基于STM32微控制器的自動發(fā)藥機發(fā)藥裝置的控制與實現(xiàn)

張哲　陳天鷹　陳光達

摘 要：隨著工業(yè)自動化，智能化的浪潮襲來，人們的生活方式發(fā)生了巨大的變化，人們的就醫(yī)環(huán)境和醫(yī)療設備也進一步實現(xiàn)智能化，本文主要利用STM32微控制器通過CAN總線來控制盒裝自動發(fā)藥機的發(fā)藥裝置，傳統(tǒng)盒裝發(fā)藥機的發(fā)藥裝置主要通過PLC技術來實現(xiàn)控制[1]，但PLC本身的線路非常復雜，最終使得發(fā)藥機顯得非常龐大笨重，現(xiàn)場組裝也耗時耗力自動化程度也不高，同時PLC控制裝置的成本非常高昂，這嚴重制約了盒裝自動發(fā)藥機的市場化發(fā)展。因此本文采用的STM32微控制器可以有效解決PLC技術的相關缺點。

關鍵詞：自動發(fā)藥機；STM32微控制器；CAN總線

據(jù)統(tǒng)計北京大醫(yī)院一天的門診量就達到上萬人，病人有時花費大量的時間在等待排隊中，這樣浪費了大量時間所以針對這種現(xiàn)象，本論文研究一種自動發(fā)藥機[ 2 ]，來節(jié)省病人取藥時等待排隊的時間，目前國內(nèi)外自動化藥房的發(fā)藥機主要產(chǎn)品分為以下四種形式：

1）散裝藥品自動化發(fā)藥機；

2）數(shù)控回轉(zhuǎn)柜式自動化藥房發(fā)藥機[ 2 ] ；

3）機械手式自動化藥房發(fā)藥機；

4）儲藥槽式自動化發(fā)藥機。

國內(nèi)的一些發(fā)藥機產(chǎn)品一般采用的是PLC技術，而這種技術導致設備的線路非常復雜，機器顯得非常龐大笨重，現(xiàn)場組裝也耗時耗力自動化程度也不高。

綜上所述，本文采用的基于STM32微控制器技術來控制盒裝發(fā)藥機的控制裝置，可以有效克服傳統(tǒng)PLC控制方法的缺點與不足，同時降低了盒裝發(fā)藥機整體的成本。

一、盒裝發(fā)藥機的硬件設計

盒裝發(fā)藥機控制發(fā)藥裝置的過程如下：上位機通過CAN總線向STM32微控制器發(fā)送相應的十六位控制信號。當STM32微控制器收到這些控制信號時，根據(jù)我們編寫的通信協(xié)議，控制相應發(fā)藥彈塊裝置彈出所發(fā)藥盒。藥盒被發(fā)出時，需要一個光電檢測電路[ 6 ]，用來檢測藥盒是否正常發(fā)出而沒有被卡住。

因此盒裝發(fā)藥機硬件設計最重要包含三個部分：第一部分是CAN總線收發(fā)控制電路，第二部分是盒裝發(fā)藥機發(fā)藥彈塊控制裝置，第三部分是光電檢測裝置。因此本文實現(xiàn)發(fā)藥機控制的核心是CAN總線電路與CAN總線協(xié)議的制定，發(fā)藥控制裝置的框圖如下圖：

（一）CAN總線收發(fā)控制電路

由上可知盒裝發(fā)藥機控制裝置的核心是CAN總線電路，CAN總線（控制器局域網(wǎng)絡）即控制器局域網(wǎng)[ 3-4 ]，是使用最廣泛的國際現(xiàn)場總線。起初，CAN總線被設計成在汽車環(huán)境中的微控制器之間的通信，在車載電子控制單元（ECU）形成汽車電子控制網(wǎng)絡之間的信息交換。它是一種多主方式的串行通訊總線，基本設計規(guī)范要求較高的比特率，高抗干擾，而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤。信號最長傳輸距離為10公里，但是數(shù)據(jù)傳輸速率只能低至5Kbps。

基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)在以下幾個方面的優(yōu)勢：

1）CAN具有完善的通信協(xié)議，該協(xié)議都是由硬件自動完成，因此降低了系統(tǒng)的開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期，這些是只僅僅有電氣協(xié)議的RS-485所無法比擬的。

2）在CAN總線的接口電路中，有CAN-H和CAN-L與線路連接，CAN-H只能是高電平或者懸空狀態(tài)，CAN-L只能是低電平或者懸空狀態(tài)，這就確保了CAN總線接口電路不會像RS-485那樣在總線出現(xiàn)問題時會損壞節(jié)點接口。而且CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響，從而保證不會出現(xiàn)象在網(wǎng)絡中，因個別節(jié)點出現(xiàn)問題，使得總線處于“死鎖”狀態(tài)。

3）CAN控制器可以在多主方式下工作，網(wǎng)絡中的每個節(jié)點都可以通過一種特殊的仲裁機制（具體參見CAN2.0協(xié)議標準）來變成主機。且CAN總線協(xié)議用通信數(shù)據(jù)編碼取代了棧地址的編碼，這使得每個節(jié)點都可以收到一樣的數(shù)據(jù)，這樣就大大增強了數(shù)據(jù)通信的實時性。

綜上所述本文采用的CAN總線收發(fā)器為TJA1050，CAN總線收發(fā)控制電路如下：

二、盒裝發(fā)藥機的軟件設計

（一）盒裝發(fā)藥機的控制流程圖

Fig3 The control diagram of dispensing machine

（二）盒裝發(fā)藥機CAN總線通信子程序設計

本文采用上位機通過CAN總線與STM32微控制器通信，下面是本文CAN總線發(fā)藥機控制器上、下位機通訊協(xié)議：

1.通訊要求

CAN2.0，擴展位模式，頻率800M，無遠程幀。

2.上位機格式（16進制）例

0x 00 00 AB CD 01 02 03 05 01 55

① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦

①：00 00 AB CD 為地址，前2位為00 00，后2位可變。

②：為執(zhí)行動作標志位。取01時執(zhí)行動作相應動作，取02時為通訊測試。

③：為電磁鐵位置標志位：取值為01時第一個電磁鐵動作，取02時第二個電磁鐵動作，以此類推。

④：為通電時間標志位：取值為01時為通電10毫秒，取值為10時通電100毫秒。

⑤：為錯誤動作次數(shù)標志位：取值為05時動作5次，其他值時動作3次。

⑥：為發(fā)藥藥道檢測使能標志位：取值為01時本藥道參與檢測，其他值時不參與檢測。

⑦：CRC驗證：②+③+④+⑤+⑥=⑦

3.下位機格式（16進制）

例：0x 00 00 AB CD 01 02 55

① ② ③ ④

①：本機地址。

②：發(fā)藥成功標志位。取值為01時發(fā)藥成功，取值為02時發(fā)藥失敗。

③：發(fā)藥位置標志位。取值為01時發(fā)第一盒藥，取值02為發(fā)第二盒藥，依次類推。

④：CRC驗證：②+③=④

三、結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)發(fā)藥機采用PLC控制系統(tǒng)來控制發(fā)藥裝置，由此造成的成本高昂，設備結(jié)構復雜等缺點，提出了采用STM32微控制器的方法，該方法通過設計簡單的電路圖利用CAN總線通信來控制相應的發(fā)藥裝置，可以有效克服PLC控制系統(tǒng)的缺點，同時可以有效的提高控制系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

但是，本文還存在一定不足。本文中的控制系統(tǒng)沒有采用帶有任務管理的操作系統(tǒng)，導致沒有友好的人機交互界面。從而使后續(xù)系統(tǒng)的管理維護，以及迭代開發(fā)帶來了不便。

參考文獻：

[1] 王慶.基于S7-200 PLC的中藥自動發(fā)藥機系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].四川：中國知網(wǎng)，2005：2-3.

[2] 盧道兵，梁茂本.自動化發(fā)藥系統(tǒng)在醫(yī)院門診藥房中的應用效果評價[J].重慶醫(yī)學，2016，45（29）：12.

[3] 劉火良，楊森.STM32庫開發(fā)實戰(zhàn)指南[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013，06.

[4] 鄭杰.ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應用完全手冊[M].北京：中國鐵道出版社，2013，08：53.

[5] 趙齊，許彥峰，李健，曾丹紅.基于STM32和多照度傳感器融合照度測量系統(tǒng)[J].電子技術與軟件工程，2014，03.

[6] 尹杰，楊宗帥，聶海，王海峰.基于紅外反射式智能循跡遙控小車系統(tǒng)設計[J].電子設計工程，2013，12.