王 超

(成都工業(yè)學院機電工程系，四川 成都 611730)

0 引言

進入21世紀以來，我國加強了自主創(chuàng)新和醫(yī)療現(xiàn)代化的建設，并突出強調了將微電子技術和機器人技術應用于醫(yī)療診治過程。現(xiàn)在醫(yī)院的病區(qū)都設有專門的配藥室，護士每天需要手工完成大量病人輸液用藥的配制工作，工作繁重。同時注射器在操作過程中因長時間暴露在空氣中而存在藥品衛(wèi)生問題。因此，研發(fā)一種能取代醫(yī)護人員配制藥品的智能設備就非常重要。到目前為止，國內尚未發(fā)現(xiàn)能滿足該項應用要求的相關產品，僅有部分與之相關的學術論文探討，實際的產品基本沒有。從國外情況來看，國外報道中出現(xiàn)過相關產品。從所收集到的資料得知，國外產品采用高復雜運動的多維機械手工作方式［1］，功能強大，但成本很高。針對以上實際情況，本文提出了一種智能配藥設備。該設備的成功研制，將減少配藥時的混亂和差錯，有效阻止有毒、化療等藥物在配制過程中揮發(fā)而引起的對醫(yī)護人員的傷害，符合我國醫(yī)療器械的定位，具有較大的應用價值。

1 機械結構設計

本文所設計的智能配藥設備總體結構可以分為上、中、下三層。最下層也就是第一層是安瓿瓶開瓶器部件裝置，主要由安瓿瓶夾持裝置、砂輪磨片和動力裝置構成，用來為第二層的注射器抽液提供前提條件，同時也是整個設備運行的起點。第二層是注射器抽擠液及夾持裝置，主要由注射器夾持裝置、注射器抽擠機構、升降機構裝置和注射器旋轉裝置組成，通過上下兩個電機使注射器能左右和上下運動，進行抽液和注射，它是完成藥物配制的核心運動部分。注射器夾具在整個設備中所起作用是對注射器身的夾緊以及對注射器活塞桿的夾緊和抽擠。第三層是粉劑瓶及大液瓶夾持安裝裝置，主要由粉劑瓶、大藥瓶、傳動軸和旋轉裝置構成。根據(jù)整個設備對夾具設計的要求，在實際選用材料時，夾具的材料選擇為鋁合金。

除了以上主要結構外，本智能配藥設備還由底座、支撐架、設備工作支撐架、廢品箱和電氣控制箱等附屬部分構成。整個設備的工作過程如下。

①先將大液瓶、粉劑瓶、注射器、安瓿瓶放置在正確位置;然后啟動設備，通過氣缸將粉劑瓶定位夾緊;再由其他氣缸將裝夾粉劑瓶的整個夾具部分推至大液瓶的右端，以此夾緊大液瓶啟動氣缸，并將注射器定位夾緊;接著啟動行走電機帶動齒輪旋轉，使砂輪在安瓿瓶的瓶頸處磨出一條痕跡;再啟動氣缸用氣缸桿，推掉安瓿瓶上的瓶蓋。

②啟動注射器電機，將注射器的針頭對準已經(jīng)去蓋的安瓿瓶正上方，使絲桿帶動注射器的活塞桿向上運動，完成安瓿瓶中液體抽取;再由旋轉電機使注射器及其整個夾持裝置精確旋轉180°，通過控制系統(tǒng)對注射器的針頭進行準確定位，使絲桿帶動注射器的活塞桿將針管里的液體全部注入到粉劑瓶中，使針頭處在一個合理位置。

③啟動混合用電機，帶動大液瓶和粉劑瓶不停地旋轉，使粉劑瓶中的粉劑充分溶解在液體中，達到混合藥物的目標;控制注射器電機將針管里的液體全部注入到大液瓶中再次進行混合液體;同時通過氣缸控制夾具使安瓿瓶注射器粉劑瓶自動脫落掉入設備下面的廢品箱，復位使設備回到初始狀態(tài)，等待下次配藥。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 硬件電路總體結構設計

本控制系統(tǒng)主要由CAN接口控制器模塊、STC11F56XE單片機、液晶模塊、傳感器檢測電路、鍵盤、電機驅動電路以及電磁閥等執(zhí)行元件組成。總體結構如圖1所示。

圖1 硬件電路結構框圖Fig.1 Structure of the hardware circuit

2.2 CAN 總線簡介

CAN即控制器局域網(wǎng)，屬于現(xiàn)場總線的范疇，是為解決現(xiàn)代汽車中各種測量控制部件之間的數(shù)據(jù)傳輸問題而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信總線［2］。為了避免CAN總線在使用過程中與系統(tǒng)的不兼容，CAN總線制定了ISO 11898國際標準。ISO 11898-1描述了CAN數(shù)據(jù)鏈路層，ISO 11898-2定義了“無錯誤-誤差CAN物理層”，ISO 11898-3規(guī)定了“錯誤-誤差物理層”。在現(xiàn)場總線中，CAN總線是唯一被國際標準化組織批準的現(xiàn)場總線。由于CAN總線采用了許多新技術和獨特的設計，使得CAN總線的數(shù)據(jù)通信在可靠性、實時性和靈活性方面具有突出的性能，完全滿足本配藥系統(tǒng)的實際使用要求。本系統(tǒng)的CAN接口分別采用SJA1000和82C250作為CAN總線控制器和CAN總線收發(fā)器［3］。為了保護MCU單片機不受CAN總線上干擾信號的影響，在微處理器與SJA1000中引入高速光電耦合器6N137進行系統(tǒng)隔離［4］。

2.3 CPU 模塊

本控制系統(tǒng)選用STC11F56XE單片機作為控制核心。該單片機是新一代的CPU芯片，管腳直接兼容傳統(tǒng)89C52，具有經(jīng)典51系列核，1個時鐘/機器周期、高可靠性、2路 PWM、8路 10位高速 A/D轉換、25萬次/s的運算速度、全球唯一ID號，以及無需復位電路等特點，完全滿足本設備的控制需要。

2.4 液晶模塊

液晶模塊選擇19264模塊。該模塊具有簡單的操作指令、低功耗的8位并行數(shù)據(jù)接口、64×64位(512 B)的顯示存儲器。存儲數(shù)據(jù)直接作為顯示驅動信號，按頁模式進行編程和實現(xiàn)等操作。該模塊與單片機的接口硬件電路簡單，軟件編程方面易于實現(xiàn)［5］。

2.5 傳感器與電機控制模塊

傳感器模塊用于檢測當前設備的每個工作狀態(tài)。該裝置中的傳感器主要由壓力傳感器、霍爾傳感器和光電傳感器構成。電機主要由步進電機和直流電機構成，單片機通過步進電機驅動器和直流電機驅動器驅動電機，實現(xiàn)相關動作［6］。

3 控制系統(tǒng)軟件設計

控制系統(tǒng)的程序包括用來實現(xiàn)與上位機進行數(shù)據(jù)交換的CAN總線接口軟件設計和智能配藥設備測控軟件的設計兩大部分。

3.1 CAN智能節(jié)點的軟件設計

智能節(jié)點硬件按照相同的模式開發(fā)，通信過程遵循相同的應用協(xié)議，因而智能節(jié)點軟件也采用相同的開發(fā)模式。為了高效率地編寫智能節(jié)點軟件，同時為便于開發(fā)其他功能的智能節(jié)點，依據(jù)智能節(jié)點的硬件模型、應用協(xié)議，以及配藥設備控制系統(tǒng)的實際情況，實現(xiàn)與上位計算機進行通信，最后提出了智能節(jié)點軟件模型［7］。

智能節(jié)點軟件模型由CAN基本通信部分、應用層協(xié)議、數(shù)據(jù)字典和具體應用4部分構成。在每個智能節(jié)點中，CAN基本通信和應用協(xié)議實現(xiàn)部分基本相同;數(shù)據(jù)字典具有相同框架，僅過程數(shù)據(jù)區(qū)和相關聯(lián)節(jié)點數(shù)據(jù)區(qū)存在區(qū)別，將過程數(shù)據(jù)區(qū)做成模板，在編寫不同的智能節(jié)點軟件時僅對模板做相應的修改。CAN基本通信部分直接與CAN控制器交互，完成對CAN控制器的管理與操作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)、錯誤處理等工作。智能節(jié)點軟件模型如圖2所示。

圖2 智能節(jié)點的軟件模型Fig.2 Software model of intelligent node

CAN基本通信軟件主要由CAN控制器初始化函數(shù)(CAN_INIT)、CAN接收函數(shù)(CAN_RCVDAT)和CAN發(fā)送函數(shù)(CAN_TRANDAT)來實現(xiàn)。其中，CAN控制器發(fā)送函數(shù)和接收函數(shù)流程圖分別如圖3和圖4所示。

CAN控制器初始化函數(shù)主要進行芯片初始化以及通信波特率、驗收濾波器和輸出方式等的設置工作。初始化完成后，檢測CAN控制器是否真正進入工作狀態(tài)，如果有誤，則報警。CAN接收函數(shù)待接收報文完畢后，釋放接收緩沖區(qū)。CAN發(fā)送函數(shù)首先檢查控制器是否還在處理上一幀報文的發(fā)送，如果已完成上一幀報文的發(fā)送，則向發(fā)送緩沖區(qū)寫入待發(fā)送的報文，并發(fā)啟動發(fā)送命令，將報文發(fā)送出去。

3.2 智能配藥設備測控軟件

從設備動作過程來看，要實現(xiàn)正確、精準的配藥，必須要對每個過程的動作進行實時監(jiān)測和控制。整個系統(tǒng)具有系統(tǒng)掉電記憶功能［8］。系統(tǒng)除了常規(guī)開關量的控制以外，還配置有傳感器模擬信號處理模塊，用于實時采集液體混合信息［9］。這個模擬信息的精度是有效保證配藥質量的關鍵。在設備實際工作中，為了有效地消除壓力隨機干擾，在程序中設定一個幅度比例系數(shù)，即每兩個振蕩波信號的幅度采集值要具有一定的比例關系，若超過這個比例，則認為信號為干擾信號，需要重新進行數(shù)據(jù)采樣。當連續(xù)3次超過這個比例時，系統(tǒng)則自動取消這次測量。對于采集到的有效數(shù)據(jù)，經(jīng)過均值濾波后，可以消除一定的噪聲干擾，得到更好的配藥數(shù)據(jù)，達到配藥目的［10－11］。整個配藥過程的控制流程如圖5所示。

圖5 控制流程圖Fig.5 Flowchart of control program

4 結束語

實際應用表明，在所規(guī)定的參數(shù)范圍內，本文設計的智能配藥裝置能保證配藥的正常合理進行，實現(xiàn)人機交互和CAN總線網(wǎng)絡功能。同時，基于所選擇CPU的強大功能，可以實現(xiàn)設備的掉電記憶功能;而通過一定的數(shù)學方法，可以很好地實現(xiàn)精確配藥，從而達到智能配藥的目的。

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