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)國家和地區(qū)在很早就開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1萬套物流傳輸系統(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)階段我國大部分醫(yī)院物流發(fā)展的現(xiàn)狀仍然是“專職遞送隊伍+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，多處排隊等候，浪費時間，增大醫(yī)護(hù)人員工作量，同時還增加了交叉感染或疾病傳播的危險性。

本設(shè)計主要實現(xiàn)除PC上位機外的所有終端機械設(shè)備的電氣控制部分軟硬件控制電路的設(shè)計，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的底層軟硬件控制設(shè)計。

該物流傳輸系統(tǒng)電機驅(qū)動模塊采用MC系列為主要驅(qū)動芯片，該芯片具有電流采樣的功能，可以實現(xiàn)電機的過流保護(hù)和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)。

單片機通過控制MC系列驅(qū)動芯片，能輸出24V的電壓，最大

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

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控制，傳感器信號檢測，上下位機通信，以及液晶顯示等。

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

圖2 電機驅(qū)動電路

1.1 電機控制功能模塊

圖3 多路電機控制原理圖

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動作，為了節(jié)約芯片，根據(jù)實際需要搭配繼電器控制電路，實現(xiàn)一塊驅(qū)動芯片分別驅(qū)動多個電機的功能。原理圖如圖3所示:

1.2 傳感器信號檢測功能模塊

該物流傳輸系統(tǒng)通過檢測傳感器的信號確定傳輸物的具體位置以及電機的動作情況，并同時進(jìn)行信號處理。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;控制電路以PCF系列為核心芯片，將各路光電傳感器的開關(guān)量輸出信號通過IIC總線傳送給單片機。通過PCF系列極大地擴充了單片機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)動電路

該物流傳輸系統(tǒng)通過CAN通信實現(xiàn)上位機能夠控制機械設(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，通過光耦隔離后，配合PHILIPS公司的高速總線驅(qū)動器82C50，該總線驅(qū)動器采用雙線差分驅(qū)動，抗干擾強，實現(xiàn)與上位機通信。同時，為了使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，采用了隔離電源A0505對82C50進(jìn)行單獨供電。同時在CAN總線兩端接入120歐的匹配電阻，以消除阻抗不連續(xù)時的反射現(xiàn)象，總線與地各自并聯(lián)一個小電容，以防電磁輻射和抗高頻干擾。CAN通信總線驅(qū)動電路如圖6所示。

2 反饋PWM控制設(shè)計

當(dāng)輸入電壓發(fā)生波動或需要切換電壓控制電機轉(zhuǎn)速的過程中，開環(huán)控制下的電機轉(zhuǎn)速容易受到影響出現(xiàn)波動。對于電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性要求較高的情況，為實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，有必要對電壓實現(xiàn)反饋控制。由于系統(tǒng)工作時瞬時電壓信號容易受到干擾，而電壓有效值信號盡管計算量稍大，但是較為穩(wěn)定。本設(shè)計中，處理器的計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，調(diào)節(jié)PWM信號占空比的控制方案，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 電機反饋控制結(jié)構(gòu)圖

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

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

3 CAN通信設(shè)計

CAN（controller area network，又稱控制器局域網(wǎng)）總線除了具備現(xiàn)場總線的開放式、互操作性、數(shù)字化通訊等特征外，還具有以下特征:（1）以多主機方式工作;（2）CAN上的節(jié)點信息分不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實時要求;（3）采用非破壞性總線仲裁技能，節(jié)省了總線沖突仲裁時間;（4）采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，受干擾率降低，具有極好的檢錯效果;（5）每幀信息都有crc校驗及其它糾錯功能，數(shù)據(jù)出錯率極低;（6）通信介質(zhì)可靈活地挑選;（7）CAN上的節(jié)點數(shù)高達(dá)110個;（8）有很高的可靠性和性能價格比等。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，制定了與上位機之間相應(yīng)的通信信息格式，以此確定各種機械動作。圖9為風(fēng)機轉(zhuǎn)換器命令信息格式。

圖10為單片機進(jìn)行CAN通信動作流程圖。

圖8 CAN分層結(jié)構(gòu)

圖9 風(fēng)機轉(zhuǎn)換器命令

4 實驗樣機設(shè)計

在原理分析與建?；A(chǔ)上，設(shè)計了MC9S系列處理器為核心的實驗樣機。其組成結(jié)構(gòu)如圖11所示:

該樣機由六部分組成:傳感器模塊，檢測電機動作信號和信號調(diào)理;MC9S系列處理器是控制系統(tǒng)的核心，檢測的電機電壓信號經(jīng)過內(nèi)部AD采樣，轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。通過執(zhí)行控制算法，得到PWM信號的占空比值;電機驅(qū)動電路模塊將單片機輸出的PWM信號轉(zhuǎn)換成為電機開關(guān)的驅(qū)動信號;保護(hù)模塊在過壓、過流和過熱情況下封鎖單片機發(fā)出的PWM信號，并提示錯誤類型;通信模塊，實現(xiàn)單片機與上位機通信。

5 結(jié)論

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

圖10 主任務(wù)流程圖

圖11 實驗樣板結(jié)構(gòu)框圖

醫(yī)用氣動管道物流傳輸系統(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，因此，加快其國產(chǎn)化具有重大意義。

[1]沈崇德.淺談醫(yī)院物流傳輸系統(tǒng)[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2009，30（6）:29.

[2]楊巍.物流傳輸系統(tǒng)在醫(yī)療工作中的應(yīng)用[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2006，27（12）:52.

[3]林昌勤.氣動管道物流傳輸系統(tǒng)在現(xiàn)代醫(yī)院中的應(yīng)用[J].醫(yī)療裝備，2005，11.

[4]岳立桐.醫(yī)院用氣動管道物流傳輸系統(tǒng)設(shè)計[J].電氣自動化，2009，31（3）.

[5]SWISSLOG. Pneumatic Tube System Components Overview，Healthcare Solutions.

[6]華成英.模擬電子技術(shù)（第5版）[M].北京:高等教育出版社，2007.

[7]周順榮.電機學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社，2002.