基于單片機(jī)與CAN總線的輸液控制系統(tǒng)

王發(fā)智

（齊齊哈爾大學(xué)，黑龍江 齊齊哈爾161006）

0 引言

靜脈輸液是一種最常用的臨床治療方法，臨床上應(yīng)根據(jù)藥物和患者情況不同配以不同的輸液速度；有些藥輸液速度過快，可能會導(dǎo)致中毒，更嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致水腫和心力衰竭；輸液速度過慢則可能發(fā)生藥量不夠或者無謂地延長輸液時(shí)間，使治療受影響，并給患者和護(hù)理工作增加不必要的負(fù)擔(dān)[1]。 常規(guī)臨床輸液，普遍采用掛瓶輸液，用眼睛觀察，依靠手動夾子來控制液滴速度，不易精確控制輸液速度，而且護(hù)士工作量大。

智能型醫(yī)用輸液泵可滿足多種功能的需求。 歸納起來，它能實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）可精確測量和控制輸液速度；

（2）可精確測定和控制輸液量；

（3）液流線性度好，不產(chǎn)生脈動；

（4）能對氣泡、空液、漏液和輸液管阻塞等異常情況進(jìn)行報(bào)警，并自動切斷輸液通路；

（5）實(shí)現(xiàn)智能控制輸液[2]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

紅外振蕩裝置產(chǎn)生紅外脈沖，紅外信號通過液滴池后形成不同的脈沖峰值，經(jīng)過放大裝置放大，使高、低峰值之間的反差加大，脈沖經(jīng)過施密特整形后，低峰值脈沖被削減，高峰值脈沖通過，對于可重復(fù)觸發(fā)單穩(wěn)電路，當(dāng)有脈沖來時(shí)其處于暫穩(wěn)態(tài)，沒有脈沖時(shí)處于穩(wěn)態(tài)。因?yàn)橛幸旱瓮ㄟ^時(shí)，紅外信號被吸收，產(chǎn)生一次低電平，在單片機(jī)中設(shè)置下降沿觸發(fā)，計(jì)算下降沿?cái)?shù)目可以得到液滴數(shù)目（20 滴=1ml）。 單片機(jī)與CAN 總線控制器連接，彼此通訊，從單片機(jī)送來的數(shù)據(jù)，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)帶動蠕動泵轉(zhuǎn)動。 根據(jù)上述設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總體原理框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)的硬件和系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能緊密相關(guān)， 因此先要從系統(tǒng)要達(dá)到的功能入手，然后再用硬件實(shí)現(xiàn)這些功能。 系統(tǒng)需要顯示“滴速”和“瓶量”兩種[3]，平時(shí)主要是顯示“滴速”，并可以用“ml/min”和“滴/min”兩種方法顯示，當(dāng)然這兩種方法可以通過鍵盤輸入切換功能來實(shí)現(xiàn)。 紅外調(diào)制發(fā)射電路可由555 電路實(shí)現(xiàn)，紅外接收放大采用紅外接收放大一體的管子， 后級只需要把信號整形并變成液滴頻率的信號即可，這里用555, 74LS122 或74HC123 實(shí)現(xiàn)。 具體原理如下：紅外脈沖接收管接收并放大紅外信號， 在經(jīng)過施密特觸發(fā)器濾除干擾后送給液滴變換電路。 接下來是如何去測量滴速。 本文利用8253 的定時(shí)器產(chǎn)生一個(gè)固定定時(shí)，同時(shí)利用8253 對液滴計(jì)數(shù)，當(dāng)定時(shí)器溢出的時(shí)候，用單片機(jī)把定時(shí)器8253 計(jì)的滴數(shù)讀出，再把這個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為每分鐘的滴速，這樣就完成液滴測量。 液滴速度測量的原理實(shí)際上是測量在規(guī)定時(shí)間單穩(wěn)產(chǎn)生的脈沖數(shù)，在GATE0 腳加上控制電平來控制規(guī)定時(shí)間，OUT0 輸出產(chǎn)生速度上限控制報(bào)警， 速度下限則由軟件完成。

系統(tǒng)接口電路設(shè)計(jì)中包括鍵盤顯示單元設(shè)計(jì)及報(bào)警單元設(shè)計(jì)，在鍵盤顯示部分采用目前最常用的8279 器件， 報(bào)警電路利用單片機(jī)的P1.1 和P1.2 口控制兩個(gè)LED，進(jìn)行報(bào)警顯示。

在鍵盤中設(shè)定了如下功能鍵：數(shù)字輸入+、數(shù)字輸入-、左移、右移、瓶量/速度選擇、清零確認(rèn)、顯示選擇（ml/min 和滴/min）、報(bào)警消除、暫停、確認(rèn)。

鍵盤顯示部分采用8279 專用鍵盤顯示接口電路。 按照需要的功能，規(guī)劃并設(shè)計(jì)硬件電路，P2.0 為片選地址線，/INT0 作為中斷。復(fù)位端和單片機(jī)的復(fù)位端相連。 設(shè)置10 個(gè)按鍵，驅(qū)動6 個(gè)LED。 單片機(jī)系統(tǒng)的晶振為12MHz?？紤]到8279 直接驅(qū)動數(shù)碼管的能力不夠，設(shè)置了驅(qū)動緩沖器74LS244/241。

使用L297+L298 做成的兩相雙極性步進(jìn)電機(jī)馬達(dá)驅(qū)動，采用定電流截波方式驅(qū)動，每相電流可達(dá)2A，L297 是步進(jìn)馬達(dá)控制器，用來產(chǎn)生兩相雙極性驅(qū)動信號與馬達(dá)截波電流設(shè)定，L298 是用來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)電力輸出，是雙全橋接方式驅(qū)動，由于采用雙極性驅(qū)動，因此馬達(dá)線圈完全利用，使步進(jìn)電機(jī)可以達(dá)到最佳的驅(qū)動[4]。

由ALE、/WR、/RD 組合產(chǎn)生穩(wěn)定的2MHz 脈沖，供給8253。 8253三個(gè)計(jì)數(shù)器把它分頻供給L297，L297 產(chǎn)生脈沖分配給L298，L298 驅(qū)動兩相步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動部分電路原理圖如圖2 所示。

本設(shè)計(jì)用硬件產(chǎn)生脈沖分配碼驅(qū)動， 程序中控制8253 的脈沖頻率就可以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，設(shè)定好工作速度后，根據(jù)這一數(shù)值查表對應(yīng)某一值，利用這一數(shù)值在這基礎(chǔ)上系統(tǒng)進(jìn)行加速或減速，當(dāng)測量數(shù)值和設(shè)定小于規(guī)定的數(shù)時(shí)記錄這個(gè)脈沖率并停止調(diào)速，這就是軟件流程的主要思想。采用AT89C52 單片機(jī)產(chǎn)生控制信號。單片機(jī)內(nèi)部的RAM 和ROM 即可滿足要求。 在以后的實(shí)際運(yùn)用中,如需擴(kuò)展較多的外部RAM 和ROM 時(shí),可加上數(shù)據(jù)緩沖器。

圖2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動部分電路原理圖

步 進(jìn) 電 機(jī) 控 制 信 號 通 過AT89C52 單 片 機(jī)P1 口 的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3 四個(gè)口輸出的具有時(shí)序的方波經(jīng)74HC04 芯片(為方便輸出,起非門的作用)作為步進(jìn)電機(jī)的控制信號。 為了增加步進(jìn)電機(jī)工作的靈活性，在起動步進(jìn)電機(jī)工作之后,當(dāng)有鍵按下，設(shè)置產(chǎn)生外部中斷,達(dá)到靈活控制步進(jìn)電機(jī)的目的[5]。

單片機(jī)對CAN 總線控制芯片SJA1000 進(jìn)行正確初始化后， 將要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過PC82C250 輸出至CAN 總線。 在硬件電路的設(shè)計(jì)過程中，為了增強(qiáng)抗干擾能力，SJA1000 的TX0 和RX0 引腳并沒有直接和PCA82C250（CAN 總線收發(fā)器）的TXD,RXD 相連接，而是通過高速光耦6N137 后與PCA82C250 相連，這樣可以實(shí)現(xiàn)總線上各CAN 節(jié)點(diǎn)之間的電氣隔離。 在光耦的使用過程中，一定要注意光耦6N137 的兩側(cè)必須使用完全獨(dú)立的兩組電源Vcc 和+5V, 否則光耦將起不到任何作用。 圖3 給出了基于SJA1000 的CAN 總線接口模塊電路。 在PCA82C250 與CAN 總線的連接部分，可以將CANH 和CANL 兩個(gè)引腳各自通過1 個(gè)5Ω 的電阻與CAN 總線相連， 這樣可以起到限流的作用，以保護(hù)PC82C250 免受過流的沖擊。

圖3 基于SJA1000 的CAN 總線接口電路

驅(qū)動器PCA82C250 是控制器與物理總線之間的接口，從CAN 控制器SJA1000 出來的數(shù)據(jù)流需經(jīng)過驅(qū)動器PCA82C250 才可由總線相連，驅(qū)動器PCA82C250 除加強(qiáng)總線的差動發(fā)送和接收功能外，還有如下特點(diǎn)：具有抗瞬間干擾，保護(hù)總線傳輸能力，采用斜率控制，降低射頻干擾，過熱保護(hù)及總線與電源之間的短路保護(hù)，低電流待機(jī)模式，未上電節(jié)點(diǎn)不會干擾總線， 總線可連接110個(gè)節(jié)點(diǎn)。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件采用功能模塊的設(shè)計(jì)思想方法進(jìn)行編寫，可增加系統(tǒng)整體可移植性。 系統(tǒng)軟件需要的功能模塊主要有：鍵盤模塊、顯示模塊、測量信號模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制模塊、通訊模塊、報(bào)警模塊。 這樣分類也和硬件的設(shè)置相對應(yīng)。 軟件各模塊的相互連接需要主控模塊對它們進(jìn)行控制。 按照主控模塊的執(zhí)行順序來工作。 這就是整個(gè)系統(tǒng)的軟件構(gòu)建方案。

在系統(tǒng)中要考慮抗干擾設(shè)計(jì)問題，在硬件方案上已有體現(xiàn)， 例如施密特觸發(fā)器就是濾除干擾。 軟件抗干擾主要是在沒有利用的程序段中加入長跳轉(zhuǎn)到0000H，使程序出錯(cuò)后能自動重新歸位。 設(shè)置自定義的標(biāo)志寄存器，用來連接各程序模塊相互之間傳送信息。軟件模塊的相互關(guān)系如圖4 所示。

圖4 軟件模塊分配圖

2 結(jié)論

現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)的飛速發(fā)展和人民重視身體健康程度，要求相應(yīng)配套的醫(yī)療設(shè)施和服務(wù)提高，輸液作為最為常用的醫(yī)學(xué)手段，對輸液控制和治療關(guān)系也變得越來越密切。

本文的創(chuàng)新點(diǎn)是探討和實(shí)現(xiàn)了一種智能型的支持網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的醫(yī)用輸液泵系統(tǒng)，采用紅外線間接測量液滴速度，同時(shí)利用液滴速度快慢與空瓶、阻塞、漏液、速度失控之間的關(guān)系，省去了目前同類輸液設(shè)備中采用壓力傳感器測量阻塞和漏液的方法，降低了成本，但是這一功能仍然還存在。

［1］陸仲達(dá),何鵬,徐鳳霞.基于電力線載波技術(shù)的輸液遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2008,6-2：112-113.

［2］王國輝,等.智能型醫(yī)用輸液泵及其應(yīng)用.物理治療與手術(shù)治療[J].2002,3：56-58.

［3］Intel.Interfacing.a MCS-51 Microcontroller to an 82527 CAN Controller[J].2007:103-108.

［4］田建君.單片機(jī)控制輸液泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中小型機(jī)電,2004,1(31)：53-55.

［5］孟武勝,李亮.基于AT89C52 單片機(jī)的步進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微電機(jī),2007:64-66.