基于STM32微控制器的自動(dòng)發(fā)藥機(jī)發(fā)藥裝置的控制與實(shí)現(xiàn)

張哲　陳天鷹　陳光達(dá)

摘 要：隨著工業(yè)自動(dòng)化，智能化的浪潮襲來，人們的生活方式發(fā)生了巨大的變化，人們的就醫(yī)環(huán)境和醫(yī)療設(shè)備也進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能化，本文主要利用STM32微控制器通過CAN總線來控制盒裝自動(dòng)發(fā)藥機(jī)的發(fā)藥裝置，傳統(tǒng)盒裝發(fā)藥機(jī)的發(fā)藥裝置主要通過PLC技術(shù)來實(shí)現(xiàn)控制[1]，但PLC本身的線路非常復(fù)雜，最終使得發(fā)藥機(jī)顯得非常龐大笨重，現(xiàn)場組裝也耗時(shí)耗力自動(dòng)化程度也不高，同時(shí)PLC控制裝置的成本非常高昂，這嚴(yán)重制約了盒裝自動(dòng)發(fā)藥機(jī)的市場化發(fā)展。因此本文采用的STM32微控制器可以有效解決PLC技術(shù)的相關(guān)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)發(fā)藥機(jī)；STM32微控制器；CAN總線

據(jù)統(tǒng)計(jì)北京大醫(yī)院一天的門診量就達(dá)到上萬人，病人有時(shí)花費(fèi)大量的時(shí)間在等待排隊(duì)中，這樣浪費(fèi)了大量時(shí)間所以針對這種現(xiàn)象，本論文研究一種自動(dòng)發(fā)藥機(jī)[ 2 ]，來節(jié)省病人取藥時(shí)等待排隊(duì)的時(shí)間，目前國內(nèi)外自動(dòng)化藥房的發(fā)藥機(jī)主要產(chǎn)品分為以下四種形式：

1）散裝藥品自動(dòng)化發(fā)藥機(jī)；

2）數(shù)控回轉(zhuǎn)柜式自動(dòng)化藥房發(fā)藥機(jī)[ 2 ] ；

3）機(jī)械手式自動(dòng)化藥房發(fā)藥機(jī)；

4）儲藥槽式自動(dòng)化發(fā)藥機(jī)。

國內(nèi)的一些發(fā)藥機(jī)產(chǎn)品一般采用的是PLC技術(shù)，而這種技術(shù)導(dǎo)致設(shè)備的線路非常復(fù)雜，機(jī)器顯得非常龐大笨重，現(xiàn)場組裝也耗時(shí)耗力自動(dòng)化程度也不高。

綜上所述，本文采用的基于STM32微控制器技術(shù)來控制盒裝發(fā)藥機(jī)的控制裝置，可以有效克服傳統(tǒng)PLC控制方法的缺點(diǎn)與不足，同時(shí)降低了盒裝發(fā)藥機(jī)整體的成本。

一、盒裝發(fā)藥機(jī)的硬件設(shè)計(jì)

盒裝發(fā)藥機(jī)控制發(fā)藥裝置的過程如下：上位機(jī)通過CAN總線向STM32微控制器發(fā)送相應(yīng)的十六位控制信號。當(dāng)STM32微控制器收到這些控制信號時(shí)，根據(jù)我們編寫的通信協(xié)議，控制相應(yīng)發(fā)藥彈塊裝置彈出所發(fā)藥盒。藥盒被發(fā)出時(shí)，需要一個(gè)光電檢測電路[ 6 ]，用來檢測藥盒是否正常發(fā)出而沒有被卡住。

因此盒裝發(fā)藥機(jī)硬件設(shè)計(jì)最重要包含三個(gè)部分：第一部分是CAN總線收發(fā)控制電路，第二部分是盒裝發(fā)藥機(jī)發(fā)藥彈塊控制裝置，第三部分是光電檢測裝置。因此本文實(shí)現(xiàn)發(fā)藥機(jī)控制的核心是CAN總線電路與CAN總線協(xié)議的制定，發(fā)藥控制裝置的框圖如下圖：

（一）CAN總線收發(fā)控制電路

由上可知盒裝發(fā)藥機(jī)控制裝置的核心是CAN總線電路，CAN總線（控制器局域網(wǎng)絡(luò)）即控制器局域網(wǎng)[ 3-4 ]，是使用最廣泛的國際現(xiàn)場總線。起初，CAN總線被設(shè)計(jì)成在汽車環(huán)境中的微控制器之間的通信，在車載電子控制單元（ECU）形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)之間的信息交換。它是一種多主方式的串行通訊總線，基本設(shè)計(jì)規(guī)范要求較高的比特率，高抗干擾，而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯(cuò)誤。信號最長傳輸距離為10公里，但是數(shù)據(jù)傳輸速率只能低至5Kbps。

基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)在以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢：

1）CAN具有完善的通信協(xié)議，該協(xié)議都是由硬件自動(dòng)完成，因此降低了系統(tǒng)的開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期，這些是只僅僅有電氣協(xié)議的RS-485所無法比擬的。

2）在CAN總線的接口電路中，有CAN-H和CAN-L與線路連接，CAN-H只能是高電平或者懸空狀態(tài)，CAN-L只能是低電平或者懸空狀態(tài)，這就確保了CAN總線接口電路不會像RS-485那樣在總線出現(xiàn)問題時(shí)會損壞節(jié)點(diǎn)接口。而且CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響，從而保證不會出現(xiàn)象在網(wǎng)絡(luò)中，因個(gè)別節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題，使得總線處于“死鎖”狀態(tài)。

3）CAN控制器可以在多主方式下工作，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以通過一種特殊的仲裁機(jī)制（具體參見CAN2.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)）來變成主機(jī)。且CAN總線協(xié)議用通信數(shù)據(jù)編碼取代了棧地址的編碼，這使得每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以收到一樣的數(shù)據(jù)，這樣就大大增強(qiáng)了數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性。

綜上所述本文采用的CAN總線收發(fā)器為TJA1050，CAN總線收發(fā)控制電路如下：

二、盒裝發(fā)藥機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

（一）盒裝發(fā)藥機(jī)的控制流程圖

Fig3 The control diagram of dispensing machine

（二）盒裝發(fā)藥機(jī)CAN總線通信子程序設(shè)計(jì)

本文采用上位機(jī)通過CAN總線與STM32微控制器通信，下面是本文CAN總線發(fā)藥機(jī)控制器上、下位機(jī)通訊協(xié)議：

1.通訊要求

CAN2.0，擴(kuò)展位模式，頻率800M，無遠(yuǎn)程幀。

2.上位機(jī)格式（16進(jìn)制）例

0x 00 00 AB CD 01 02 03 05 01 55

① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦

①：00 00 AB CD 為地址，前2位為00 00，后2位可變。

②：為執(zhí)行動(dòng)作標(biāo)志位。取01時(shí)執(zhí)行動(dòng)作相應(yīng)動(dòng)作，取02時(shí)為通訊測試。

③：為電磁鐵位置標(biāo)志位：取值為01時(shí)第一個(gè)電磁鐵動(dòng)作，取02時(shí)第二個(gè)電磁鐵動(dòng)作，以此類推。

④：為通電時(shí)間標(biāo)志位：取值為01時(shí)為通電10毫秒，取值為10時(shí)通電100毫秒。

⑤：為錯(cuò)誤動(dòng)作次數(shù)標(biāo)志位：取值為05時(shí)動(dòng)作5次，其他值時(shí)動(dòng)作3次。

⑥：為發(fā)藥藥道檢測使能標(biāo)志位：取值為01時(shí)本藥道參與檢測，其他值時(shí)不參與檢測。

⑦：CRC驗(yàn)證：②+③+④+⑤+⑥=⑦

3.下位機(jī)格式（16進(jìn)制）

例：0x 00 00 AB CD 01 02 55

① ② ③ ④

①：本機(jī)地址。

②：發(fā)藥成功標(biāo)志位。取值為01時(shí)發(fā)藥成功，取值為02時(shí)發(fā)藥失敗。

③：發(fā)藥位置標(biāo)志位。取值為01時(shí)發(fā)第一盒藥，取值02為發(fā)第二盒藥，依次類推。

④：CRC驗(yàn)證：②+③=④

三、結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)發(fā)藥機(jī)采用PLC控制系統(tǒng)來控制發(fā)藥裝置，由此造成的成本高昂，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)，提出了采用STM32微控制器的方法，該方法通過設(shè)計(jì)簡單的電路圖利用CAN總線通信來控制相應(yīng)的發(fā)藥裝置，可以有效克服PLC控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)，同時(shí)可以有效的提高控制系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

但是，本文還存在一定不足。本文中的控制系統(tǒng)沒有采用帶有任務(wù)管理的操作系統(tǒng)，導(dǎo)致沒有友好的人機(jī)交互界面。從而使后續(xù)系統(tǒng)的管理維護(hù)，以及迭代開發(fā)帶來了不便。

參考文獻(xiàn)：

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