醫(yī)用氣動(dòng)物流傳輸系統(tǒng)終端站點(diǎn)設(shè)計(jì)

陳維威 唐厚君 徐振胤 楊 帆

（上海交通大學(xué)，上海 200240）

0 引言

世界許多發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)在很早就開(kāi)始研制物流傳輸系統(tǒng)，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)較為成熟，系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，種類齊全。在醫(yī)用領(lǐng)域中，截至20世紀(jì)末，歐洲就有超過(guò)1萬(wàn)套物流傳輸系統(tǒng)在使用，日本也有3000家以上的醫(yī)院裝備有物流傳輸系統(tǒng)。

現(xiàn)階段我國(guó)大部分醫(yī)院物流發(fā)展的現(xiàn)狀仍然是“專職遞送隊(duì)伍+多部電梯”，這樣的物流傳輸方式有著嚴(yán)重的弊端:人流與物流混在一起，病人和職工在電梯樓上樓下跑動(dòng)，多處排隊(duì)等候，浪費(fèi)時(shí)間，增大醫(yī)護(hù)人員工作量，同時(shí)還增加了交叉感染或疾病傳播的危險(xiǎn)性。

本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)除PC上位機(jī)外的所有終端機(jī)械設(shè)備的電氣控制部分軟硬件控制電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的底層軟硬件控制設(shè)計(jì)。

該物流傳輸系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用MC系列為主要驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片具有電流采樣的功能，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的過(guò)流保護(hù)和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)。

單片機(jī)通過(guò)控制MC系列驅(qū)動(dòng)芯片，能輸出24V的電壓，最大

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為物流傳輸系統(tǒng)中工作站電氣結(jié)構(gòu)硬件框圖，其主要功能包括電機(jī)控制，傳感器信號(hào)檢測(cè)，上下位機(jī)通信，以及液晶顯示等。

該物流傳輸系統(tǒng)選用Freescale公司的單片機(jī)MC9S系列作為主控芯片，控制思路為通過(guò)CAN通信接收上位機(jī)的指令，控制機(jī)械設(shè)備中指定的電機(jī)進(jìn)行動(dòng)作，然后根據(jù)傳感器信號(hào)判斷動(dòng)作執(zhí)行情況并向上位機(jī)返回相應(yīng)的狀態(tài)信號(hào)。

圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

1.1 電機(jī)控制功能模塊

圖3 多路電機(jī)控制原理圖

工作電流可達(dá)7A，該系統(tǒng)根據(jù)要求需要控制多路電機(jī)動(dòng)作，為了節(jié)約芯片，根據(jù)實(shí)際需要搭配繼電器控制電路，實(shí)現(xiàn)一塊驅(qū)動(dòng)芯片分別驅(qū)動(dòng)多個(gè)電機(jī)的功能。原理圖如圖3所示:

1.2 傳感器信號(hào)檢測(cè)功能模塊

該物流傳輸系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)傳感器的信號(hào)確定傳輸物的具體位置以及電機(jī)的動(dòng)作情況，并同時(shí)進(jìn)行信號(hào)處理。傳感器模塊主要包括傳感器接口電路和傳感器控制電路兩部分，如圖4和圖5所示。接口電路為傳感器提供電源并調(diào)理傳感器輸出信號(hào);控制電路以PCF系列為核心芯片，將各路光電傳感器的開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)通過(guò)IIC總線傳送給單片機(jī)。通過(guò)PCF系列極大地?cái)U(kuò)充了單片機(jī)能夠處理傳感器的數(shù)量，提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

1.3 上位機(jī)通信功能模塊

圖4 傳感器接口電路

圖5 傳感器控制電路

圖6 CAN通信總線驅(qū)動(dòng)電路

該物流傳輸系統(tǒng)通過(guò)CAN通信實(shí)現(xiàn)上位機(jī)能夠控制機(jī)械設(shè)備以及查詢傳輸物品當(dāng)前位置的功能。CAN通信采用MC9S系列自帶的CAN模塊，通過(guò)光耦隔離后，配合PHILIPS公司的高速總線驅(qū)動(dòng)器82C50，該總線驅(qū)動(dòng)器采用雙線差分驅(qū)動(dòng)，抗干擾強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信。同時(shí)，為了使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，采用了隔離電源A0505對(duì)82C50進(jìn)行單獨(dú)供電。同時(shí)在CAN總線兩端接入120歐的匹配電阻，以消除阻抗不連續(xù)時(shí)的反射現(xiàn)象，總線與地各自并聯(lián)一個(gè)小電容，以防電磁輻射和抗高頻干擾。CAN通信總線驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。

2 反饋PWM控制設(shè)計(jì)

當(dāng)輸入電壓發(fā)生波動(dòng)或需要切換電壓控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的過(guò)程中，開(kāi)環(huán)控制下的電機(jī)轉(zhuǎn)速容易受到影響出現(xiàn)波動(dòng)。對(duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性要求較高的情況，為實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，有必要對(duì)電壓實(shí)現(xiàn)反饋控制。由于系統(tǒng)工作時(shí)瞬時(shí)電壓信號(hào)容易受到干擾，而電壓有效值信號(hào)盡管計(jì)算量稍大，但是較為穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)中，處理器的計(jì)算能力能夠滿足控制系統(tǒng)需求。為此提出一種以輸出采樣電壓有效值為反饋信號(hào)，調(diào)節(jié)PWM信號(hào)占空比的控制方案，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 電機(jī)反饋控制結(jié)構(gòu)圖

實(shí)際輸出電壓信號(hào)uo經(jīng)過(guò)采樣和有效值計(jì)算環(huán)節(jié)后，得到反饋電壓有效值uorms。給定參考輸出電壓uor與實(shí)際輸出電壓反饋信號(hào)uorms比較后得到輸出電壓偏差量Δu，經(jīng)過(guò)PI控制器后得到占空比反饋控制信號(hào)D（t）:

輸出占空比信號(hào)經(jīng)過(guò)高頻調(diào)制和分配控制后，得到PWM控制信號(hào)，從而控制電機(jī)控制芯片相應(yīng)引腳。

3 CAN通信設(shè)計(jì)

CAN（controller area network，又稱控制器局域網(wǎng)）總線除了具備現(xiàn)場(chǎng)總線的開(kāi)放式、互操作性、數(shù)字化通訊等特征外，還具有以下特征:（1）以多主機(jī)方式工作;（2）CAN上的節(jié)點(diǎn)信息分不同的優(yōu)先級(jí)，可滿足不同的實(shí)時(shí)要求;（3）采用非破壞性總線仲裁技能，節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間;（4）采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾率降低，具有極好的檢錯(cuò)效果;（5）每幀信息都有crc校驗(yàn)及其它糾錯(cuò)功能，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低;（6）通信介質(zhì)可靈活地挑選;（7）CAN上的節(jié)點(diǎn)數(shù)高達(dá)110個(gè);（8）有很高的可靠性和性能價(jià)格比等。圖8所示為CAN總線通信協(xié)議分層結(jié)構(gòu)。

選定CAN作為通信方案后，制定了與上位機(jī)之間相應(yīng)的通信信息格式，以此確定各種機(jī)械動(dòng)作。圖9為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)換器命令信息格式。

圖10為單片機(jī)進(jìn)行CAN通信動(dòng)作流程圖。

圖8 CAN分層結(jié)構(gòu)

圖9 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)換器命令

4 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)設(shè)計(jì)

在原理分析與建?；A(chǔ)上，設(shè)計(jì)了MC9S系列處理器為核心的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。其組成結(jié)構(gòu)如圖11所示:

該樣機(jī)由六部分組成:傳感器模塊，檢測(cè)電機(jī)動(dòng)作信號(hào)和信號(hào)調(diào)理;MC9S系列處理器是控制系統(tǒng)的核心，檢測(cè)的電機(jī)電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)內(nèi)部AD采樣，轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。通過(guò)執(zhí)行控制算法，得到PWM信號(hào)的占空比值;電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊將單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電機(jī)開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào);保護(hù)模塊在過(guò)壓、過(guò)流和過(guò)熱情況下封鎖單片機(jī)發(fā)出的PWM信號(hào)，并提示錯(cuò)誤類型;通信模塊，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)通信。

5 結(jié)論

醫(yī)用氣動(dòng)管道物流傳輸系統(tǒng)涉及到的技術(shù)領(lǐng)域非常多，包括空氣動(dòng)力學(xué)，機(jī)械傳動(dòng)，機(jī)械制造，傳感器，電氣控制，電路設(shè)計(jì)，通信，軟件編程等等，本文基于MC9S系列處理器的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了物流系統(tǒng)電氣方面的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)檢測(cè)電機(jī)電壓電流進(jìn)行閉環(huán)控制，有效的控制電機(jī)進(jìn)行平滑動(dòng)作，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性;在IIC通信實(shí)驗(yàn)中調(diào)整匹配電阻，解決了IIC工作不穩(wěn)定的問(wèn)題;在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各個(gè)功能基礎(chǔ)上，添加了保護(hù)電路，確保在單個(gè)芯片發(fā)生故障時(shí)整個(gè)電路的安全性。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了所提出設(shè)計(jì)方案的有效性。

圖10 主任務(wù)流程圖

圖11 實(shí)驗(yàn)樣板結(jié)構(gòu)框圖

醫(yī)用氣動(dòng)管道物流傳輸系統(tǒng)有效地提高了各種醫(yī)用物品在醫(yī)院內(nèi)的傳輸效率，為醫(yī)務(wù)人員創(chuàng)造出高效的工作環(huán)境，為患者營(yíng)造出更便捷的就醫(yī)環(huán)境，必將成為現(xiàn)代化醫(yī)院的發(fā)展趨勢(shì)，因此，加快其國(guó)產(chǎn)化具有重大意義。

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