趙啟純

（深圳市通恒科技有限公司，廣東 深圳 518109）

基于Cortex-M3的電動醫(yī)療床驅(qū)動與控制系統(tǒng)研究

趙啟純

（深圳市通恒科技有限公司，廣東 深圳 518109）

由于目前我國的醫(yī)療硬件設備以及醫(yī)療設備系統(tǒng)方面的落后，有許多地方都需要改進，其中最重要的一個部分就是醫(yī)療病床。目前許多醫(yī)院的醫(yī)療病床的系統(tǒng)落后，所支持的功能也少。所以，文章提出一種新的電動醫(yī)療床的驅(qū)動與控制系統(tǒng)。

電動醫(yī)療床；線性驅(qū)動器；同步運動控制；圖形化編程

現(xiàn)如今，電動醫(yī)療床的適用范圍很廣泛，本文主要闡述一種能夠多種驅(qū)動、多種功能的電動醫(yī)療驅(qū)動與控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)主要以Cortex M3 SOC 芯片作為核心，能夠在開發(fā)的同時，與線性驅(qū)動器共同協(xié)作，實現(xiàn)對整個醫(yī)療與控制系統(tǒng)的掌握與運行。這樣能夠提高整個系統(tǒng)的效率。所以本文將主要對該系統(tǒng)的結構、控制器的結構、操作器的設計等方面進行描述。

1 驅(qū)動與控制系統(tǒng)的結構

該系統(tǒng)的結構主要分為3個部分：線性驅(qū)動器、控制器、操作器。線性驅(qū)動器是整個系統(tǒng)的動力來源，它能使整個電動醫(yī)療床完成各種動作，比如床板的移動、床體的升降。

1.1 控制器的設計

控制器則是一個中央樞紐，負責接收來自操作器發(fā)出的信號，并且發(fā)送給線性驅(qū)動器使其完成指定命令?？刂破鲃t是整個系統(tǒng)的指揮官，整個系統(tǒng)由它來進行實際操控，通過對線性驅(qū)動器和發(fā)出指令，使其進行工作，以此來達到符合要求的醫(yī)療功能。整個系統(tǒng)的結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構示意

2 線性驅(qū)動器的設計

2.1 立柱式推桿的設計

立柱式推桿對整個電動醫(yī)療床起到一個支撐的作用，并且作為主體，它能夠承擔很大的壓力，并且除了抗壓能力強之外，為了有足夠的穩(wěn)定性，設計者，增大了推桿與電動醫(yī)療床的接觸面積，使其能夠大幅度增加承受側向力的能力，還有采用了內(nèi)管與滑套相結合的方式減少了醫(yī)療床的抖動和移動位差。這樣一來讓電動醫(yī)療床進行工作時能夠保持整個過程足夠平穩(wěn)，對患者來講保證足夠的舒適性。這樣能夠保證整個系統(tǒng)在運作過程當中的穩(wěn)定，提高了其安全性、可靠性。

2.2 手持式推桿的設計

手推式推桿對整個系統(tǒng)來講是一個應急措施，大多應用于ICU病床上。在面對多種緊急情況時能夠通過手推式推桿進行快速有效的處理。比如，ICU的患者在接受治療時發(fā)生休克，需要及時將床板放平才能夠?qū)嵤尵龋R時對系統(tǒng)進行操作已經(jīng)來不及，所以根據(jù)推桿的牙型設計，扳動推桿就可以快速地將床板放平，以便于醫(yī)生與護士對患者進行搶救?；颊咂綍r在床上放置物品會對病床造成一定的損壞，對推桿也會造成不小的影響。手推式推桿的新型設計讓其能夠在接受外力的同時，擺脫推桿內(nèi)管與螺母之間的受力，當絲桿不再受力時，則推桿則取消對內(nèi)管和螺母的控制，這樣能夠?qū)φ麄€床體和立柱式推桿進行保護。在不斷地優(yōu)化和設計之下，手動式推桿不斷有新的功能應用于臨床，這樣既能保證為患者提供好的治療環(huán)境，又可以提高整個系統(tǒng)的安全性。

3 控制器的設計

3.1 硬件設計

控制器的硬件主要由5個部分組成：控制模塊、傳感器信號處理模塊、電機驅(qū)動模塊、電源模塊和通信模塊。硬件主要是以SOC芯片為基礎、能夠通用于各個模塊，其硬件的設計能夠使電動醫(yī)療床更好進行醫(yī)療工作，對于每個模塊的功能介紹如下：

（1）控制模塊?？刂颇K是整個控制系統(tǒng)的最核心、最具有價值的部分，它通過編程來進行操控整個系統(tǒng)，并且對操作器發(fā)布命令?？刂颇K的主要功能是對系統(tǒng)電源動力的控制、對傳感器信號的接收和處理?？刂颇K所使用的核心具有處理效率高、耗能低、穩(wěn)定性高等優(yōu)勢，而且控制模塊的智能也能提高醫(yī)療床的工作效率和醫(yī)療效果。

（2）傳感器信號處理模塊。傳感器信號處理模塊主要由3個部分組成：溫度傳感模塊、電流傳感模塊和電機轉(zhuǎn)速位置傳感模塊。溫度傳感模塊利用熱敏電阻，通過電阻數(shù)據(jù)的一系列變化來檢測出溫度的高低；電流傳感模塊同樣采用電阻，對電壓數(shù)據(jù)的一系列變化來實現(xiàn)對電流變化的檢測；電機轉(zhuǎn)速位置傳感模塊主要通過一種精準的線性傳感器，來收集自電機所發(fā)出的信號，并且通過對信號的處理作出調(diào)整和改變。

（3）電機驅(qū)動模塊。電機驅(qū)動模塊主要是用來對電機進行管理。能夠控制整個電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速的方向，使電機始終保持在一個正常的工作狀態(tài)，這樣能夠保持整個系統(tǒng)的穩(wěn)定，并且在遇到電機故障時能夠通過改變轉(zhuǎn)速和方向來解決故障。此模塊主要維持醫(yī)療床床板和扶手的霍爾傳感器的工作，還有維持著整個電動醫(yī)療床的供能。

（4）電源模塊。電源模塊是整個系統(tǒng)的動力來源，通過采用三級穩(wěn)壓技術，使電源擁有穩(wěn)定的電壓和電流來保持系統(tǒng)工作的穩(wěn)定，該模塊對電機的轉(zhuǎn)速和方向具有決定作用。電源還要通過調(diào)壓來決定進入系統(tǒng)核心的輸入電壓，以及電路的操控。

（5）通信模塊。通信模塊主要是整個系統(tǒng)的中央樞紐的處理部位，它來保持控制器和操作器之間的通信、控制器和線性驅(qū)動器之間的通信、控制器和電機之間的通信。

3.2 控制器軟件的設計

根據(jù)軟件的功能不同，主要分為兩個部分。（1）整個系統(tǒng)是具有邏輯性的控制程序。這個部分主要是能夠更好地滿足患者的要求和開發(fā)出電動醫(yī)療床更多的醫(yī)療工作，依據(jù)其邏輯思維的處理程序能夠?qū)Ω鞣N不同的醫(yī)療設備制定相對應的控制程序，并且通過采用系統(tǒng)的開發(fā)技術對程序語言進行編程，然后編譯出能夠?qū)ο鄳尼t(yī)療設備作出對應的控制程序，并且能夠開發(fā)出更多的醫(yī)療功能。這樣來實現(xiàn)控制器對整個系統(tǒng)的一個掌控。（2）對整個系統(tǒng)動力設置一個驅(qū)動。依據(jù)系統(tǒng)的核心，通過程序編譯和語言開發(fā)，來實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的運作、系統(tǒng)硬件的驅(qū)動、對電機狀態(tài)的調(diào)整等工作，并且通過與硬件的共同處理，能夠保持整個電動醫(yī)療床的穩(wěn)定運行，通過對控制器軟件的開發(fā)與處理，以及圖形化編程，能夠更好地實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的操控，以及系統(tǒng)的同步運動控制。

（1）控制邏輯程序?？刂撇僮鞒绦蚰軌?qū)Σ煌尼t(yī)療設備，通過圖形化編程后能夠設計出相應的控制程序，并且能夠通過編譯程序?qū)φ麄€CPU進行一個具體的處理。通過對C代碼的翻譯，進行匯編，在通過圖形化編程，編譯成能夠適應對應醫(yī)療設備系統(tǒng)的機器語言，并且通過對整個系統(tǒng)驅(qū)動的掌控，將新編輯的控制系統(tǒng)運用其中，整個能夠構造出一個完整的系統(tǒng)，保障整個系統(tǒng)正常運行。

（2）引擎驅(qū)動程序。此模塊主要是對系統(tǒng)整體的一個驅(qū)動，它有多個模塊，主要的部分是霍爾反饋信號處理模塊和電動推桿的閉環(huán)控制模塊?；魻柗答佇盘柼幚砟K，主要根據(jù)信號的反饋和處理讓整個電機處于一個穩(wěn)定的狀態(tài)，并且此處理模式的精準度高，符合醫(yī)療功能的要求。并且在操作方面，其零差誤的數(shù)據(jù)計算和信號處理能夠支持控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。此外，電動推桿的閉環(huán)控制模塊主要是以一種二維模糊控制器為主，通過模糊推理機接收到d/dt和電源的兩種信號，以及發(fā)出ΔKp，ΔKi，ΔKd3種信號，通過模糊PID的數(shù)據(jù)處理，來發(fā)給電機相應的操作指令。電動推桿的閉環(huán)控制的控制結構如圖2所示。

圖2 電動推桿的閉環(huán)控制的控制結構示意

3.3 對MCU的具體描述

微控制單元（MicroControllerUnit，MCU）是一種智能的電動醫(yī)療床驅(qū)動與控制系統(tǒng)，主要應用于當前的醫(yī)療床。它主要有4個電機，通過引擎驅(qū)動程序?qū)﹄姍C的電路進行調(diào)控，然后作為輸入端共同接入MCU處理器的輸出端，這樣能夠簡單明確地處理器的電路線路，并且方便進行開發(fā)，連接更多的線路。而且板塊清晰，能夠?qū)蝹€模塊進行調(diào)控，而且對醫(yī)護人員的使用更加方便與快捷。此外，對MCU系統(tǒng)的研究與開發(fā)，將其在醫(yī)療技術領域的應用作為一種新型題材，能夠大大提高國內(nèi)的電動醫(yī)療床的智能性，這是國內(nèi)在技術層面的一次突破。

4 技術領域

MCU在國內(nèi)屬于對醫(yī)療床技術領域的一種創(chuàng)新，它的實際操控更加簡單快捷，對于國內(nèi)大部分功能簡單、系統(tǒng)落后的醫(yī)療床，此系統(tǒng)有著智能操控，能夠完成更加復雜的醫(yī)療工作，但是與國外的智能控制系統(tǒng)相比較，在對患者生理狀況的掌握方面還是有些不足。

5 背景技術

電動醫(yī)療床對于醫(yī)院來講是一種重要的醫(yī)療設備，是患者用來休養(yǎng)的地方?，F(xiàn)如今，國內(nèi)的大多數(shù)電動醫(yī)療床的控制結構散亂，不夠集中，不能夠集中操作，使用起來比較繁瑣。比如，床板的頭部和及腿部的升降控制，以及床板的翻轉(zhuǎn)控制都有按鍵，這樣來看需要手動操作的部位較多，電路線路增多，導致整個電路的成本增加，并且結構比較復雜。根據(jù)現(xiàn)有的技術水平，要減少線路的數(shù)量，則需要將各個分散的控制結構集合起來，通過一個處理器來解決，這樣方便醫(yī)護人員對醫(yī)療床智能控制系統(tǒng)的操作，并且能夠給患者更好的治療效果。所以，為了能夠?qū)崿F(xiàn)這一智能系統(tǒng)的操作及應用，將對該醫(yī)療床智能控制系統(tǒng)進行設計：

（1）微處理器。MCU是整個智能控制系統(tǒng)的核心，也是處理和控制中心。

（2）電源轉(zhuǎn)換電路。電源主要來自MCU和霍爾傳感器，通過霍爾傳感器的輸出，經(jīng)過電機驅(qū)動電路來進行電路的輸入，將電路輸入到MCU的一輸出端。并且與備用電源連接使其能夠在斷電的時候保持工作，另外與定位檢測電路相連接來檢測電路是否正常。

（3）備用電源。備用電源通常是指市電，或者是蓄電池蓄電，備用電源通過電電源轉(zhuǎn)換電路，進行變壓后能夠?qū)ξ⑻幚砥骱投ㄎ粰z測電路進行供電，同時也能夠為自身供電，通常采用集合電路進行對電壓進行改變，并且能夠通過備用電源的輸出電壓來檢測定位檢測電路，輸入電壓和電壓檢測電路都與MCU相連接。

（4）定位檢測電路。定位檢測電路主要是對電動醫(yī)療床上的各個霍爾傳感器進行檢測，檢測其是否能夠正常運作。如果當指定的醫(yī)療工作未能完成時，定位檢測電路將對MCU發(fā)出信號，經(jīng)過MCU的處理，連接報警電路，來提醒醫(yī)護人員電動醫(yī)療床的醫(yī)療工作尚未完成。

（5）電機驅(qū)動電路。電機驅(qū)動電路主要有4個部位，分別分布在床的頭、軀干、腿和床板。電機驅(qū)動電路通過對電機的驅(qū)動，來使電動醫(yī)療床完成相應的醫(yī)療工作，并且直接執(zhí)行來自于MCU的指令。

（6）稱重傳感器。此傳感器安裝在電動醫(yī)療床的床板上，能夠時刻檢測患者的體重，并且能夠通過體重的不同，發(fā)信號給MCU，使其對推桿發(fā)出相應指令，來改變推桿所承受的側向力，既能夠保護床板，也能增加電動醫(yī)療床的舒適性。

（7）觸控屏。更加方便醫(yī)護人員對醫(yī)療工作的操作，而且能夠反映患者及電動醫(yī)療床的情況。

（8）報警電路。通過接收到來自MCU的信號，能夠及時提醒醫(yī)護人員，對患者進行醫(yī)療工作，或者對電動醫(yī)療床進行調(diào)整。

（9）數(shù)據(jù)采集電路。主要采集智能控制系統(tǒng)中的各種信息，比如電源轉(zhuǎn)換電路和備用電源中的電壓變化情況，無線收發(fā)電路的數(shù)據(jù)接收等，對整個智能控制系統(tǒng)的實時運行起到一個數(shù)據(jù)總結以及監(jiān)控作用，能夠通過采集的數(shù)據(jù)總結整個系統(tǒng)的運行情況。

（10）呼叫電路。當患者需要醫(yī)護人員或者突發(fā)情況時，能夠連通呼叫電路，使醫(yī)護人員能夠及時接到消息。

（11）無線收發(fā)電路。無線收發(fā)電路主要是接收和轉(zhuǎn)發(fā)電路信號給MCU，并且能夠接收到MCU發(fā)出的電路信號。

（12）按鍵。按鍵主要用于整個床板上4個電機的控制操作，按鍵可以采用薄膜鍵盤，或者與觸控屏組合，這樣能夠方便醫(yī)護人員醫(yī)療工作的進行，對電動醫(yī)療床的結構進行了集中處理，提高了醫(yī)療效果。

6 結語

目前我國的電動醫(yī)療床的實際水平還較低。在面臨著國內(nèi)電動醫(yī)療床功能簡單、低智能，國外電動醫(yī)療床占據(jù)國內(nèi)大部分市場的處境下，本文提出一種基于Cortex-M3的電動醫(yī)療床驅(qū)動與控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)能夠基本滿足當下國內(nèi)醫(yī)療水平的需求。其多個線性驅(qū)動器同時運行的效率高、對于模糊PID的同步運動控制和控制程序的圖形化編程特點，使其系統(tǒng)的性能得到很大的提升。并且，MCU這種微處理器的獨特設計，能夠?qū)⑾到y(tǒng)的工作電路進行集中，統(tǒng)一管理，減少電路的數(shù)量，使電動醫(yī)療床的管理變得簡單便捷。并且增加像觸控屏、體重傳感器等新的功能，方便醫(yī)護人員能夠及時了解和掌握患者的實時情況，并且進行相應的操作，而且也能夠提高電動醫(yī)療床的工作效率和治療效果。但是，這項系統(tǒng)與國外的先進設備相比較還是有許多地方存在不足，所以應該提高電動醫(yī)療床驅(qū)動與控制系統(tǒng)的開發(fā)效率，在控制系統(tǒng)之中加入更多的摩爾傳感器，開發(fā)更多可以監(jiān)測患者身體狀況的功能。

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Research on drive and control system of electric medical bed based on Cortex-M3

Zhao Qichun
（Shenzhen Tongheng Technology Co., Ltd., Shenzhen 518109, China）

Due to the falling behind of current medical hardware equipment and medical equipment system in China, there are many places need to be improved, in which the most important is the medical bed. The hospital beds in many hospitals are now systematically lagging behind, and the function it supported is less, therefore, this paper puts forward a novel drive and control system for electric medical bed.

electric medical bed; linear actuator; synchronous motion control; graphical programming

趙啟純（1965— ），男，四川兩充，碩士，高級技師，工程師；研究方向：電源與電子技術，自動化控制，人工智能。