單片機(jī)仿真PLC控制在護(hù)理床驅(qū)動(dòng)模塊中的應(yīng)用＊

李 露 ，楊 鵬 ，2，宣伯凱 ，2

（1.河北工業(yè)大學(xué) 控制學(xué)院，天津 300130；

2.智能康復(fù)裝置與檢測(cè)技術(shù)教育部工程研究中心，天津 300130）

多功能護(hù)理床作為醫(yī)療器械，已被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)院、療養(yǎng)院、養(yǎng)老院等眾多領(lǐng)域。不僅提高了病人的自理能力，同時(shí)也減輕了護(hù)理人員的工作強(qiáng)度[1]。因此，針對(duì)醫(yī)療護(hù)理床的應(yīng)用需求，提出了一種基于CAN總線的多功能電動(dòng)護(hù)理床。該護(hù)理床基于模塊化的思想，分為驅(qū)動(dòng)控制模塊、生理參數(shù)采集模塊、顯示模塊等，各模塊之間通過(guò)CAN總線進(jìn)行通信。本文主要針對(duì)驅(qū)動(dòng)控制模塊進(jìn)行研究。

本設(shè)計(jì)用AT90CAN128來(lái)仿真PLC控制，能結(jié)合單片機(jī)控制和PLC控制的優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)控制作為嵌入式系統(tǒng)的核心技術(shù)，具有高可靠性和高性價(jià)比，且成本低廉；PLC控制中的邏輯梯形圖編程與繼電接觸控制電路原理圖相似，抗干擾性強(qiáng)且簡(jiǎn)單易學(xué)[2]。

驅(qū)動(dòng)模塊以一片AT90CAN128單片機(jī)作為核心控制單元，繼電器及其外圍電路組成驅(qū)動(dòng)器，分別驅(qū)動(dòng)5個(gè)電機(jī)，帶動(dòng)護(hù)理床床體的可調(diào)部位運(yùn)動(dòng)，分別完成背部升降、腿部屈伸、左右側(cè)翻等動(dòng)作。

軟件設(shè)計(jì)采用了PLC的循環(huán)掃描的編程思想，提高了程序執(zhí)行的可靠性。通過(guò)護(hù)理床這些多體位的變換，可以減少各種由于長(zhǎng)期臥床所帶來(lái)的并發(fā)癥，如褥瘡等，有利于受護(hù)理人的肌體健康。

1 CAN網(wǎng)絡(luò)通信

本系統(tǒng)中CAN總線作為通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 護(hù)理床CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

把CAN總線應(yīng)用在護(hù)理床控制系統(tǒng)中，組成多主站的分布式控制系統(tǒng)，取代了傳統(tǒng)電動(dòng)床采用的集中式控制結(jié)構(gòu)及主從式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)護(hù)理床可擴(kuò)展性、可維護(hù)性以及抗單點(diǎn)故障能力較差的缺點(diǎn)[3]。護(hù)理床系統(tǒng)采用這種總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，便于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)處理事件。例如當(dāng)生理參數(shù)檢測(cè)模塊檢測(cè)到病人的生理信息后能夠把數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，并通過(guò)自己的CAN接口實(shí)時(shí)地將本節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線。其他模塊如顯示模塊，及時(shí)通過(guò)匹配地址從總線上接收信息并顯示結(jié)果。

由于在AT90CAN128內(nèi)部已經(jīng)集成了CAN總線協(xié)議控制器，且完全兼容CAN2.OA和2.0B標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，所以在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)就沒(méi)有必要外擴(kuò)，只需添加CAN總線收發(fā)器就能完成通信[4]。CAN通信接口電路中選用ATA6660控制CAN總線通信過(guò)程的數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，無(wú)論是穩(wěn)定性還是傳輸?shù)恼_性方面都達(dá)到了很好的效果。

2 護(hù)理床驅(qū)動(dòng)模塊硬件結(jié)構(gòu)

護(hù)理床驅(qū)動(dòng)模塊的控制芯片采用ATMEAL公司的AT90CAN128，AT90CAN128是一個(gè)高性能、低功耗的 8位單片機(jī)，具有128 KB在系統(tǒng)可重復(fù)編程Flash，64個(gè)引腳，52個(gè)I/O口，用一個(gè)單片機(jī)完全可以同時(shí)控制5路驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作。驅(qū)動(dòng)模塊整體框圖如圖2所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)模塊整體框圖

驅(qū)動(dòng)模塊在運(yùn)行時(shí)，一方面接收CAN總線的報(bào)文信息，經(jīng)過(guò)分析處理，驅(qū)動(dòng)床體運(yùn)動(dòng)；另一方面還加入了按鍵輸入模塊，更方便直接地實(shí)現(xiàn)不同位姿。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)所采用的是直流線性驅(qū)動(dòng)器。該線性執(zhí)行器將普通直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)適當(dāng)?shù)臋C(jī)械結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成直線推桿的伸縮運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)起居床的各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，幫助病人實(shí)現(xiàn)自己無(wú)法完成的動(dòng)作。當(dāng)電動(dòng)床運(yùn)動(dòng)到達(dá)極限位置時(shí)，電動(dòng)床的限位傳感器可以給控制提供一個(gè)卡位信號(hào)[5]。

2.1按鍵輸入電路

驅(qū)動(dòng)模塊的輸入電路采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電路配置靈活的獨(dú)立按鍵構(gòu)成。由單片機(jī)的 PB0～PB7和 PF1～PF2十個(gè)I/O口作為輸入口，10個(gè)按鍵的狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)護(hù)理床的十種功能。包括：（1）背部上升/下降；（2）腿部彎曲/伸展；（3）左/右翻身；（4）床體上升/下降；（5）便孔開(kāi)/合。按鍵未按下時(shí)，輸入的是高電平；當(dāng)按下按鍵時(shí)電壓就通過(guò)開(kāi)關(guān)加到I/O口，輸入的是低電平。

2.2繼電器輸出電路

以上各位姿之間的轉(zhuǎn)換和完成均采用機(jī)械式繼電器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，它可靠性高，控制功率大。如圖3所示，單片機(jī)的 I/O口通過(guò)控制光耦（TIL113）的通斷來(lái)控制繼電器。同時(shí)，將電機(jī)邏輯控制信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦隔離器，可以將高低電平信號(hào)（5 V和 24 V）隔離，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾性。

圖3 驅(qū)動(dòng)模塊輸出電路

由于電路本身的特點(diǎn)，即電機(jī)的兩個(gè)端子接到兩個(gè)繼電器的公共端，而繼電器的常閉觸點(diǎn)接地，常開(kāi)觸點(diǎn)接電源，避免了由繼電器觸點(diǎn)的抖動(dòng)而造成的短路。此外，加入了正反控制信號(hào)的互鎖保護(hù)電路，最后信號(hào)經(jīng)繼電器模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載。

繼電器線圈并聯(lián)反向二極管，用來(lái)提供繼電器線圈的放電回路，從而起到保護(hù)線圈的目的。在電機(jī)的兩端并接阻容吸收電路，用以緩沖電機(jī)起停或反向時(shí)的電流。

3 護(hù)理床驅(qū)動(dòng)模塊軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用了仿真PLC的循環(huán)掃描工作方式。PLC工作時(shí)，將采集到的輸入信號(hào)狀態(tài)存放在輸入映象區(qū)對(duì)應(yīng)的位上，PLC在執(zhí)行用戶程序時(shí)所需輸入/輸出的數(shù)據(jù)取用于輸入/輸出映像區(qū)，而不與外部設(shè)備發(fā)生關(guān)系[6]。為了配合這種工作方式，采用單片機(jī)系統(tǒng)中的I/O數(shù)據(jù)寄存器對(duì)應(yīng)PLC中的輸入/輸出映象寄存器，存放現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和運(yùn)算處理結(jié)果。

3.1軟件整體設(shè)計(jì)

在輸入采樣階段（即按鍵掃描），單片機(jī)以掃描方式按順序?qū)/O接口的開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)（按鍵信號(hào)）讀入對(duì)應(yīng)的輸入映象寄存器（單片機(jī)各輸入I/O對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器）中寄存起來(lái)（輸入刷新）；邏輯控制程序處理階段，單片機(jī)按順序進(jìn)行邏輯程序的運(yùn)算與處理，并根據(jù)結(jié)果刷新輸出映象寄存器（單片機(jī)各輸出I/O數(shù)據(jù)寄存器）的內(nèi)容；在輸出控制階段，將輸出映象寄存器中的狀態(tài)以控制信號(hào)的形式送到輸出接口電路，從而控制外部負(fù)載。軟件整體流程如圖4所示。

圖4 軟件整體流程

采用這種工作方式，在一個(gè)程序循環(huán)周期內(nèi)，即使實(shí)際輸入信號(hào)狀態(tài)發(fā)生變化，也不會(huì)影響到單片機(jī)程序的正確執(zhí)行，從而提高了程序執(zhí)行的可靠性。

3.2位置控制

位置控制程序即對(duì)應(yīng)了PLC中的邏輯梯形圖。位置控制程序一方面接收控制鍵盤(pán)指令，另一方面要保證電機(jī)能準(zhǔn)確地完成相應(yīng)的動(dòng)作，即使在程序復(fù)位等非正常狀態(tài)下也能保證電機(jī)本身、護(hù)理床和病人的安全。設(shè)置可靠的限位、動(dòng)作互鎖等都可以起到保護(hù)作用[7]。本護(hù)理床動(dòng)作操作也有相應(yīng)的互鎖限制，例如，側(cè)翻未到水平位置，即處于側(cè)翻中間狀態(tài)時(shí)，需要一個(gè)標(biāo)志位標(biāo)明床面狀態(tài)。此時(shí)，床體若要進(jìn)行其他動(dòng)作，通過(guò)判斷此標(biāo)志位來(lái)決定是否可以動(dòng)作。本系統(tǒng)動(dòng)作互鎖可簡(jiǎn)單歸結(jié)為主要以下幾點(diǎn)：

（1）起背狀態(tài)時(shí)不能左右側(cè)翻；

（2）落腿狀態(tài)時(shí)不能左右側(cè)翻；

（3）上下升降時(shí)不能左右側(cè)翻；

（4）坐便器打開(kāi)時(shí)不能左右側(cè)翻；

（5）左右側(cè)翻時(shí)，背部或腿部不能上升，坐便器不能打開(kāi)。

位置邏輯控制程序的流程圖如圖5所示。

圖5 位置邏輯控制流程圖

本設(shè)計(jì)硬件電路簡(jiǎn)單緊湊、調(diào)試方便、可靠性高，解決了護(hù)理床的自動(dòng)控制問(wèn)題，滿足了受護(hù)理人對(duì)多種體位的要求；軟件上采用仿真PLC的編程方式，避免了使用者的誤操作，提高了系統(tǒng)的抗干擾性；護(hù)理床整體系統(tǒng)采用CAN總線通信方式，使得系統(tǒng)本身具有了很強(qiáng)的移植性和模塊化功能。從實(shí)際的運(yùn)行情況來(lái)看，床面的各種姿勢(shì)都能滿足預(yù)期要求，并能有效地避免操作人員的誤動(dòng)作。驗(yàn)證了控制方案和通信策略的實(shí)用性和可靠性，顯現(xiàn)出廣闊的市場(chǎng)前景。

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