统中涉及到到多个电机,同时电机之间还需要实现联动、插补等功能,对通讯的快速性和实时性有一定要求,所以这里我们采用的是CAN总线通讯系统,最高通讯波特率为1Mbit/s,同时载波监听多路访问、逐位仲裁的非破坏性总线仲裁机制保证了通讯的实时性能。而且由于采用了CAN总线技术,我们可以在系统中实现分布式控制,大大提高了设备的维护性和可升级性。

下位机模块则需要根据需求选择支持CAN/CANopen通讯的电机、编码器、传感器(霍尔传感器、角度传感器、力传感器等)和IO模块等,我们可以选用合适的CAN控制器和CAN收发器开发,或者选用市场一些现成的CAN/CANopen模块,比如虹科有提供CAN/CANopen IO模块、CAN/CANopen嵌入式开发方案等产品。

图3 虹科CAN/CANopen产品和开发方案

上位机采用的是工控机+显示器的模式,方便直观的向患者展示康复训练教程,通过一些小游戏增加康复训练过程中的趣味性;或者是向医生反馈现阶段康复训练成果,方便医生为患者提供新的医疗建议。CAN总线通讯采用虹科的PCAN接口卡,根据对设备小型化的需求可选PCIe或者miniPCIe接口,该款型号的CAN接口卡主要有以下两个优点:

  1. 单个产品提供最多两路高速CAN接口,可以实现一些复杂的应用,比如分开控制电机和其他实时要求低的IO模块等
  2. 提供了用于二次编程的PCAN-Basic驱动包,用户可以方便的在C/C++/C#/VB/Java/ Python/Labview等环境下开发康复训练程序,或者使用驱动包来实现CANopen协议,进一步规范化上位机对各个模块的通讯、监控和诊断。CANopen协议用户可以自己开发,或者使用支持了PCAN-Basic的商业CANopen代码包(比如虹科的CANopen协议栈代码)。

虹科PCAN-PCIe/miniPCIe接口卡关键特性

  • CAN接口,用于PC端PCIe/miniPCIe插槽;
  • 最多2路高速CAN通道(ISO 11898-2);
  • 波特率范围为5kbit/s ~ 1Mbit/s;
  • 符合CAN总线规范2.0A (11位ID)和2.0B (29位ID)
  • CAN端使用9针D-Sub连接头 (符合CiA 303-1)
  • NXP SJA1000 CAN控制器 / FPGA实现CAN控制器(兼容SJA1000)、
  • NXP PCA82C251 CAN收发器
  • 通过焊接跳接线可连接5伏电源到CAN连接上,比如用于外部总线转换器
  • CAN接头上的电隔离达到500 V / CAN连接上的电气隔离高达300V。每个CAN通道彼此隔离
  • 扩展工作温度-40 ~ 85℃

总结

通过虹科PCAN-PCIe/miniPCIe接口卡实现上肢康复训练系统,可以将自动化技术引入到康复训练当中,大大提高康复训练过程中的准确度和趣味性,减轻医生体力负担,提高患者康复几率;同时您在开发或者维护阶段,也可以借助我们的PCAN-USB、PCAN-Diag2或者PCAN-Explorer6等设备和软件进行现场的CAN报文分析,快速上手CAN通讯协议。如您也想更进一步了解PCAN接口卡,请联系虹科获取产品资料和试用机会。

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