基于多STM32和CAN總線的分布式控制電動護理床設(shè)計

吳 迪，趙 琢，陳 逢

(威海威高醫(yī)療影像科技有限公司 研發(fā)中心，山東 威海 264210)

0 引言

隨著社會老齡化的加劇和精細化醫(yī)療的實施，對護理床的需求日益增加[1-2]。在新技術(shù)快速發(fā)展和跨領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的背景下，護理床的發(fā)展有如下幾個趨勢：1)電動護理床逐步取代傳統(tǒng)的手動護理床；2)電動護理床由支持簡單動作向支持多功能組合動作演變；3)智能化、模塊化、標準化的設(shè)計[3-4]。目前，多功能電動護理床的控制系統(tǒng)設(shè)計，大多數(shù)采用單一控制器方式，這種方式的優(yōu)點是設(shè)計簡單，缺點是受主控芯片功能、性能和端口數(shù)量的限制，無法實施更多、更復雜的功能應(yīng)用。此外，由于護理床外形尺寸較大，各個電動執(zhí)行機構(gòu)和傳感器裝置分散在床體各處[5]，對于單一控制器的方式而言，所有信號連接線都要匯總到控制板，因此走線錯綜復雜，信號干擾嚴重，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性和工藝實施。

鑒于以上，本設(shè)計采用分布式控制方式，將護理床控制系統(tǒng)的各個功能扁平化、模塊化。控制系統(tǒng)由運動控制板、檢測控制板、手操作控制板、腳踏控制板、左側(cè)顯示屏和右側(cè)顯示屏構(gòu)成。各個控制單元均采用STM32作為主控芯片，各個控制單元之間采用CAN總線通信。

與現(xiàn)有方式相比，本設(shè)計將各個控制單元分散布置在床體各處，便于與電動執(zhí)行機構(gòu)和傳感器裝置就近連接，各類信號能夠就近傳輸和處理，縮短敏感信號的傳輸距離。各個控制單元各司其職，減小了主控芯片的負擔，系統(tǒng)負荷均衡，整體性能得到提升。各個控制單元之間通過CAN總線通信，抗干擾能力強、仲裁容錯能力強[6]，提高了床體的系統(tǒng)穩(wěn)定性。此外，由于CAN總線拓撲結(jié)構(gòu)的特點[7]，方便后續(xù)增加新的功能單元節(jié)點。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

系統(tǒng)由多個控制單元與CAN總線組成，各個控制單元分散布置在床體各處。其中，運動控制板和檢測控制板位于床體中部，腳踏控制板位于床體底部，手操作控制板位于床旁，左側(cè)顯示屏和右側(cè)顯示屏分別位于床頭護欄的左、右兩側(cè)。各個控制單元通過CAN總線連接。系統(tǒng)框圖如圖1所示。每個控制單元均由STM32作為主控芯片，應(yīng)用其豐富的接口完成相應(yīng)控制和處理功能；STM32內(nèi)置有CAN控制器，與CAN隔離收發(fā)器通信。CAN隔離收發(fā)器在CAN總線上發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與其他控制單元之間的通信。

圖1 系統(tǒng)框圖

運動控制板用于控制床體的電動執(zhí)行機構(gòu)，由STM32的IO口控制3個電動升降立柱和4個電動推桿。3個電動升降立柱分別位于床架的背部、左腿部、右腿部，其組合動作可以實現(xiàn)床體的前后傾斜、左右傾斜等功能。例如左、右腿部的立柱同時降低，背部立柱升高，可以實現(xiàn)床體向前傾斜功能；背部立柱保持不動，左腿部立柱下降，右腿部立柱上升，可以實現(xiàn)床體的向左傾斜功能。4個電動推桿分別位于背部、大腿部、小腿部和腳部。STM32控制推桿的伸出或縮回，帶動機械機構(gòu)，可以實現(xiàn)床體的背部升降、大腿升降、小腿彎曲、腳部伸縮等功能。

檢測控制板用于檢測各個傳感器的狀態(tài)，包括位于背部、大腿和小腿的角度傳感器；位于左、右側(cè)身體護欄和頭部護欄的位置傳感器。STM32讀取各個傳感器的狀態(tài)，實現(xiàn)床體姿態(tài)識別功能。

手操作控制板和腳踏控制板布置有多個按鍵，用于輸入各種床體動作命令。

左、右兩側(cè)顯示屏分別位于左、右兩側(cè)床頭護欄內(nèi)。顯示屏作為顯示和控制的集中單元，用于顯示當前床體狀態(tài)，且設(shè)計有按鍵用于輸入床體控制命令。通過CAN總線與檢測控制板通信，獲取床體姿態(tài)數(shù)據(jù)用于顯示；與運動控制板通信，執(zhí)行相應(yīng)動作。

2 硬件設(shè)計

主要設(shè)計參數(shù)有：

1)高度值模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)精度：12位；

2)角度值測量誤差：1°；

3)電動執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動電壓：24 V；

4)通信方式：CAN 2.0B協(xié)議。

本設(shè)計中的運動控制板、檢測控制板和左、右兩側(cè)顯示屏的主控芯片選用STM32F405VG，它是以ARM Cortex-M4為內(nèi)核的32位單片機，工作頻率高達168 MHz。內(nèi)置1 MB閃存和192+4 KB的SRAM，包含82路GPIO，2路CAN接口，具有支持8080/6800格式液晶顯示屏(LCD)驅(qū)動的可變靜態(tài)存儲控制器(FSMC)接口，16通道12位ADC等[8-9]。處理能力強，運行速度快，接口豐富，適合高性能的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。本設(shè)計中的手操作控制板和腳踏控制板功能相對單一，考慮到成本因素，主控芯片選擇STM32F405RG，其GPIO有51路，無FSMC接口，其他性能不變，可以滿足實際需求。

CAN收發(fā)器采用CTM1051高速隔離收發(fā)模塊，其端口與CAN控制器、CAN總線連接，無需外加器件即可直接使用。支持CAN 2.0A和2.0B，每個CAN網(wǎng)絡(luò)最多可接入110個收發(fā)模塊，最長通信距離1 km，支持最低波特率40 kbps。滿足設(shè)計需求，并為后續(xù)功能單元的拓展提供了可能性。

2.1 運動控制板設(shè)計

運動控制板用于接收控制命令，驅(qū)動3個電動升降立柱和4個電動推桿按照特定方式動作。電動升降立柱和電動推桿都是由直流電機和機械執(zhí)行機構(gòu)組成的，所以對它們的控制實質(zhì)上就是對直流電機的控制。控制升降立柱和推桿的運動方向和運動速度，實質(zhì)是控制電機的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)速。電機的轉(zhuǎn)動方向由流經(jīng)電機的電流方向決定，一個簡單的控制方法是通過繼電器實現(xiàn)。電機的轉(zhuǎn)速用脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)節(jié)實現(xiàn)。主控芯片STM32控制其中一路電動升降立柱的電路圖如圖2所示。

圖2 電動升降立柱控制電路圖

選用的松下ACT212繼電器，線圈由12 V電壓驅(qū)動，載流可達25 A，其內(nèi)部電路如圖3所示。其常開觸點(N.O.)接24 V電壓，常閉觸點(N.C.)接PWM調(diào)制的24 V電壓。公共端COM 1和COM 2分別接直流電機的2個輸入端。2個閘刀分別由2個線圈COIL A和COIL B控制。當N.O.為24 V，N.C.為PWM的低電平0 V時，N.O.與N.C.之間有24 V電壓，即COM 1與COM 2之間有24 V電壓，也即電動升降立柱的2個輸入端之間有24 V電壓，電動升降立柱開始運動；當N.O.為24 V，N.C.為PWM的高電平24 V時，N.O.與N.C.之間無電壓，電動升降立柱停止運動。若通過COIL A和COIL B改變閘刀的位置，可以改變流經(jīng)COM 1與COM 2的電流方向，即控制電動升降立柱的運動方向是升高還是降低。

圖3 ACT212繼電器電路圖

STM32的PA7 Timer1配置為PWM輸出，信號幅值為3.3 V，若要實現(xiàn)對24 V的PWM調(diào)制，需要用場效應(yīng)(MOS)管控制。設(shè)計采用的MOS管CSD88539ND，雙N溝道，漏源極耐壓為60 V，支持連續(xù)漏極電流可達15 A，柵源極閾值電壓3 V，適合于電機控制。PA7輸出的PWM通過一級三極管反向，變換為幅值為24 V的反向PWM，接入MOS管CSD88539ND的柵極，其源極接地。通過PWM控制柵源極之間24 V電壓的有無，實現(xiàn)對漏極的導通控制，即上文所述繼電器常閉觸點N.C.的PWM控制。通過設(shè)置PA7輸出PWM的占空比，即可改變電動升降立柱的運動速度。為了避免電機啟動時產(chǎn)生的瞬間大電流，將STM32輸出的PWM信號設(shè)置為變占空比的方式，使電機變速啟動。

STM32的GPIO端口PD14、PD15用于控制電動升降立柱的運動方向。因GPIO電流驅(qū)動能力不足以直接驅(qū)動繼電器線圈，利用達林頓管ULN2003A提高其電流驅(qū)動能力。ULN2003A的COM端接12.5 V電壓，實現(xiàn)STM32的GPIO 3.3 V邏輯電平控制12.5 V電壓，以此推動繼電器線圈COIL A和COIL B。當繼電器線圈中有電流流過時，其對應(yīng)的閘刀吸合。通過改變閘刀的位置，可以控制流經(jīng)直流電機的電流方向，從而達到控制升降立柱運動方向的目的。

因為電機是感性負載，控制其啟動、停止和反向時，會有感應(yīng)電流產(chǎn)生。為了及時釋放感應(yīng)電流，使用快恢復二極管ES1J作為釋放二極管，構(gòu)成電流釋放通路，保證系統(tǒng)穩(wěn)定。

電動升降立柱的高度數(shù)據(jù)，通過模擬量輸出，用STM32 的PC0采集，進行12位的A/D轉(zhuǎn)換。

STM32控制電動推桿的設(shè)計與此類似，但不需要采集推桿伸出長度數(shù)據(jù)。推桿自帶限位裝置，伸出或縮回到極限位置時自動停止。

2.2 檢測控制板設(shè)計

檢測控制板用于實時讀取各個角度傳感器的數(shù)據(jù)，和各個位置傳感器的狀態(tài)，以識別床體當前姿態(tài)。其中一路角度傳感器和一路位置傳感器的電路圖如圖4所示。

圖4 角度傳感器和位置傳感器電路圖

采用單軸角度傳感器AYC-360，分辨率為0.1 °，精度為0.5 °，將其垂直于水平面安裝在床架上。當床面呈水平時，STM32讀取并設(shè)置其輸出角度為0，當床體動作時，傳感器實時輸出當前角度值。輸出采用RS-232通信協(xié)議，波特率設(shè)置為9 600 bps。STM32的USART接口是TTL電平，需要使用RS-232收發(fā)芯片進行轉(zhuǎn)換。設(shè)計選取MAX3223芯片，其RS232端連接角度傳感器，TTL端連接STM32的USART3接口PC10和PC11，實現(xiàn)對當前角度數(shù)據(jù)的讀取。

位置傳感器采用微動式行程限位開關(guān)，床體護欄關(guān)閉時開關(guān)壓緊閉合，開關(guān)兩端接地，STM32的PD14為低電平。護欄打開時開關(guān)釋放，PD14由電阻上拉到3.3 V，輸入為高電平。以此判斷床體護欄的狀態(tài)。

2.3 手操作控制板和腳踏控制板設(shè)計

手操作控制板和腳踏控制板用于發(fā)送各種動作命令。手操作控制板布置在床旁，有較多按鍵；腳踏控制板布置在床體底部，通過踏板的方式操作。主要按鍵包括床體向前、后、左、右傾斜、床體升高、床體降低、背部升降、大腿部升降、小腿部升降、腳部伸縮按鍵。還設(shè)計有快捷按鍵，用于將預(yù)設(shè)的組合動作一步執(zhí)行到位，包括心肺復蘇模式、休克急救模式和座椅模式按鍵。

選用的STM32F405RG有足夠的GPIO口，因此按鍵識別采用GPIO直接控制。按鍵采用機械觸點式。沒有按鍵動作時，相應(yīng)GPIO通過電阻上拉到3.3 V，為高電平；有按鍵動作時，相應(yīng)GPIO下拉到地，為低電平，STM32據(jù)此識別出相應(yīng)的按鍵。

2.4 顯示屏單元設(shè)計

顯示屏有2個，分別位于左、右兩側(cè)床頭護欄內(nèi)。顯示屏主要用于顯示當前床體狀態(tài)，可以查看床體各部分的姿態(tài)數(shù)據(jù)，如圖5所示。且設(shè)計有按鍵用于輸入床體控制命令。

圖5 顯示屏

STM32對LCD驅(qū)動的控制通過FSMC來實現(xiàn)。STM32的FSMC可支持SRAM、NAND FLASH、NOR FLASH和PSRAM等存儲器，對LCD驅(qū)動的控制類似于對SRAM的控制方式。FSMC配置為LCD并行接口時可以支持大多數(shù)的LCD控制器[10]，包括Intel 8080和Motorola 6800格式。

配置為LCD驅(qū)動接口的FSMC信號包括片選信號(CS)、寫信號(WR)、讀信號(RD)、復位信號(RST)、命令/數(shù)據(jù)標志(RS)、16位雙向數(shù)據(jù)線(DB[0-15])。STM32與顯示屏的接口電路如圖6所示。設(shè)計采用的LCD的驅(qū)動IC為ILI9488，將[IM2 IM1 IM0]配置為[0 1 0]可支持MCU16位并行模式。背光部分為6個LED，每個驅(qū)動電流為20 mA，顯示部分和背光部分均為3.3 V電壓供電。

通常，液晶屏上電初始化過程中會顯示亂碼。為了遮掩亂碼，需要增加對液晶屏背光時序的控制，當初始化完成、圖像正常顯示后，再打開背光。設(shè)計用MOS管AO3401作為背光的控制開關(guān)。STM32的PC3輸出高電平時，三極管3904導通，AO3401的源柵極產(chǎn)生電壓差，AO3401隨之導通，使得+3.3 V連通到+3.3 V_LCD，液晶屏背光電壓的3.3 V完成加載，背光打開。源柵極間并聯(lián)電容的充放電時間影響源柵極電壓的建立時間，調(diào)節(jié)其容值可以調(diào)節(jié)AO3401打開的速度。

2.5 CAN總線通信設(shè)計

CAN總線采用多主機工作方式和非破壞性仲裁總線技術(shù)，總線上任意節(jié)點可在任意時刻主動向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點發(fā)送信息而不分主次，各節(jié)點之間自由通信，通信方式靈活。當多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時，優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動退出發(fā)送，而優(yōu)先級較高的節(jié)點不受影響，從而有效節(jié)省了總線沖突仲裁時間，即使在網(wǎng)絡(luò)負載繁重的情況下，也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況[11]。適用于對穩(wěn)定性要求嚴苛的控制系統(tǒng)。

CAN節(jié)點通常采用CAN控制器加隔離和收發(fā)的架構(gòu)方式。設(shè)計采用的STM32F405VG和STM32F405RG自帶2組基本擴展CAN(bx CAN)接口，其支持CAN協(xié)議2.0A和2.0B主動模式；波特率最高達1 Mbps；支持時間觸發(fā)通信功能。設(shè)計前端采用隔離和收發(fā)功能一體的高速隔離收發(fā)器CTM1051KT，實現(xiàn)CAN控制器的邏輯電平和CAN總線差分電平的轉(zhuǎn)換，具備3500 VDC隔離功能，并且未上電的節(jié)點不影響總線。各控制單元的CAN部分電路圖如圖7所示。CTM1051KT的CANH、CANL管腳連接到CAN總線；RXD、TXD管腳連接到STM32的CAN控制器管腳PA11和PA12。

圖6 顯示屏接口電路圖

圖7 CAN節(jié)點電路圖

系統(tǒng)設(shè)計了6個CAN節(jié)點的布局，遠端采用終端電阻連接于CAN總線，即在左、右顯示屏端設(shè)計有120 Ω的終端電阻，其作用是與CAN總線電纜做阻抗匹配，減小信號反射，提高數(shù)據(jù)通信的抗干擾性。

3 軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電初始化后，運動控制板檢測3個升降立柱的高度，并計算床體前后、左右傾斜的角度，完成床架姿態(tài)判斷，并通過CAN總線發(fā)送給屏端。檢測控制板檢測3個角度傳感器和4個位置傳感器的數(shù)值，完成床體姿態(tài)判斷，并通過CAN總線發(fā)送給屏端。屏端接收到數(shù)據(jù)后，在相應(yīng)位置顯示。如果接收到來自手操作控制板、腳踏控制板或顯示屏按鍵的命令，則做相應(yīng)動作。執(zhí)行完后再次判斷床架、床體姿態(tài)。系統(tǒng)軟件流程圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)軟件流程圖

3.2 升降立柱控制軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電初始化后，運動控制板檢測3個升降立柱的高度，利用反三角函數(shù)公式計算床體前后、左右傾斜的角度，并做角度變化值的比較。如果變化值大于1 °，則刷新數(shù)據(jù)；如果變化值小于1 °，不刷新數(shù)據(jù)。這樣設(shè)計目的是做軟件濾波，濾除機械運動誤差帶來的數(shù)據(jù)不穩(wěn)定性。如果接收到動作命令，則做相應(yīng)動作。執(zhí)行完后返回。升降立柱控制流程圖如圖9所示。

圖9 升降立柱控制流程圖

升降立柱在正常運動控制以外，還設(shè)計有保護機制，避免運動狀態(tài)混亂、達到床體機械極限、引起電機堵轉(zhuǎn)等風險。主要有如下幾個規(guī)則：

1)按下按鍵并保持，床體執(zhí)行動作命令。松開按鍵，動作停止。同一時間只響應(yīng)一個按鍵。

2)床體呈左、右方向傾斜的狀態(tài)下，按“前、后傾斜”按鍵，床體的3個升降立柱先恢復水平，再做前、后傾斜的動作。

3)床體呈前、后方向傾斜的狀態(tài)下，按“左、右傾斜”按鍵，床體的3個升降立柱先恢復水平，再做左、右傾斜的動作。

4)左、右傾斜動作分階段執(zhí)行。即在水平面最低狀態(tài)下，按“左、右傾斜”按鍵，床體先左、右傾斜一定角度，然后停止左、右傾斜，3個升降立柱同時升高一定高度，然后再次做左、右傾斜，直至完成動作。這樣設(shè)計的目的是避免床體支架磕碰底架。

5)左、右傾斜角度不能超過30 °，避免床體機械損壞。

3.3 傳感器檢測軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電初始化后，檢測控制板讀取位于床體背部、大腿、小腿位置的3個角度傳感器的數(shù)值，判斷角度變化值，做軟件濾波。如果變化值大于1 °，則刷新數(shù)據(jù)；如果變化值小于1 °，不刷新數(shù)據(jù)。讀取位于床體左、右兩側(cè)身體護欄和左、右兩側(cè)頭部護欄的4個位置傳感器的數(shù)值，判斷是否是1。如果是1，表示對應(yīng)的護欄處于打開狀態(tài)，產(chǎn)生報警信號，并持續(xù)判斷位置傳感器數(shù)值，直到是0，表示護欄已關(guān)上，流程返回。傳感器檢測流程圖如圖10所示。

圖10 傳感器檢測流程圖

4 系統(tǒng)測試與分析

4.1 電動升降立柱啟動測試與分析

在電動升降立柱啟動時，用示波器測量STM32輸出PWM信號的占空比變化，測試波形如圖11所示。因有三極管反向作用，STM32輸出低電平時，電機轉(zhuǎn)動；高電平時，電機停止。由測試結(jié)果分析可知，起始占空比較大，并迅速減小，電機轉(zhuǎn)速逐漸增大，實現(xiàn)了電機變速啟動，避免了電機啟動瞬間的大電流影響，減輕了系統(tǒng)負荷。

圖11 電動升降立柱變速啟動波形

4.2 傾斜角度測試與分析

角度的測量分為兩類：1)床體的前、后傾斜和左、右傾斜的角度值，是STM32讀取電動升降立柱的高度數(shù)據(jù)，并通過反三角函數(shù)計算出的角度值，其精度與器件精度、A/D轉(zhuǎn)換精度、升降立柱的安裝一致性有關(guān)；2)背部、大腿和小腿的角度值，是角度傳感器直接輸出的角度值，其精度與器件精度、安裝位置有關(guān)。測試通過使用高精度角度儀，比較角度儀測出數(shù)據(jù)與護理床顯示屏顯示數(shù)據(jù)的差異。測量5次的數(shù)據(jù)如表1所示。由測試結(jié)果分析，前后、左右、背部、大腿、小腿傾角的最大誤差分別為0.6°、0.6°、0.3°、0.3°、0.2°，整體最大誤差為0.6°，小于1°，符合設(shè)計要求。其中，由電動升降立柱的高度計算出的角度數(shù)據(jù)誤差相對稍大，這方面可以在后續(xù)的工作中進一步改善。

表1 角度測試結(jié)果 °

4.3 CAN總線測試與分析

CAN總線測試采用CANScope總線綜合分析儀，連接于CAN總線，獲取數(shù)據(jù)進行分析。CAN波形分析如圖12 所示。分析可見，CAN-H與CAN-L波形匹配、輸出無延遲，共模抑制效果良好[12]；差分信號完整、邊沿無明顯振蕩；CAN數(shù)據(jù)邏輯清晰，符合規(guī)范。長時間持續(xù)測試表明，無明顯干擾，系統(tǒng)穩(wěn)定性強。

4.4 綜合運動測試與分析

按照設(shè)計要求，對系統(tǒng)進行全面的功能、性能、穩(wěn)定性

圖12 CAN波形分析

測試。各電動升降立柱和電動推桿的運動邏輯正確；各個預(yù)設(shè)動作能夠準確執(zhí)行、動作到位。執(zhí)行部件響應(yīng)無明顯延遲、運動無過沖。保護機制有效執(zhí)行，避免了運動狀態(tài)混亂、機械卡位和電機堵轉(zhuǎn)風險。位置傳感器反饋靈敏。顯示屏功能正常、時序正確，顯示信息同步。各個控制板按鍵輸入響應(yīng)靈敏。由運動綜合測試的結(jié)果可知，系統(tǒng)整體設(shè)計較為完善，符合功能性和穩(wěn)定性要求。

5 結(jié)束語

本設(shè)計基于分布式控制理念，采用多個基于STM32的控制單元，分別實現(xiàn)床體的運動、檢測、控制和顯示功能?？刂茊卧g采用CAN總線通信。設(shè)計將STM32強大的處理能力和CAN總線安全穩(wěn)定的特點相結(jié)合，是電動護理床的一種新的技術(shù)應(yīng)用形式。系統(tǒng)具有可靠性高、響應(yīng)快、功能擴展性強等特點，同時也是一種技術(shù)平臺，為后續(xù)新功能的拓展和延伸打下了基礎(chǔ)，應(yīng)用前景廣闊。基于多STM32和CAN總線的電動護理床后續(xù)還可以進一步改進和完善，比如在易用性方面，增加可記憶的用戶自定義姿態(tài)；在智能化方面，增加語音控制、語音或遙控助行；在物聯(lián)方面，增加遠程操控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，以上均可基于此平臺開發(fā)。