一种新型智能配药设备的研究

2013-09-10王超

自动化仪表 2013年7期

王超

(成都工业学院机电工程系，四川成都 611730)

0 引言

进入21世纪以来，我国加强了自主创新和医疗现代化的建设，并突出强调了将微电子技术和机器人技术应用于医疗诊治过程。现在医院的病区都设有专门的配药室，护士每天需要手工完成大量病人输液用药的配制工作，工作繁重。同时注射器在操作过程中因长时间暴露在空气中而存在药品卫生问题。因此，研发一种能取代医护人员配制药品的智能设备就非常重要。到目前为止，国内尚未发现能满足该项应用要求的相关产品，仅有部分与之相关的学术论文探讨，实际的产品基本没有。从国外情况来看，国外报道中出现过相关产品。从所收集到的资料得知，国外产品采用高复杂运动的多维机械手工作方式［1］，功能强大，但成本很高。针对以上实际情况，本文提出了一种智能配药设备。该设备的成功研制，将减少配药时的混乱和差错，有效阻止有毒、化疗等药物在配制过程中挥发而引起的对医护人员的伤害，符合我国医疗器械的定位，具有较大的应用价值。

1 机械结构设计

本文所设计的智能配药设备总体结构可以分为上、中、下三层。最下层也就是第一层是安瓿瓶开瓶器部件装置，主要由安瓿瓶夹持装置、砂轮磨片和动力装置构成，用来为第二层的注射器抽液提供前提条件，同时也是整个设备运行的起点。第二层是注射器抽挤液及夹持装置，主要由注射器夹持装置、注射器抽挤机构、升降机构装置和注射器旋转装置组成，通过上下两个电机使注射器能左右和上下运动，进行抽液和注射，它是完成药物配制的核心运动部分。注射器夹具在整个设备中所起作用是对注射器身的夹紧以及对注射器活塞杆的夹紧和抽挤。第三层是粉剂瓶及大液瓶夹持安装装置，主要由粉剂瓶、大药瓶、传动轴和旋转装置构成。根据整个设备对夹具设计的要求，在实际选用材料时，夹具的材料选择为铝合金。

除了以上主要结构外，本智能配药设备还由底座、支撑架、设备工作支撑架、废品箱和电气控制箱等附属部分构成。整个设备的工作过程如下。

①先将大液瓶、粉剂瓶、注射器、安瓿瓶放置在正确位置;然后启动设备，通过气缸将粉剂瓶定位夹紧;再由其他气缸将装夹粉剂瓶的整个夹具部分推至大液瓶的右端，以此夹紧大液瓶启动气缸，并将注射器定位夹紧;接着启动行走电机带动齿轮旋转，使砂轮在安瓿瓶的瓶颈处磨出一条痕迹;再启动气缸用气缸杆，推掉安瓿瓶上的瓶盖。

②启动注射器电机，将注射器的针头对准已经去盖的安瓿瓶正上方，使丝杆带动注射器的活塞杆向上运动，完成安瓿瓶中液体抽取;再由旋转电机使注射器及其整个夹持装置精确旋转180°，通过控制系统对注射器的针头进行准确定位，使丝杆带动注射器的活塞杆将针管里的液体全部注入到粉剂瓶中，使针头处在一个合理位置。

③启动混合用电机，带动大液瓶和粉剂瓶不停地旋转，使粉剂瓶中的粉剂充分溶解在液体中，达到混合药物的目标;控制注射器电机将针管里的液体全部注入到大液瓶中再次进行混合液体;同时通过气缸控制夹具使安瓿瓶注射器粉剂瓶自动脱落掉入设备下面的废品箱，复位使设备回到初始状态，等待下次配药。

2 系统硬件设计

2.1 硬件电路总体结构设计

本控制系统主要由CAN接口控制器模块、STC11F56XE单片机、液晶模块、传感器检测电路、键盘、电机驱动电路以及电磁阀等执行元件组成。总体结构如图1所示。

图1 硬件电路结构框图Fig.1 Structure of the hardware circuit

2.2 CAN 总线简介

CAN即控制器局域网，属于现场总线的范畴，是为解决现代汽车中各种测量控制部件之间的数据传输问题而开发的一种串行数据通信总线［2］。为了避免CAN总线在使用过程中与系统的不兼容，CAN总线制定了ISO 11898国际标准。ISO 11898-1描述了CAN数据链路层，ISO 11898-2定义了“无错误-误差CAN物理层”，ISO 11898-3规定了“错误-误差物理层”。在现场总线中，CAN总线是唯一被国际标准化组织批准的现场总线。由于CAN总线采用了许多新技术和独特的设计，使得CAN总线的数据通信在可靠性、实时性和灵活性方面具有突出的性能，完全满足本配药系统的实际使用要求。本系统的CAN接口分别采用SJA1000和82C250作为CAN总线控制器和CAN总线收发器［3］。为了保护MCU单片机不受CAN总线上干扰信号的影响，在微处理器与SJA1000中引入高速光电耦合器6N137进行系统隔离［4］。

2.3 CPU 模块

本控制系统选用STC11F56XE单片机作为控制核心。该单片机是新一代的CPU芯片，管脚直接兼容传统89C52，具有经典51系列核，1个时钟/机器周期、高可靠性、2路 PWM、8路 10位高速 A/D转换、25万次/s的运算速度、全球唯一ID号，以及无需复位电路等特点，完全满足本设备的控制需要。

2.4 液晶模块

液晶模块选择19264模块。该模块具有简单的操作指令、低功耗的8位并行数据接口、64×64位(512 B)的显示存储器。存储数据直接作为显示驱动信号，按页模式进行编程和实现等操作。该模块与单片机的接口硬件电路简单，软件编程方面易于实现［5］。

2.5 传感器与电机控制模块

传感器模块用于检测当前设备的每个工作状态。该装置中的传感器主要由压力传感器、霍尔传感器和光电传感器构成。电机主要由步进电机和直流电机构成，单片机通过步进电机驱动器和直流电机驱动器驱动电机，实现相关动作［6］。

3 控制系统软件设计

控制系统的程序包括用来实现与上位机进行数据交换的CAN总线接口软件设计和智能配药设备测控软件的设计两大部分。

3.1 CAN智能节点的软件设计

智能节点硬件按照相同的模式开发，通信过程遵循相同的应用协议，因而智能节点软件也采用相同的开发模式。为了高效率地编写智能节点软件，同时为便于开发其他功能的智能节点，依据智能节点的硬件模型、应用协议，以及配药设备控制系统的实际情况，实现与上位计算机进行通信，最后提出了智能节点软件模型［7］。

智能节点软件模型由CAN基本通信部分、应用层协议、数据字典和具体应用4部分构成。在每个智能节点中，CAN基本通信和应用协议实现部分基本相同;数据字典具有相同框架，仅过程数据区和相关联节点数据区存在区别，将过程数据区做成模板，在编写不同的智能节点软件时仅对模板做相应的修改。CAN基本通信部分直接与CAN控制器交互，完成对CAN控制器的管理与操作，实现数据收发、错误处理等工作。智能节点软件模型如图2所示。

图2 智能节点的软件模型Fig.2 Software model of intelligent node

CAN基本通信软件主要由CAN控制器初始化函数(CAN_INIT)、CAN接收函数(CAN_RCVDAT)和CAN发送函数(CAN_TRANDAT)来实现。其中，CAN控制器发送函数和接收函数流程图分别如图3和图4所示。

CAN控制器初始化函数主要进行芯片初始化以及通信波特率、验收滤波器和输出方式等的设置工作。初始化完成后，检测CAN控制器是否真正进入工作状态，如果有误，则报警。CAN接收函数待接收报文完毕后，释放接收缓冲区。CAN发送函数首先检查控制器是否还在处理上一帧报文的发送，如果已完成上一帧报文的发送，则向发送缓冲区写入待发送的报文，并发启动发送命令，将报文发送出去。

3.2 智能配药设备测控软件

从设备动作过程来看，要实现正确、精准的配药，必须要对每个过程的动作进行实时监测和控制。整个系统具有系统掉电记忆功能［8］。系统除了常规开关量的控制以外，还配置有传感器模拟信号处理模块，用于实时采集液体混合信息［9］。这个模拟信息的精度是有效保证配药质量的关键。在设备实际工作中，为了有效地消除压力随机干扰，在程序中设定一个幅度比例系数，即每两个振荡波信号的幅度采集值要具有一定的比例关系，若超过这个比例，则认为信号为干扰信号，需要重新进行数据采样。当连续3次超过这个比例时，系统则自动取消这次测量。对于采集到的有效数据，经过均值滤波后，可以消除一定的噪声干扰，得到更好的配药数据，达到配药目的［10－11］。整个配药过程的控制流程如图5所示。