呼吸机Modbus通信模块设计
呼吸机Modbus通信模块设计[20191213112351]
摘 要
呼吸机是一种能代替、控制或改变人的正常生理呼吸，增加肺通气量，改善呼吸功能，减轻呼吸功消耗，节约心脏储备能力的装置。呼吸机工作过程是向肺充吸气向呼气转换，排出肺泡气以及呼气向吸气转换，依次循环往复。呼吸机使用者的呼吸状态由差压传感器反馈给控制器，控制器进而调节涡轮泵的工作状态。
本次毕业设计主要是关于的通信方面的技术。主要针对大医院呼吸机比较多的情况，在呼吸机大量传输数据和许多呼吸机传输数据时出现数据混乱丢失等情况。提出用modbus协议作为呼吸机传输数据得协议。设计出性价比较高，稳定性很好的电路。主要利用单片机的稳定性能和低功耗能够降低成本。经测试针对呼吸机传输问题能够达到数据稳定性高，电源功耗低，传速率高的特点。课题任务硬件基本都是利用单片机开发板完成，软件利用keil进行程序的编写用c#进行监控，技术成本比较其他而言比较的低。
本课题综合运用了课题将综合运用传感器技术、自动控制技术、计算机技术、通信技术，解决呼吸机在传输时数据出现混乱的问题，从而降低呼吸机自主研发的成本。具有提高国产呼吸机的性能和其他运作指标，能够促进呼吸机进一步发展。从而进一步提高呼吸机的使用价值。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:】呼吸机；稳定性；技术；性价比
目 录
摘 要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1课题背景 1
1.2需求分析 2
1.3课题任务 3
第2章 系统的总体设计 4
2.1 现场总线分析及选型 4
2.1.1 CAN总线 协议 4
2.1.2 I2C总线协议 7
2.2 系统的总体设计 10
第3章 单片机相关模块的开发 12
3.1 开发平台的选型 12
3.1.1 keil软件的选择 12
3.1.2 基于keil的单片机的开发 13
3.2 MCU最小系统的设计 14
3.2.1 MCU的选型 14
3.2.2 最小系统的介绍 15
3.3 AD/DA 转换模块 16
3.3.1 PCF8591的工作原理 17
3.3.2 PCF8591电路设计 19
3.4串口模块的开发 20
3.5 液晶显示模块的开发 22
3.5.1 1602的原理 23
3.5.2 1602 的电路设计 23
3.5.3 1602的程序设计 24
3.6 MODBUS的运用 25
3.6.1 Modbus两种通讯模式 26
3.6.2 CRC校验 27
第4章 系统调试 28
4.1 modbus poll的介绍 28
4.2 硬件调试 31
4.3 软件调试 32
4.3.1 设置变量 32
4.3.2 调试结果 32
4.4数据异常模块的开发 33
第5章 结束语 35
5.1 总结 35
参考文献 36
致 谢 38
附录 39
源程序 39
一 英文原文 47
二 英文翻译 52
第1章 绪论
1.1 课题背景
随着医学和科学技术的快速发展，呼吸机已经变成医学上不可缺少的一样医学器件，呼吸机在维护不能自主呼吸的病人做出很大的贡献 。在我国医疗水平不断提升的同时，医院救助设备不能够更上医疗水平发展的脚步，不管大医院还是小型的诊所，呼吸机都能够在关键时刻发挥关键作用，尤其在病人不能再自主呼吸或者呼吸困难，呼吸机能够维护病人的自主呼吸，能够为医生救援争取宝贵的时间。
现在的呼吸机适应范围广，成人、儿童、新生儿都可使用。具有最全面的通气模式，全程支持患者的自主呼吸。双水平气道正压，解决了机械通气和人机对抗的问题；自主容量功能，保证以最低的压力输送需要的潮气量，解决了人机对抗问题。且监测全面，能够监测容量、压力、频率、流苏和通气情况。脱机功能卓越，BIPAP通气和脱机模式，在任何时候都给予病人充分的呼吸自由，不仅减少了镇定剂的使用和通气创伤的发生，还增加了病人自动产生自主呼吸的能力。界面功能强大，可选择的趋势图，呼吸环，测量数值，呼吸曲线，记录本都能在呼吸机那宽大的屏幕上显示出来，功能强大的触摸屏将高度灵活的操作和按键以及旋钮功能结合在了一起，操作简易方便。[16]
图1-1呼吸机的实物图（1）
图1.2 呼吸机的实物图（2）
1.2 需求分析
全中国有14亿人口，据统计每天大约有2百万人需要 用到呼吸机的，全国很多大医院都是从日本和德国进口医疗设备 ，外国的设备比国内先进，但价格的昂贵也就注定不能大批从国外进口，所以很多病人不能够在生病时得到很好地治疗，容易引起医疗纠纷和社会矛盾。
通过社会调查现阶段中国不是所有的医院都能够装备先进的呼吸机原因有很多。
通过对医院的走访调查发现医院主要要求呼吸机有如下几个功能。
首先能够自主测试运行环境能够自主调节，能够保持呼吸机的湿度、温度。能够提供比空气中氧气浓度大气体。
要能够控制电机的运行速度，在调节后的速率一定要稳定。
要能够应付一些突发状况。呼吸机设计要尽量操作简单，控制界面能够一目了然。
然而国内的呼吸机设计相对有些比较落后，不能够满足很多医院的操作要求，在功耗，效率，数据传输的稳定性上都不能够更上要求。
1.3 课题任务
针对大量呼吸机传输时会出现数据混乱和很多呼吸机一起传输时会出现数据异常。关于上面提到的一系列问题主要是关于呼吸机同行的问题，本次毕业设计主要是针对呼吸机于电脑之间通信问题，在集中通信协议中选出modbus作为呼吸机和电脑直接的通信协议。将利用大学里所学习的传感器技术、自动控制技术、计算机技术、通信技术，设计出稳定性高，价格比较低的电路。
选择单片机作为解决问题的核心芯片，其中STC89C51是大学里主讲的一款芯片，利用单片机解决实际生活中难以解决的问题。这样可以较好地培养学生分析、解决实际问题的能力，以及电路设计、程序设计、系统调试的能力。
还有就是增加分析能力的问题，然后把大学中所学的知识能够得到充分的利用。在真正实现毕业设计的主要功能基础上能够将实际中的问题解决。
第2章 系统的总体设计
2.1 现场总线分析及选型
2.1.1 CAN总线 协议
CAN总线的物理层是将ECU连接至总线的驱动电路ECU的总数将受限于总线上的电气负荷。物理层定义了物理数据在总线上各节点间的传输过程，主要是连接介质、线路电气特性、数据的编码／解码、位定时和同步的实施标准。BOSCH CAN基本上没有对物理层进行定义，但基于CAN的ISO标准对物理层进行了定义。设计一个CAN系统时，物理层具有很大的选择余地，但必须保证
CAN协议中媒体访问层非破坏性位仲裁的要求，即出现总线竞争时，具有较高优先权的报文获取总线竞争的原则，所以要求物理层必须支持CAN总线中隐性位和显性位的状态特征。在没有发送显性位时，总线处于隐性状态，空闲时，总线处于隐性状态；当有一个或多个节点发送显性位，显性位覆盖隐性位，使总线处于显性状态。在此基础上，物理层主要取决于传输速度的要求。从物理结构上看，物理层从结构上可分为三层：分别是物理层信令(Physical Layer Signaling，PLS) 物理介质附件(Physical MediaAttachment，PMA) 层和介质从属接口(Media Dependent：Inter-face，MDI) 层。其中PLS连同数据链路层功能由CAN控制器完成，PMA层功能由CAN收发器完成，MDI层定义了电缆和连接器的特性。目前也有支持CAN的微处理器内部集成了CAN控制器和收发器电路，如MC68HC908GZl6 PMA和MDI两层有很多不同的国际或国家或行业标准，也可自行定义，比较流行的是ISOll898定义的高速CAN发送／接收器标准。理论上，CAN总线上的节点数几乎不受限制，可达到2000个，实际上受电气特性的限制，最多只能接100多个节点。
CAN的数据链路层是其核心内容，其中逻辑链路控制(Logical Link control LLC) 完成过滤、过载通知和管理恢复等功能，媒体访问控制(Medium Aeeess control MAC) 子层完成数据打包／解包、帧编码、媒体访问管理、错误检测、错误信令、应答、串并转换等功能。这些功能都是围绕信息帧传送过程展开的。
CAN总线基本特点：
（1），报文：总线上的信息以不同格式的报文发送，但长度有限。当总线开放时，任何连接的单元均可开始发送一个新报文。
（2），信息路由：在CAN系统中，一个CAN节点不使用有关系统结构的任何信息，这里包含一些重要的概念：系统灵活性——节点可以在不要求所有节点及其应用层改变任何软件或硬件的情况下，被接于CAN网络。报文通信——一个报文的内容由其标示符ID命，ID并不指出报文的目的，但描述数据的含义，以便网络中的所有节点有可能借助报文滤波决定该数据是否使它们激活。成组——由于采用了报文滤波，所有节点均可接受报文，并同时被相同的报文激活。数据相容性——在CAN网络中，可以确保报文同时被所有的节点或者没有节点接受，因此，系统的数据相容性是借助于成组和出错处理达
（3），位速率：CAN的数据传输率在不同的系统中是同的，而在一个系统中是固定的速率。
（4），优先权：在总线访问期间，标示符定义了一个报文静态的优先权。
（5），远程数据请求：通过发送一个远程帧，需要数据的节点可以请求另一个节点发送相应的数据帧，该数据帧与对应的远程帧以相同的标示符ID命名。
（6），多主站：当总线开放时，任何单元均可以开始发送报文，发送具有最高优先权报文。
CAN总线主要运用在工业上较多
2.1.2 MOUBUS总线协议
Modbus是由Modicon（现为施耐德电气公司的一个品牌）在1979年发明的，是全球第一个真正用于工业现场的总线协议。为更好地普及和推动Modbus在基于以太网 上的分布式应用 ，目前施耐德公司已将Modbus协议 的所有权移交给IDA（Interface for Distributed Automation，分布式自动化接口）组织，并成立了Modbus-IDA组织，为Modbus今后的发展奠定了基础。在中国，Modbus已经成为国家标准GB/T19582-2008。据不完全统计：截止到2007年，Modbus的节点 安装数量已经超过了1000万个。
Modbus协议是应用于电子控制器 上的一种通用语言。通过此协议，控制器 相互之间、控制器经由网络（例如以太网 ）和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络 ，进行集中监控。此协议 定义了一个控制器 能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了控制器 请求访问其它设备的过程，如何回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。
当在Modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器 须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器 将生成反馈信息并用Modbus协议 发出。在其它网络上，包含了Modbus协议 的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。
摘 要
呼吸机是一种能代替、控制或改变人的正常生理呼吸，增加肺通气量，改善呼吸功能，减轻呼吸功消耗，节约心脏储备能力的装置。呼吸机工作过程是向肺充吸气向呼气转换，排出肺泡气以及呼气向吸气转换，依次循环往复。呼吸机使用者的呼吸状态由差压传感器反馈给控制器，控制器进而调节涡轮泵的工作状态。
本次毕业设计主要是关于的通信方面的技术。主要针对大医院呼吸机比较多的情况，在呼吸机大量传输数据和许多呼吸机传输数据时出现数据混乱丢失等情况。提出用modbus协议作为呼吸机传输数据得协议。设计出性价比较高，稳定性很好的电路。主要利用单片机的稳定性能和低功耗能够降低成本。经测试针对呼吸机传输问题能够达到数据稳定性高，电源功耗低，传速率高的特点。课题任务硬件基本都是利用单片机开发板完成，软件利用keil进行程序的编写用c#进行监控，技术成本比较其他而言比较的低。
本课题综合运用了课题将综合运用传感器技术、自动控制技术、计算机技术、通信技术，解决呼吸机在传输时数据出现混乱的问题，从而降低呼吸机自主研发的成本。具有提高国产呼吸机的性能和其他运作指标，能够促进呼吸机进一步发展。从而进一步提高呼吸机的使用价值。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:】呼吸机；稳定性；技术；性价比
目 录
摘 要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1课题背景 1
1.2需求分析 2
1.3课题任务 3
第2章 系统的总体设计 4
2.1 现场总线分析及选型 4
2.1.1 CAN总线 协议 4
2.1.2 I2C总线协议 7
2.2 系统的总体设计 10
第3章 单片机相关模块的开发 12
3.1 开发平台的选型 12
3.1.1 keil软件的选择 12
3.1.2 基于keil的单片机的开发 13
3.2 MCU最小系统的设计 14
3.2.1 MCU的选型 14
3.2.2 最小系统的介绍 15
3.3 AD/DA 转换模块 16
3.3.1 PCF8591的工作原理 17
3.3.2 PCF8591电路设计 19
3.4串口模块的开发 20
3.5 液晶显示模块的开发 22
3.5.1 1602的原理 23
3.5.2 1602 的电路设计 23
3.5.3 1602的程序设计 24
3.6 MODBUS的运用 25
3.6.1 Modbus两种通讯模式 26
3.6.2 CRC校验 27
第4章 系统调试 28
4.1 modbus poll的介绍 28
4.2 硬件调试 31
4.3 软件调试 32
4.3.1 设置变量 32
4.3.2 调试结果 32
4.4数据异常模块的开发 33
第5章 结束语 35
5.1 总结 35
参考文献 36
致 谢 38
附录 39
源程序 39
一 英文原文 47
二 英文翻译 52
第1章 绪论
1.1 课题背景
随着医学和科学技术的快速发展，呼吸机已经变成医学上不可缺少的一样医学器件，呼吸机在维护不能自主呼吸的病人做出很大的贡献 。在我国医疗水平不断提升的同时，医院救助设备不能够更上医疗水平发展的脚步，不管大医院还是小型的诊所，呼吸机都能够在关键时刻发挥关键作用，尤其在病人不能再自主呼吸或者呼吸困难，呼吸机能够维护病人的自主呼吸，能够为医生救援争取宝贵的时间。
现在的呼吸机适应范围广，成人、儿童、新生儿都可使用。具有最全面的通气模式，全程支持患者的自主呼吸。双水平气道正压，解决了机械通气和人机对抗的问题；自主容量功能，保证以最低的压力输送需要的潮气量，解决了人机对抗问题。且监测全面，能够监测容量、压力、频率、流苏和通气情况。脱机功能卓越，BIPAP通气和脱机模式，在任何时候都给予病人充分的呼吸自由，不仅减少了镇定剂的使用和通气创伤的发生，还增加了病人自动产生自主呼吸的能力。界面功能强大，可选择的趋势图，呼吸环，测量数值，呼吸曲线，记录本都能在呼吸机那宽大的屏幕上显示出来，功能强大的触摸屏将高度灵活的操作和按键以及旋钮功能结合在了一起，操作简易方便。[16]
图1-1呼吸机的实物图（1）
图1.2 呼吸机的实物图（2）
1.2 需求分析
全中国有14亿人口，据统计每天大约有2百万人需要 用到呼吸机的，全国很多大医院都是从日本和德国进口医疗设备 ，外国的设备比国内先进，但价格的昂贵也就注定不能大批从国外进口，所以很多病人不能够在生病时得到很好地治疗，容易引起医疗纠纷和社会矛盾。
通过社会调查现阶段中国不是所有的医院都能够装备先进的呼吸机原因有很多。
通过对医院的走访调查发现医院主要要求呼吸机有如下几个功能。
首先能够自主测试运行环境能够自主调节，能够保持呼吸机的湿度、温度。能够提供比空气中氧气浓度大气体。
要能够控制电机的运行速度，在调节后的速率一定要稳定。
要能够应付一些突发状况。呼吸机设计要尽量操作简单，控制界面能够一目了然。
然而国内的呼吸机设计相对有些比较落后，不能够满足很多医院的操作要求，在功耗，效率，数据传输的稳定性上都不能够更上要求。
1.3 课题任务
针对大量呼吸机传输时会出现数据混乱和很多呼吸机一起传输时会出现数据异常。关于上面提到的一系列问题主要是关于呼吸机同行的问题，本次毕业设计主要是针对呼吸机于电脑之间通信问题，在集中通信协议中选出modbus作为呼吸机和电脑直接的通信协议。将利用大学里所学习的传感器技术、自动控制技术、计算机技术、通信技术，设计出稳定性高，价格比较低的电路。
选择单片机作为解决问题的核心芯片，其中STC89C51是大学里主讲的一款芯片，利用单片机解决实际生活中难以解决的问题。这样可以较好地培养学生分析、解决实际问题的能力，以及电路设计、程序设计、系统调试的能力。
还有就是增加分析能力的问题，然后把大学中所学的知识能够得到充分的利用。在真正实现毕业设计的主要功能基础上能够将实际中的问题解决。
第2章 系统的总体设计
2.1 现场总线分析及选型
2.1.1 CAN总线 协议
CAN总线的物理层是将ECU连接至总线的驱动电路ECU的总数将受限于总线上的电气负荷。物理层定义了物理数据在总线上各节点间的传输过程，主要是连接介质、线路电气特性、数据的编码／解码、位定时和同步的实施标准。BOSCH CAN基本上没有对物理层进行定义，但基于CAN的ISO标准对物理层进行了定义。设计一个CAN系统时，物理层具有很大的选择余地，但必须保证
CAN协议中媒体访问层非破坏性位仲裁的要求，即出现总线竞争时，具有较高优先权的报文获取总线竞争的原则，所以要求物理层必须支持CAN总线中隐性位和显性位的状态特征。在没有发送显性位时，总线处于隐性状态，空闲时，总线处于隐性状态；当有一个或多个节点发送显性位，显性位覆盖隐性位，使总线处于显性状态。在此基础上，物理层主要取决于传输速度的要求。从物理结构上看，物理层从结构上可分为三层：分别是物理层信令(Physical Layer Signaling，PLS) 物理介质附件(Physical MediaAttachment，PMA) 层和介质从属接口(Media Dependent：Inter-face，MDI) 层。其中PLS连同数据链路层功能由CAN控制器完成，PMA层功能由CAN收发器完成，MDI层定义了电缆和连接器的特性。目前也有支持CAN的微处理器内部集成了CAN控制器和收发器电路，如MC68HC908GZl6 PMA和MDI两层有很多不同的国际或国家或行业标准，也可自行定义，比较流行的是ISOll898定义的高速CAN发送／接收器标准。理论上，CAN总线上的节点数几乎不受限制，可达到2000个，实际上受电气特性的限制，最多只能接100多个节点。
CAN的数据链路层是其核心内容，其中逻辑链路控制(Logical Link control LLC) 完成过滤、过载通知和管理恢复等功能，媒体访问控制(Medium Aeeess control MAC) 子层完成数据打包／解包、帧编码、媒体访问管理、错误检测、错误信令、应答、串并转换等功能。这些功能都是围绕信息帧传送过程展开的。
CAN总线基本特点：
（1），报文：总线上的信息以不同格式的报文发送，但长度有限。当总线开放时，任何连接的单元均可开始发送一个新报文。
（2），信息路由：在CAN系统中，一个CAN节点不使用有关系统结构的任何信息，这里包含一些重要的概念：系统灵活性——节点可以在不要求所有节点及其应用层改变任何软件或硬件的情况下，被接于CAN网络。报文通信——一个报文的内容由其标示符ID命，ID并不指出报文的目的，但描述数据的含义，以便网络中的所有节点有可能借助报文滤波决定该数据是否使它们激活。成组——由于采用了报文滤波，所有节点均可接受报文，并同时被相同的报文激活。数据相容性——在CAN网络中，可以确保报文同时被所有的节点或者没有节点接受，因此，系统的数据相容性是借助于成组和出错处理达
（3），位速率：CAN的数据传输率在不同的系统中是同的，而在一个系统中是固定的速率。
（4），优先权：在总线访问期间，标示符定义了一个报文静态的优先权。
（5），远程数据请求：通过发送一个远程帧，需要数据的节点可以请求另一个节点发送相应的数据帧，该数据帧与对应的远程帧以相同的标示符ID命名。
（6），多主站：当总线开放时，任何单元均可以开始发送报文，发送具有最高优先权报文。
CAN总线主要运用在工业上较多
2.1.2 MOUBUS总线协议
Modbus是由Modicon（现为施耐德电气公司的一个品牌）在1979年发明的，是全球第一个真正用于工业现场的总线协议
Modbus协议
当在Modbus网络上通信时，此协议
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