基于单片机与CAN总线的输液控制系统

2014-12-23王发智

科技视界 2014年11期

王发智

（齐齐哈尔大学，黑龙江齐齐哈尔161006）

0 引言

静脉输液是一种最常用的临床治疗方法，临床上应根据药物和患者情况不同配以不同的输液速度；有些药输液速度过快，可能会导致中毒，更严重时会导致水肿和心力衰竭；输液速度过慢则可能发生药量不够或者无谓地延长输液时间，使治疗受影响，并给患者和护理工作增加不必要的负担[1]。常规临床输液，普遍采用挂瓶输液，用眼睛观察，依靠手动夹子来控制液滴速度，不易精确控制输液速度，而且护士工作量大。

智能型医用输液泵可满足多种功能的需求。归纳起来，它能实现以下功能：

（1）可精确测量和控制输液速度；

（2）可精确测定和控制输液量；

（3）液流线性度好，不产生脉动；

（4）能对气泡、空液、漏液和输液管阻塞等异常情况进行报警，并自动切断输液通路；

（5）实现智能控制输液[2]。

1 系统设计方案

1.1 系统硬件设计

红外振荡装置产生红外脉冲，红外信号通过液滴池后形成不同的脉冲峰值，经过放大装置放大，使高、低峰值之间的反差加大，脉冲经过施密特整形后，低峰值脉冲被削减，高峰值脉冲通过，对于可重复触发单稳电路，当有脉冲来时其处于暂稳态，没有脉冲时处于稳态。因为有液滴通过时，红外信号被吸收，产生一次低电平，在单片机中设置下降沿触发，计算下降沿数目可以得到液滴数目（20 滴=1ml）。单片机与CAN 总线控制器连接，彼此通讯，从单片机送来的数据，进而控制步进电机，步进电机带动蠕动泵转动。根据上述设计思想设计的系统总体原理框图如图1 所示。

图1 系统原理框图

系统的硬件和系统要实现的功能紧密相关，因此先要从系统要达到的功能入手，然后再用硬件实现这些功能。系统需要显示“滴速”和“瓶量”两种[3]，平时主要是显示“滴速”，并可以用“ml/min”和“滴/min”两种方法显示，当然这两种方法可以通过键盘输入切换功能来实现。红外调制发射电路可由555 电路实现，红外接收放大采用红外接收放大一体的管子，后级只需要把信号整形并变成液滴频率的信号即可，这里用555, 74LS122 或74HC123 实现。具体原理如下：红外脉冲接收管接收并放大红外信号，在经过施密特触发器滤除干扰后送给液滴变换电路。接下来是如何去测量滴速。本文利用8253 的定时器产生一个固定定时，同时利用8253 对液滴计数，当定时器溢出的时候，用单片机把定时器8253 计的滴数读出，再把这个数据转化为每分钟的滴速，这样就完成液滴测量。液滴速度测量的原理实际上是测量在规定时间单稳产生的脉冲数，在GATE0 脚加上控制电平来控制规定时间，OUT0 输出产生速度上限控制报警，速度下限则由软件完成。

系统接口电路设计中包括键盘显示单元设计及报警单元设计，在键盘显示部分采用目前最常用的8279 器件，报警电路利用单片机的P1.1 和P1.2 口控制两个LED，进行报警显示。

在键盘中设定了如下功能键：数字输入+、数字输入-、左移、右移、瓶量/速度选择、清零确认、显示选择（ml/min 和滴/min）、报警消除、暂停、确认。

键盘显示部分采用8279 专用键盘显示接口电路。按照需要的功能，规划并设计硬件电路，P2.0 为片选地址线，/INT0 作为中断。复位端和单片机的复位端相连。设置10 个按键，驱动6 个LED。单片机系统的晶振为12MHz。考虑到8279 直接驱动数码管的能力不够，设置了驱动缓冲器74LS244/241。

使用L297+L298 做成的两相双极性步进电机马达驱动，采用定电流截波方式驱动，每相电流可达2A，L297 是步进马达控制器，用来产生两相双极性驱动信号与马达截波电流设定，L298 是用来驱动步进电机电力输出，是双全桥接方式驱动，由于采用双极性驱动，因此马达线圈完全利用，使步进电机可以达到最佳的驱动[4]。

由ALE、/WR、/RD 组合产生稳定的2MHz 脉冲，供给8253。 8253三个计数器把它分频供给L297，L297 产生脉冲分配给L298，L298 驱动两相步进电机。步进电机驱动部分电路原理图如图2 所示。

本设计用硬件产生脉冲分配码驱动，程序中控制8253 的脉冲频率就可以控制步进电机的转速，设定好工作速度后，根据这一数值查表对应某一值，利用这一数值在这基础上系统进行加速或减速，当测量数值和设定小于规定的数时记录这个脉冲率并停止调速，这就是软件流程的主要思想。采用AT89C52 单片机产生控制信号。单片机内部的RAM 和ROM 即可满足要求。在以后的实际运用中,如需扩展较多的外部RAM 和ROM 时,可加上数据缓冲器。

图2 步进电机驱动部分电路原理图

步进电机控制信号通过AT89C52 单片机P1 口的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3 四个口输出的具有时序的方波经74HC04 芯片(为方便输出,起非门的作用)作为步进电机的控制信号。为了增加步进电机工作的灵活性，在起动步进电机工作之后,当有键按下，设置产生外部中断,达到灵活控制步进电机的目的[5]。

单片机对CAN 总线控制芯片SJA1000 进行正确初始化后，将要发送的数据通过PC82C250 输出至CAN 总线。在硬件电路的设计过程中，为了增强抗干扰能力，SJA1000 的TX0 和RX0 引脚并没有直接和PCA82C250（CAN 总线收发器）的TXD,RXD 相连接，而是通过高速光耦6N137 后与PCA82C250 相连，这样可以实现总线上各CAN 节点之间的电气隔离。在光耦的使用过程中，一定要注意光耦6N137 的两侧必须使用完全独立的两组电源Vcc 和+5V, 否则光耦将起不到任何作用。图3 给出了基于SJA1000 的CAN 总线接口模块电路。在PCA82C250 与CAN 总线的连接部分，可以将CANH 和CANL 两个引脚各自通过1 个5Ω 的电阻与CAN 总线相连，这样可以起到限流的作用，以保护PC82C250 免受过流的冲击。

图3 基于SJA1000 的CAN 总线接口电路

驱动器PCA82C250 是控制器与物理总线之间的接口，从CAN 控制器SJA1000 出来的数据流需经过驱动器PCA82C250 才可由总线相连，驱动器PCA82C250 除加强总线的差动发送和接收功能外，还有如下特点：具有抗瞬间干扰，保护总线传输能力，采用斜率控制，降低射频干扰，过热保护及总线与电源之间的短路保护，低电流待机模式，未上电节点不会干扰总线，总线可连接110个节点。

1.2 系统软件设计

软件采用功能模块的设计思想方法进行编写，可增加系统整体可移植性。系统软件需要的功能模块主要有：键盘模块、显示模块、测量信号模块、步进电机驱动控制模块、通讯模块、报警模块。这样分类也和硬件的设置相对应。软件各模块的相互连接需要主控模块对它们进行控制。按照主控模块的执行顺序来工作。这就是整个系统的软件构建方案。

在系统中要考虑抗干扰设计问题，在硬件方案上已有体现，例如施密特触发器就是滤除干扰。软件抗干扰主要是在没有利用的程序段中加入长跳转到0000H，使程序出错后能自动重新归位。设置自定义的标志寄存器，用来连接各程序模块相互之间传送信息。软件模块的相互关系如图4 所示。